基于BIM的高速公路工程项目模块化设计与施工方法研究

摘 要：针对我国劳动力资源短缺与发展绿色建筑存在阻碍问题，该文基于BIM信息化平台共享高速公路工程项目设计施工信息，采用BIM技术与模块化技术协同设计施工相关单位划分工程项目任务模块，建立BIM模块化设计模型和BIM模块化施工模型。在此基础上，根据模块化施工组织设计模拟与优化高速公路工程项目施工进度、施工成本、质量控制和安全管理等模块化施工管理全过程，从而达到提高施工效率、缩短施工周期、降低施工成本和减少碳排放量的目的。

关键词：高速公路；BIM；模块化；设计；施工

中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）22-0157-04

Abstract： In view of the shortage of labor resources and the obstacles to the development of green buildings in China， this paper shares the design and construction information of expressway projects based on BIM information platform， uses BIM technology and modular technology to divide project task modules with relevant units of design and construction， and establishes BIM modular design model and BIM modular construction model. On this basis， according to the modular construction organization design， the whole process of modular construction management such as construction progress， construction cost， quality control and safety management of expressway project is simulated and optimized， in order to achieve the purpose of improving construction efficiency， shortening construction cycle， reducing construction cost and reducing carbon emissions.

Keywords： highway; BIM; modularization; design; construction

由于高速公路建设过程复杂、参与单位众多、受地理环境影响大，我国高速公路建设过程中仍需要众多劳动力，建设成本一直居高不下。与此同时，我国人口老年化问题日益严重，劳动力资源短缺，时常发生用工荒现象。为了解决公路建设行业劳动人员短缺问题，降低公路建设成本，促进公路绿色可持续发展，我国大力推广装配式建筑，推动公路建设数字化、信息化与工业化发展进程，提倡模块化设计施工。

模块化设计施工就是根据模块化原理，综合考虑各模块单位的功能及各专业设计施工的协同性，兼顾技术性、经济性、稳定性等指标，将工程项目分解成不同的模块单元，采用装配与现浇相结合的方式完成工程建设任务，从而提高设计施工的标准化和信息化，实现设计与施工过程模块化管理，达到提高施工效率，缩短建设周期，降低碳排放与建设成本的目的[1-2]。模块化设计施工具有创新性高、效率质量高、低碳环保和节省设计施工成本等优势。BIM技术能够实现设计与施工可视化、共享工程项目设计施工信息、协调设计施工相关单位间的冲突等优势[3-5]。BIM技术在实际应用中通过三维可视化模型呈现各类建筑信息，方便设计与施工人员对建筑产品与建设过程进行模拟、分析、调整和控制等，有助于提高建筑合理划分设计与施工模块、优化设计方案与施工方案、提高建筑产品建设质量、降低建设周期与成本等[6]。基于BIM技术研究高速公路工程项目模块化设计施工不仅能够增强设计过程与施工过程的联系，解决设计与施工配合度不高的问题，还能提升设计施工过程的集约化程度，促进高速公路工程项目设计施工模块化与工业化发展[7]。

1 基于BIM的高速公路工程项目模块化设计施工方法

1.1 传统高速公路工程项目设计施工方法及其局限性

传统高速公路建设的设计阶段采用二维平面设计图独立设计表达设计结果，最终汇总在一起形成高速公路设计成果，该方法对设计工程师的空间想象力要求高，受可视化影响大，各个专业之间的协同性较差，不能及时有效地综合表达设计相关信息，对整体设计成果进一步分析与优化难度大，经常出现专业设计冲突或设计失误，而施工阶段则是按照施工组织设计组织施工建设，受施工管理人员工作经验影响大，施工组织与协同管理难度大，施工进度、质量、成本等目标控制得不到有效保障[8]。

1.2 基于BIM的高速公路工程项目模块化设计施工方法及其优点

基于BIM的高速公路工程项目模块化设计施工方法是以BIM信息化平台为媒介，组建BIM模块化设计团队与BIM模块化施工团队，实现工程项目设计阶段和施工阶段工程信息共享，协同各参与单位完成工程项目模块化设计施工任务，如图1所示。模块化设计施工方法一方面能有效地降低对设计人员想象力的要求，增强各个专业设计间的沟通与协同，实现设计成果三维模型可视化，降低设计冲突与失误的概率，提高工程设计效率与成果的可靠性，提高设计质量，另一方面从整体利益对施工过程进行分工与集成，提升施工管理的层次性、科学性与经济性，能够充分利用装配式构件，减少施工现场现浇构件，增强环保效益，降低外界环境的影响，提高施工效率和质量，真正实现价值最大化和浪费最小化目标[9-10]。

