BIM技术应用于高速公路机电工程的技术方案研究

摘要 BIM技术应用于高速公路机电工程，将提高机电工程施工的智慧化管理水平，对施工进度、质量、成本的管理起到积极促进作用。文章研究了高速公路机电工程的BIM建模方式、信息的编码及存储、子模型的划分等，分析如何基于BIM技术开发高速公路机电工程施工智慧管理平台，探讨了工程建设数字化管控平台和数字化交付的实现方案，提出整体的系统架构。

关键词 BIM技术；机电工程；智慧管理平台；系统架构

中图分类号 U417文献标识码 B文章编号 2096-8949（2024）02-0105-03

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model-ing），是一种包含多个维度的建筑信息的集成管理技术，它汇总了建筑工程项目各个方面的海量数字信息，使信息能够在项目的规划、设计、施工、运维各阶段被充分地传递及运用，为建设项目信息化提供广阔的发展空间。通过BIM软件把工程项目的所有信息进行数字化表达并集成到数据库模型中，建立信息的有机联系，方便了在工程各阶段对工程信息的查询、使用、修改和传递。由于在工程各个阶段，各参建主体使用信息的目的和方式各有不同，从而各参建主体对一个工程项目可能创建出不同的BIM模型。按照工程阶段的不同，可以将BIM模型分为：规划阶段BIM模型、设计阶段BIM模型、施工阶段BIM模型、运维阶段BIM模型。

当前，我国交通运输行业正在加快交通强国建设，大力建设智慧高速基础设施。BIM技术在我国高速公路行业中的深入应用，将促进高速公路工程项目在设计、施工、运维各阶段协调发展，加速推动高速公路行业的数字化发展[1-4]。交通运输部于2021年2月26日发布了三个公路工程行业推荐性标准：《公路工程信息模型应用统一标准》（JTG/T 2420—2021）《公路工程设计信息模型应用标准》（JTG/T 2421—2021）《公路工程施工信息模型应用标准》（JTG/T 2422—2021）。这三个行业标准确定了高速公路基础设施模型架构、模型编码、数据格式等问题，规范了BIM模型在高速公路工程全生命周期应用的技术要求，对推动高速公路工程BIM技术的良性发展、提高高速公路工程整个项目生命周期的数字化水平、实现下一步的高速公路工程数字化交付具有重要意义。

1 信息的编码和存储

《公路工程信息模型应用统一标准》（JTG/T 2420—2021）中规定，公路工程信息模型的信息按照成果、過程、资源、属性和其他方面进行分类，如表1所示。这个分类方法参照了《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T 51269—2017）。公路工程的主要成果包括路基、路面、桥梁、隧道、交通工程及沿线设施等，统称为设施，这些主要设施构成了一级类；交通工程及沿线设施又由交通安全设施、管理设施、服务设施3个子设施组成，这些子设施构成二级类。其中，机电工程主要关注的管理设施主要包括监控设施、收费设施、通信设施、供配电设施、照明设施等，这些管理设施称为构件，这些构件构成了三级类，例如，收费设施构件的编码为18-07.02.03.00。进一步细分，收费设施构件又可以划分为收费亭、收费岛、栏杆、费额显示器、ETC门架系统等构件，例如，收费亭构件的编码为18-07.02.03.01。公路工程信息模型的信息根据这样的分类编码标准，就能整合规划、设计、施工、运维阶段的各种详细的海量信息，包括设施、构件、建设过程、专业信息、工具信息、材料信息、专业属性、地质地形信息等，实现了工程海量信息的分类索引，便于信息的标准化处理和快速传递。

