BIM技術在公路工程建設與管理中的應用及展望

李卓燦，馮 曉

（重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

隨著社會的進步，經濟的發展，我國公路建設走上了高速發展的快車道，在這期間公路設計制圖實現了由紙筆設計計算到應用CAD 技術的第一次飛躍。較之手工繪圖而言，CAD 制圖不僅速度快、質量高、節約成本，而且通過數據的信息化，可以方便地對資料存檔進行修改。

BIM技術的出現是科技進步的再一次集中體現，BIM技術不僅僅是從平面到立體制圖的突破，就工程建設領域而言，它是從項目立項、工程可行性研究、初步設計、施工圖設計、工程項目組織實施到運營管理全方位的技術管理水平的提升。相對于CAD技術而言，在設計階段BIM應用實現了從平面圖紙到立體數據模型的轉變，更加直觀具體；在施工階段將設計方案與施工組織管理進行融合與對接，實現了對施工組織計劃的優化；在運維階段則是通過數據承接把設計、施工和運維管理相統一，形成了具有可追溯性的系統化評價體系。BIM技術的應用和發展為我們呈現了一個全新的設計領域，在國家的大力推廣應用下必將帶來巨大的社會和經濟效益，具有重大的社會意義。

1 BIM技術的特點

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以三維數字化技術為基礎[1]，將建設項目整個壽命周期內全部幾何特性信息以及施工進度等過程控制信息綜合到單一模型中[2]，并應用數字化模型進行項目規劃、設計、施工和運管維護的數字集成技術，具有可視化、協同性與模擬性等特點。它起源于1975年查克·伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）提出的建筑描述系統（Building Description System，BDS）[3]，并在2002年首次作為一個專業術語被Autodesk 公司副總裁菲利普·伯恩斯坦（Phil Bernstein）公開提出并使用[4]。

1.1 可視化

BIM技術最突出的特點便是其可視性，將傳統設計中二維抽象的平面結構轉化為三維立體的模型，不但可以形象直觀地展示平面圖紙中無法呈現的構件細節，還可以清晰了解各構件之間的互動與反饋關系，有利于提高參建項目各方的交流溝通效率，并為管理者決策提供科學準確的參考。

1.2 協同性

公路工程項目參與方眾多、工程復雜、耗時較長，因此需要協調參建項目各方的工作，加強不同專業間的溝通以提高工作效率，減少沖突和錯誤的產生。通過應用BIM技術，整合相關數據資料以及文件，使參建各方的工作內容以數據的方式統一展示在BIM模型中并實時更新，通過碰撞檢查在項目實施前便發現并解決沖突。

1.3 模擬性

BIM的模擬性可應用于公路工程全壽命周期中。在設計階段通過進行駕駛員仿真駕駛模擬，了解道路設計中的平縱橫斷面設置是否合理，為后續線型優化工作提供依據；在施工階段對施工過程進行動態模擬，優化施工組織計劃，減少事故發生的可能性；在運維階段對緊急情況發生時的處理方式進行模擬，提高運維人員應對事故的快速反應能力。

2 BIM在公路全壽命周期的應用

由于現有公路BIM應用技術尚不完善，直接設計出包含項目全周期所有用途的BIM模型并不現實。利用項目在不同階段模型應用側重點不同的特點，采用公路BIM模型等級，從幾何精細度、模型顆粒度以及信息深度幾方面對模型進行分級[5]，使用不同建模軟件及建模方法分別建立環境模型以及工程模型，分級完善BIM模型是現有BIM應用的一種可行方式。圖1 是基于公路BIM模型等級的公路全壽命周期3D 建模方案。對各階段公路BIM模型等級要求見表1。

圖1 基于公路BIM模型等級的公路全壽命周期3D 建模方案

表1 各階段公路模型等級

2.1 在勘察設計階段的應用

公路工程的勘察設計可分為工程可行性研究、初步設計以及施工圖設計等幾個階段。在不同階段設計的主要目的不同，其BIM設計的應用側重點也不一樣。在工可階段，重點在于路線布局，通過應用BIM技術的可視性特點，可清晰了解路線布局中存在的問題并進行修改。而初步設計和施工圖設計階段，重點在于對路線方案的不斷優化修改，利用BIM技術的協同性和優化性，可大量減少設計中的工作量。

2.1.1 在工可階段的應用

在工程可行性階段，需要對項目是否可行進行分析論證，只有確定項目是確實可行的，才能開展下一步的工作。公路工程是一種線性工程，施工時涉及的施工范圍很大，地理環境條件是確定項目是否可行時必須考慮的因素。因此BIM技術應用的首個工作便是建立三維地形模型，通過多種方式（如衛星遙感技術、航空攝影、激光掃描、GPS 測量、傳統外業測量等）收集地理環境數據，并建立小比例DEM/TIN模型，將公路走廊帶的地貌、地形、地質、生態等環境因素直觀地展現出來[6]，方便公路設計人員對路線布局及施工方案進行規劃。建立好三維地面模型后，在其上建立路線規劃/選線方案的二維模型，并利用BIM仿真模擬技術進行道路可行性分析，可以減少大量繁瑣的計算和論證工作。