2 基于BIM的高速公路工程项目模块化设计施工具体流程

2.1 了解业主需求与高速公路工程项目功能，按照设计规范标准要求开展工程项目方案设计

为了提升业主的满意度，高速公路工程项目建设结果需要最大程度上满足业主的需求，但是不同的业主对高速公路建设的需求不同，因此，高速公路工程项目设计前期需要充分了解业主的需求，分析高速公路工程项目需要实现的功能。在此基础上，协同勘察与设计单位按照设计规范标准要求开展工程项目方案设计，为业主提供可用于项目审批的设计成果。

2.2 明确设计总任务，选择合适的BIM信息化平台，按专业分解并分配具体设计任务

根据高速公路工程项目审批通过的方案设计文件，结合勘察报告与现场复核实际情况，进一步明确工程项目设计总任务，编写工程项目设计任务书，按专业将工程项目划分为多个独立的模块，让各专业设计工程师明确具体地设计任务模块，要求各专业工程师根据具体的设计模块，分析该模块需要实现的功能，设计并优化具体设计方案，而设计总工程师则需要根据设计单位设计习惯与BIM模型交付标准，选择合适的BIM信息化平台，让各专业工程师采用相同的基准坐标、比例尺、模型精度标准及存在公共接口的BIM软件开展高速公路工程项目模块化设计，确保设计结果的通用性与可整合性，为进一步深化设计与优化奠定基础。

2.3 整合各专业BIM设计模型，利用BIM软件开展各专业设计成果三维碰撞检查与优化

各专业工程师按照共同标准设计的BIM模型上传到BIM信息化平台，由总设计工程师在同一个BIM软件内加载运行，形成一个包含各专业设计成果的BIM模型，然后进行碰撞检查，提前发现各模块之间可能存在的几何尺寸或位置冲突等问题，将碰撞检查报告报送各模块设计人员，要求各设计人员提前了解自己负责模块可能存在问题，思考可能存在的优化方案[11]。在此基础上，由设计总工程师组织设计相关人员，讨论协商提出模块模型碰撞问题的解决方案，要求各模块设计人员严格按照讨论结果优化设计模块，确保建筑结构体、构建位置和空间的合理，减少或避免施工阶段因设计问题而导致设计变更，从而提高施工成本、工期与质量的保障力度，降低工程返工和变更风险。

2.4 明确指出工程项目设计施工关键节点，完成施工图标准下的BIM设计三维模型

高速公路工程项目建设过程中受地质条件、工程环境、施工方案等因素的影响，因此，设计阶段需要明确设计过程中的关键节点，提出施工过程中需要重点关注的环节，确保设计成果能够顺利的实现。在设计阶段，各模块设计人员需要明确说明自己负责的设计模块采用的设计方案、设计过程中采用的材料种类及等级，指出该模块设计与常规设计的不同之处，提出施工阶段需要关注的重点环节、施工工艺及工程施工技术的重难点。总设计工程师则需要根据各设计模块提出的工程项目设计施工关键节点，编写工程项目设计施工关键节点说明书，为设计交付和技术交底提前做好准备，顺利完成施工图标准下的三维BIM设计模型。

2.5 分析高速公路工程项目功能、结构、工艺等特征，按照确定的模块化原则开展BIM设计模型模块分解

模块化设计严重影响模块化施工，模块划分不合理，会对后期工厂预制、模块构件运输、模块吊装、现场施工管理等产生重大的影响，因此模块划分是模块化施工的重点。高速公路项目想要实现模块化施工，首先需要组织建设方、设计方、施工方、运输方和预制加工方等单位组成BIM模块化施工团队，综合考虑设计方、施工方、建设方等各参与方的需求与模块化施工限制条件，然后分析工程项目功能、结构、工艺和运输等特征，按照功能、结构、工艺和运输等标准划分为最小的模块，在此过程中还需要按照以下标准记录各模块之间的联系，见表1。

2.6 聚类分析BIM设计模型模块，选择合适的阈值，聚类形成工程项目模块单位

高速公路项目模块化施工过程中，需要根据各最小模块之间联系，对最小模块进行聚类分析，使之形成更大的模块单位。具体是采用设计结构矩阵表示最小模块与模块之间的联系，采用聚类分析方法分析模块，选择合适的阈值，形成聚类后的模块。在此基础上，根据施工工艺、预制构件装配运输、施工现场条件等限制条件，结合技术可行性和经济性原则优化调整模块单元，最终形成工程项目模块单位，为预制构件和现场模块施工奠定基础。

2.7 选择合适的模块化施工方案，建立BIM模块化施工模型，模拟并优化高速公路工程项目模块化施工方案

高速公路工程项目模块单元划分确定后，在BIM信息化平台上对BIM设计模型进行模块化划分，建立BIM模块化施工模型，选择合适的模块化施工方案，搭建BIM模块化施工模型模块单元间的施工工艺顺序，以动画视频的方式模拟高速公路工程项目模块化施工过程。根据初次模拟结果，针对可能存在的优化部分，经专家讨论后，优化高速公路模块化施工方案，重新搭建BIM模块化施工模型模块单元间的施工工艺顺序，再次模拟高速公路工程项目模块化施工过程，进一步寻找可优化部分，直到形成最优的模块化施工方案为止。