公路工程信息模型的信息按照《工业基础类平台规范》（GB/T25507—2010）的规定，使用类对数据进行逐级封装并存储。工业基础类即IFC标准（Industry Foundation Class），是1994年由国际协同工作联盟（即IAI，现已更名为buildingSMART）制定的，是一个公开的建筑信息模型数据存储标准，被业界广泛采用[2]。该文以收费设施构件里面的ETC门架系统构件为例，简要介绍构件的类封装方法。ETC门架系统构件使用IfcBuildingElementProxy类进行封装，该构件的几何表达在IfcProductDefinitionShape、IfcLocalPlacement中进行定义，也可以使用超类IfcBuildingElement中的表达类型，可以允许使用多种方式进行几何表达。ETC门架系统构件的局部坐标使用超类IfcProduct中的IfcLocalPlacement来进行定义。

2 施工各阶段的子模型

根据我国公路工程行业的特点，《公路工程信息模型应用统一标准》（JTG/T 2420—2021）中将公路工程项目全生命周期阶段划分为设计、施工、运维阶段，其中施工阶段涉及施工准备、施工过程、交工验收三个子阶段。针对高速公路机电工程而言，施工阶段信息模型可以继承使用设计阶段交付的信息模型，也可以通过二维设计图纸创建。

施工深化模型是在施工准备阶段，通过对设计阶段交付模型的继承、扩展和补充，进行深化设计和施工组织意图表达的子模型。其模型精细度不低于L3.5，用于满足施工准备阶段对施工场地进行布置、对施工工艺进行模拟、对施工方案进行优化、对关键技术进行交底等活动的需要。施工过程模型是在施工过程中产生的，分为施工组织信息模型、安全信息模型、质量信息模型、进度信息模型、成本信息模型等子模型。其模型精细度不低于L4.0，运用在施工组织管理、施工安全管理、施工质量管理、施工进度管理和计量支付管理等方面。交工验收模型是在交工验收阶段，对施工过程模型进行增加、筛选或细化合并后，同时增加质量验收等过程信息，满足交工验收要求形成的子模型。其模型精细度不低于L5.0，用于满足交工验收等应用需要。公路工程项目全生命周期各阶段模型的精细度要求如表2所示。

3 基于BIM技术的高速公路机电工程施工智慧管理平台

以某高速公路的机电工程施工智慧管理平台为例（见图1），BIM可视化模型是基础，它集成了机电工程各项设施、子设施、构件的几何表达和属性信息，可以通过3D可视化技术和加载GIS地理信息系统（GIS，Geographic Information System）把高速公路机电工程的施工场景高度还原出来，形成一个可视化的GIS+BIM虚拟施工场景，让机电工程的各级管理者对施工现场的施工组织、施工进度、施工质量等信息有直观的感受。例如ETC门架系统构件，当它的属性信息中的安装属性是“抵达现场”时，施工场景里将出现灰色透明的ETC门架系统构件图像；当它的安装属性是“安装调试完成”时，施工场景里它的图像就变成彩色高亮显示，并能够调取门架设备实时输出的数据如ETC卡号、车牌号、通过时间、车辆图像等运维信息[5]。智慧管理平台还能对管道敷设、基础制作、设备安装等进度进行汇总统计，在3D场景里动态展示出来或者输出各种统计图表，全方位地反映施工的进度信息，并能对即将到达截止时间仍未完成的分项工程进行预警，提醒各级管理者及时进行进度控制，提前调整施工组织，保证各项工程按期完工。

技术交底是机电工程施工中的一个关键环节，通过BIM技术，可以实现技术交底过程的可视化。例如，可以在BIM可视化模型中计重设备构件的属性信息里存储计重设备基础制作的标准施工过程动画视频，包括基坑开挖、接地极制作、钢筋铺设绑扎、底板混凝土浇筑、墩柱支模、墩柱浇筑、混凝土养生的动画视频。对计重设备施工进行技术交底时，可以向生产主管人员、作业班组播放标准施工过程动画视频，让作业人员直观地理解掌握标准施工过程，科学进行施工，从而保证分项工程的施工质量[6]。

