BIM在大型交通工程中的應用

(重慶交通大學　重慶　400074)

一、引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)自從 2002 年引入工程建設行業，至今已有十多年歷程，目前已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可，被譽為建筑業變革的革命性力量[1]。對于BIM的定義，各自的見解都有所不同，較為完整的定義來自美國國家BIM標準[2-4]。建筑信息模型是設施具有物理和功能特征的數字化表達，因此是設施的共享信息資源，并且在全生命周期提供決策的可靠基礎[2-4]。

基于這些特點，學者們紛紛構想如何合理的將BIM技術應用于交通工程中來。吳守榮等，運用BIM 技術建立三維可視化施工模型，從控制施工風險、進度、安全、質量和施工全過程5D虛擬建造等5個應用方面進行詳細闡述[7]；張建平等根據我國施工管理特點和實際需求，提出了工程施工BIM應用的技術架構、系統流程和應對措施，并將BIM與4D 技術相結合，自主研發建筑施工BIM建模系統和基于BIM的4D施工項目管理系列軟件，從而形成一套工程施工BIM 應用整體實施方案[8]，等等。

本文結合國內外的文獻資料，分別闡述BIM在城市軌道交通工程、公路工程、橋梁工程中的具體應用，指出目前還存在的一些問題以及展望國內BIM技術在今后的發展方向。

二、BIM在城市軌道交通工程中的應用

城市軌道交通作為城市公共交通系統的重要組成部分，它的出現緩解了各種“城市病”，由于其運量大、效率高、能耗低、集約化、乘坐方便、安全舒適等特點[9]，迅速發展成為城市交通的主動脈。但同時對于城軌建設又有許多難題擺在面前，城市軌道交通多為地下工程，我國地幅遼闊，跨距大，大地構造、地形地貌、水文氣象等基礎條件在各地都有所不同，地質現象眾多，導致各地城軌施工都變得較為復雜；城市軌道交通的周邊環境復雜，要充分考慮建筑與建筑以及地下管線之間的相互影響[10]；城市軌道交通作為一種人們出行的長期必備工具，它的后期運營養護也變得尤為重要。

由于BIM技術的能較好的解決這些問題，所以BIM在城軌建設工程中應用將成為未來的趨勢[11-12]。目前BIM在軌道交通設計中的研究應用主要有以下幾個方面：

1.方案研究中的應用

(1)場地分析

BIM模型與三維地面模型融合，利用Infraworks等工具軟件，分析地鐵站與商業開發的空間關系；分析地鐵出入口、風亭等附屬設施與周邊環境的關系。

(2)地下空間分析

通過BIM模型反映地下管線現狀，分析項目實施方案的合理性。

(3)方案調整

在BIM模型中直接對設計方案進行調整

(4)疏散模擬

運用BIM技術驗證逃生通道設計的合理性。

2.設計階段的應用

(1)模型構建

運用BIM軟件建立3D模型。

(2)溝通協調

為項目參與方提供高效的三維可視化溝通平臺。

(3)管綜優化設計

管綜優化設計由 BIM團隊直接在模型中完成，真正做到管線零碰撞[13-14]，極大簡化了BIM團隊與設計師溝通的過程。

(4)機電深化設計

對施工圖設計階段的BIM模型更進一步深化，確保施工階段機電與內裝無沖突。

(5)建筑出圖以及工程量統計

利用Revit中明細表功能，對車站構件進行精確統計，為概預算提供依據。

(6)施工配合

可視化交底，對施工進行指導；施工過程進行4D模擬[15]，直觀準確地進行施工組織技術交底；通過移動設備將BIM模型與施工現場進行對比，及時發現施工中的問題。

三、BIM在公路工程中的應用

公路作為連接各地的重要基礎設施，為國家的經濟發展帶來了騰飛[16]。公路具有不同于建筑工程的特點，它量大面廣線長、地質條件復雜，需要長距離的表示空間地理位置關系、大面積的地表模型、地質模型等。由于BIM技術在公路工程設計中的應用剛剛起步，國內可供借鑒的案例不多，目前BIM在公路工程中的應用主要包括兩個方面：

1.基礎數據的整合

(1)地形數據

地形數據是三維模型建立的基礎，根據不同需求所需的模型精度，地形和既有道路的幾 何信息與紋理屬性采集有以下幾種方式(精度依次提高)：高分辨率衛星測量、航空攝影測量、三維激光測量。

(2)地物數據

對于改擴建道路工程中的既有植被、道路、橋梁、隧道等地物，采用機載激光三維測量獲取既有道路的地表信息，數據解析后形成地物三維模型。

通過上述手段，對地形、地物信息進行采集，最后將這些不同精度、不同類型的數據進 行整合，形成BIM基礎模型，同時還是其他應用開發的基礎和平臺。

2.設計方法

(1)在JSL-路線專家系統中進行設計，將路線平縱數據導出到三維設計軟件。

(2)對路基、橋梁和隧道等進行參數化設計；參數化設計完成后，形成公路三維設計成果。

(3)與地形和影像模型融合，并對路面、邊坡等添加材質，添加其它屬性信息，形成BIM模型

四、BIM在橋梁工程中的應用

1.設計階段

(1)BIM方案設計

在預可工可以及投標階段，利用衛星或無人機對場地進行快速建模，對橋 梁設計方案選擇、優化與調整。通過VR眼鏡進行身臨其境的瀏覽。

(2)BIM協同設計

通過BIM協同設計系統，將設計人員按專業分工，統一納入系統進行協同設計，可以提高設計信息流轉效率；協同設計系統管理整個設計流程，并可與企業其他信息管理系統集成，形成設計企業信息化的構架。