2.8 根据优化后的模块化施工方案，协同相关单位编制并优化施工进度计划、施工成本计划、模块构件预制计划、质量控制方案、安全管理方案与合同管理方案

当模块化施工方案确定后，施工单位就需要围绕施工方案开展施工资源配置及施工管理。高速公路模块化施工方案优化调整后，施工单位就可以协同建设单位、预制加工单位、运输单位等单位，根据施工工程量、施工定额、施工工艺等情况，利用BIM软件编制并优化施工进度计划、施工成本计划和模块构件预制计划，建立优化后的BIM 4D施工模型、BIM 5D施工模型和BIM模块预制施工模型，同时根据施工现场布置情况、施工分包情况及物资供应情况，编制质量控制方案、安全管理方案与合同管理方案，然后将这些信息附着到BIM施工模型具体的施工模块，实现工程信息与施工模块单元有机结合，方便相关单位查看，从而保证信息传递的有效性和针对性，提高工程项目施工管理的效率[12]。

2.9 计算工程项目模块化施工物资种类与数量，根据施工进度与现场仓储能力编制模块构件与物资采购计划

高速公路工程项目模块化施工过程前，需要根据施工方案、质量控制方案、安全管理方案等计算工程项目模块化施工物资种类与数量，结合施工进度计划与现场仓储能力编制模块构件与物资采购计划。在此基础上，将采购计划相关信息附着在BIM模型模块单位上，实现采购信息共享，方便相关参建单位查看物资信息。当施工物资到达施工现场，施工现场材料管理人员需要严格按照BIM模型检查材料的种类、数量、型号等，保证施工材料的质量，避免因为物资采购问题导致窝工或停工，增加不必要的施工成本，延误施工进度。

2.10 模拟高速公路工程项目施工全过程，在确保质量、安全与工期的情况下，按照资源最优配置、施工成本最低与施工现场实际情况优化模块化施工全过程

经过上述过程建立的高速公路工程项目BIM模块化施工模型的每个模块都承载着模块化施工信息，采用BIM技术根据优化后的模块化施工方案和施工进度计划，模拟高速公路工程项目施工进度，在此基础上，增加施工成本计划，模拟高速公路工程项目施工成本进度，同时还可以增加模块预制计划、预制构件运输计划、物资采购计划、质量控制方案、安全管理方案与合同管理方案等内容，模拟现行施工进度计划下的物资采购、模块预制、预制构件运输、物资采购、质量控制、安全管理和合同管理的具体执行情况，邀请工程项目建设领域相关的专家按照资源最优配置、施工成本最低与施工现场实际情况对该方案下的模块化施工管理全过程提出优化建议，并根据专家的建议优化模块化施工全过程[13]。最后，利用BIM信息平台将附着各类模块化施工相关信息的BIM模块化施工模型共享给参与单位，使各参建单位都了解整体施工过程，明确自己在施工各阶段的主要任务，掌握施工过程中的重难点。

2.11 指导高速公路工程项目施工，纪录施工过程中产生的信息，定期对比分析实际施工情况与计划施工情况，持续优化模块化施工过程

根据施工现场的实际情况，合理布置施工现场，利用优化后的模块化施工组织设计指导高速公路工程项目模块化施工，记录施工过程中产生的工程信息，将相关信息上传到BIM信息化平台，附着到具体的施工任务模块单位，为工程项目建设管理提供及时有效可靠的施工信息，实现与各参建单位共享实际施工过程信息，方便参建单位了解实际施工情况，掌握实际施工进度、成本等情况，提高施工决策的可行性与及时性。另外，还需要定期对比分析实际施工情况与计划施工情况，重点关注实际情况与计划情况之间的偏差，并采取合理措施应对，保障各项施工管理目标能顺利实现。

3 结束语

劳动力短缺与降低碳排放的双重压力下，建筑业推行数字化、信息化与工业化势在必行。模块化设计施工是实现高速公路工程项目工业化建设的关键。基于BIM的高速公路模块化设计施工方法以BIM信息化平台为媒介将设计阶段和施工阶段有机联系起来，使设计模块单元与施工模块单元能够衔接，将设计信息完整地传递给施工阶段，有利于施工过程和设计过程进行深度的结合，逆向帮助设计单位进行设计图纸的深化，避免设计方案在施工阶段无法落地实施，减少在施工中出现设计变更或工程变更，这将有助于提高高速公路项目施工效率、缩短施工周期、降低施工成本及减少建筑业碳排放量，促进建筑业绿色可持续发展。

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第一作者简介：苗建（1984-），男，高级工程师。研究方向为公路施工管理。