当前，云南省公路行业竣工文件的编制和交付遵循《云南省公路工程竣工文件编制及立卷归档实用范本（2013版）》的规定，需要整理和移交的文件包括：竣工图表、工程管理文件、工程质量文件、材料及标准实验资料、工程质量检验评定资料、施工原始记录，以及施工进度、安全、环保、水保、合同管理文件等。引入BIM模型后，上述资料的部分或全部信息可以以数据记录或数据文件的形式存储在BIM数据库中。向业主交付时，可以移交BIM全套模型及数据库，从而完成竣工文件和过程资料的数字化交付[7]。

4 机电工程施工智慧管理平台的功能层级和系统架构

机电工程施工智慧管理平台的数字化功能层级如图2所示，其数字化水平是在系统实现过程中逐层推进，逐步完善的。

首先，利用BIM參数化设备建库工具，把机电工程各项构件（包括基础、设备、材料）建成矢量化的3D材料库，包含基本外形、尺寸参数、安装属性等。其次，通过BIM建模工具、可视化引擎和GIS信息系统，打造一个三维的虚拟机电工程施工可视化环境。随后，在工程建设数字化管控平台上建立施工深化模型、施工过程模型等子模型，进一步实现施工组织管理、施工安全管理、施工质量管理、施工进度管理和计量支付管理等功能。BIM模型的特点是信息集中、直观可视，可以进行构件碰撞检查[8]，也可以进行施工组织过程预览。最后，机电工程施工智慧管理平台数字化水平的最高层次就是数字化交付。交工验收BIM模型（精细度L5.0）囊括了机电工程各项设施、子设施、构件的地理坐标、属性信息、安装调试信息、施工过程信息、质量检验评定信息等，可视化模块可以将上述信息用数字地图基础上的虚拟三维场景直观展示出来。数字化交付也对接收方即运维单位的信息化水平提出了较高的要求。

机电工程施工智慧管理平台的整体系统架构如图3所示。在系统的实现过程中，应根据项目的功能需求和数字化层级水平，选择适合的系统架构，以达到节约系统资源、提高系统运行速度的目的。

5 结语

BIM技术在高速公路机电工程施工阶段的应用，为机电工程的智慧化建设打造了全新的发展领域，为机电工程实现智慧化管理、数字孪生和数字化交付提供了更多的技术手段。当然，BIM技术的应用方法和应用领域还有待行业同仁的进一步探索。随着BIM技术和其他新技术的不断融合发展，高速公路机电工程的智慧化建设水平将不断迈向更高的层次。

参考文献

[1]赵元龙. BIM技术在高速公路机电工程项目管理中的应用[J]. 中国公路， 2018（14）： 115-116.

[2]郭传乐. BIM技术在高速公路机电工程中的应用分析[J]. 交通世界， 2017（28）： 166-167.

[3]李斌强. BIM技术在高速公路机电工程中的应用探讨[J]. 中国交通信息化， 2015（5）： 33-34.

[4]刘军生， 石韵， 王宝玉， 等. BIM技术在施工管理中的应用研究[J]. 施工技术， 2015（s1）： 785-787.

[5]王婷， 池文婷. BIM技术在4D施工进度模拟的应用探讨[J]. 图学学报， 2015（2）： 306-311.

[6]田云峰， 祝连波. 基于三维激光扫描和BIM模型在桥梁施工阶段质量管理中的研究[J]. 建筑设计管理， 2014（8）： 87-90.

[7]汪再军， 周迎. 基于BIM的建设工程竣工数字化交付研究[C]//中国图学学会土木工程图学分会. 第八届BIM技术国际交流会——工程项目全生命期协同应用创新发展论文集. 《土木建筑工程信息技术》编辑部（Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture）， 2021： 10.

[8]华昕若. BIM技术在高速公路跨线桥施工安全管理中的应用研究[J]. 公路工程， 2017（1）： 147-151.

收稿日期：2023-11-20

作者简介：吕刚（1975—），男，硕士，工程师，研究方向：公路交通工程。