(3)參數化建模

實現常規標準化橋梁的參數化，主橋主要構件的參數化；建立三維上、下部構件的標準化庫，如箱梁、墩身、基礎等。根據原始基礎資料及線路設計資料，自動化、批量化完成全線引橋橋梁的設計建模。

(4)碰撞檢查

設計過程中鋼筋及預應力筋的碰撞檢測，橋上橋內設施、隧道內機電管線的碰撞檢測，以及設計階段其他構件的干涉檢測。

(5)BIM與計算分析軟件結合

將BIM三維模型局部導入有限元計算軟件計算，通過計算結果修訂三維模型，從而實現建模和分析計算的高效統一。

(6)輔助設計工具

實現橋梁與線路、地形、地質的關聯化，借助地質模型，實現地基承載力的自動計算，隨著結構的移動，可以自動計算樁長。通過輔助軟件保證設計變更的快速完成，如二維出圖、交通流量分析、工程量統計等功能。

(7)BIM數據庫

建立BIM數據庫，統一管理勘察、設計、建模、分析中的工程數據，為施工以及運維階段數據庫建立奠定基礎。數據庫系統實現設計階段數據的輸入、查看與管理。

2.施工階段

(1)制造與預拼裝

將三維模型以中間數據格式的方式同數控設備進行直接對接，以自動化方式完成對零部件的精確制造；運用BIM技術在虛擬環境中進行拼裝測試，提前發現問題，減少返工和整改而造成的經濟損失。

(2)4D施工策劃

①施工過程模擬

在施工之前就能看到并了解整個項目施工的詳細過程和結果，避免不必要的返工所帶來的人力物力消耗，為實際工程項目施工提供經驗和最優的可行方案。

②施工工藝模擬

為關鍵施工步驟模擬提供可視化解決方法，解決施工中存在的錯漏碰；通過BIM技術結合施工作業指導書、施工仿真動畫，快速地表達施工步 驟，可大大減少誤讀，避免質量問題、安全問題，減少返工和整改。

(3)4D施工管理

①施工進度管理

將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數，形成4D模型。分別通過手機端和網頁端上傳施工進度數據。直觀展現計劃建造過程，分析實際施工與進度計劃的偏差，合理糾偏并調整進度計劃，使管理者對工程量及進度影響一目了然。

②施工質量驗收管理

施工方利用App錄入提交質量檢驗相關信息，系統推送至監理方，再經審核后推送至業主驗收，實現施工過程管理無紙化，提高管理效率

(4)結構狀態監控與動態更新

通過結構監測系統采集數據，利用已建BIM模型進行仿真分析，并利用橋梁結構損傷識別機理和云端數據庫及時更新結構自身狀態和力學性能信息，實現結構安全評估和智能預警，并最終為運維階段提供真實可靠的BIM模型信息。

3.運維階段BIM技術應用

(1)橋梁BIM建養一體化云平臺

應用4D建模、多源異構數據集成及移動互聯技術，建立橋建養一體化平臺，實現建養全過程的信息共享和動態模擬，進行橋梁運維的準確評估、快速預警和高效決策。建立基于BIM技術的橋梁管養一體化平臺，解決全壽命周期的可視化信息共享，實現橋梁精細化、動態化管理；堅持以“全壽命周期內的監管養護”為目標，通過數字化養護，建立橋梁全壽命期的數字化、信息化檔案；及時“感知橋梁”，在結構危險萌芽階段發出預警。

(2)橋梁全壽命周期成本計算及評估

橋梁全壽命周期成本是指橋梁整個壽命期內用于橋梁的規劃、研究、設計、實驗、施工、養護、檢測、維修、管理、拆除等各階段作業所支付的成本總稱，可利用BIM技術建立計算模型，用社會折現率和物價波動水平來表征計算。

五、總結

BIM的熱潮已從建筑行業蔓延到基礎設施行業，本文結合目前BIM技術在大型交通工程中的一些應用理論，展示了BIM在工程建設中的一些可應用面。我們不難發現無論是在設計、施工還是運維階段，理論基礎都已準備得較為完善，框架已基本構建完成，但在近幾年，實際的工程數量卻很少，其主要原因是支撐理論的核心軟件沒有及時開發出來，應用平臺的兼容性不好，這就需要我們向國外學習先進的研發技術，并大膽在實踐中踐行，敢于在實踐中創新。我國的BIM技術還處在發展階段，與國外高水平還有一定差距，只有更多學習，更多的運用到工程實踐中，才能讓理論更可行，我們才能成為一個正真的BIM強國。同時可以發現BIM技術無論在城市軌道交通、公路、還是橋梁中的應用都是朝著一個方向在發展——全生命周期應用，在未來幾年里，BIM的發展將致力于實現全生命周期應用，致力于更加國際化標準化的應用。BIM是一門還在普及當中的新技術，學習好這門技術對我們未來的職業發展有著莫大的幫助，BIM應用廣泛，無論將來我們在業主、施工單位還是設計院都可能涉及，如果我們現在在校園階段就較好的熟悉了這方面技術，未來的發展是不可限量的。

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