2.1.2 在設計階段的應用

在道路設計階段，首先要對工可階段時建立的三維地面模型進行細化，在已經建立的小比例DEM/TIN 模型基礎上，通過導入并整合在外業勘測期間記錄的各種數據，得到精度更高的大比例DEM/TIN 模型。與傳統勘察設計方法相比，由于在前期工作中已經得到了高精度的大比例DEM/TIN模型，在后期反復修改優化平縱橫線路時便不必重新進行野外測設，線路更改變動后利用大比例DEM/TIN 模型便可得到任意縱橫斷面數據，使公路勘察設計更加科學化、人性化。同時，由于采用高精度的大比例DEM/TIN 模型，得到的土石方量較傳統方法而言也更接近實際填挖量[7]。表2 為不同測量模式設計效果的對比。

表2 不同測量模式設計效果的對比

由于公路工程具有點多線長的特點[8]，對線路整體進行高精度建模并不現實，目前較為可行的BIM應用方式是對項目進行分級建模。將道路模型分為3 個細度等級進行建模。首先是線路整體模型，即工可階段完成的整體線路2D 模型。在此基礎上，分標段建立道路路段3D 模型及橋梁隧道簡易模型。最后，進一步細化并建立精密的橋梁、隧道及道路施工圖設計模型以及道路附屬設施模型。通過將模型分為不同細度等級進行建模，既可以減少設計所需的工作量，提高設計質量；還可以從整體到細部分層次安排施工組織計劃，為后續施工管理做好準備。

2.1.2.1 協同工作

一個完整的道路建設項目往往會涉及到道路、橋梁、隧道、交通工程等各個不同專業。在傳統設計過程中，項目的不同部分分別由不同專業各自完成，交流渠道的缺乏往往會導致設計中沖突和矛盾的產生，并由此產生大量不必要的工作。而在應用BIM的設計流程中，通過架構一個協同管理平臺來實現碰撞檢查，避免沖突的發生。不同專業在統一的空間坐標系統下設計各自的專業BIM子模型，這些子模型統合于同一設計管理平臺的同一模型數據層中。在該平臺下，通過對不同對象進行權限設置，保證在不干涉他人數據的基礎上，實現數據模型的實時更新共享。通過建立協同設計管理平臺，不但提高了數據輸入、查詢、修改的效率，還使決策者可以根據已有數據進行快速決策[9]。

2.1.2.2 優化設計

道路設計過程中往往需要進行反復的修改與優化，傳統設計模式下，一旦產生變更，便意味著大量的圖紙信息需要進行修改。這一點在大型橋梁和隧道設計上體現的尤為明顯，由于大型橋梁隧道由大量的構件組成，而這些構件間又相互關聯，對一個構件信息進行變更，就需要對大量關聯信息進行變更，從而導致設計時間和成本的大量增加。而在BIM設計模式下，通過參數化建模的方法，在設計過程中將結構實體與尺寸、材質等參數結合在一起，修改一個參數便可調整所有和該參數關聯的結構模型，結合BIM自動輸出二維圖紙的功能，在三維模型上的修改可以實時反映在二維圖紙中，實現“一處修改，處處關聯”，這將極大提高設計的效率和質量。

2.1.2.3 方案選擇

對于公路工程建設項目而言，在設計階段往往需要設計數個可能的方案，對其在經濟、技術可行性、施工難易度等方面進行比選以得出最優方案作為最終采用的施工方案。利用BIM技術，可以直觀地看到線型的走向、坡度等，為設計人員進行路線方案比選提供參考；同時，由于公路行業BIM的工程模型是嚴格按照實際尺寸在高精度的大比例DEM/TIN 環境模型上建立的，利用軟件可以簡單清楚地統計出包括填挖方在內的各種工程量，方便概預算統計工作的展開，從而看出各比選方案在經濟方面的優劣，為設計人員選擇方案提供參考。

2.1.2.4 碰撞檢查

傳統設計方法下采用的平面圖紙面對公路工程中復雜的構件連接問題如鋼筋布設時不夠直觀，設計人員進行設計時構件容易產生碰撞；同時不同構件的平面設計圖紙由各自專業分別完成，相互間沒有直接聯系，構件間的沖突不易被發現。利用BIM技術對模型進行碰撞檢查可以提早發現并解決這些問題。碰撞檢查的本質是對建立模型的集成分析[10]，通過在統一的坐標系下嚴格按照實際尺寸對公路工程構件進行建模，可以清晰直觀地觀察到碰撞點的位置、類型等信息，之后專業設計人員對碰撞進行核對與修改，在設計階段就將沖突問題解決，有效提高了工作的效率。圖2 是對某構件的鋼筋進行的碰撞檢查，其中顏色加深部分為產生碰撞的部位。

圖2 構件碰撞檢查示例圖

2.2 在施工階段的應用

公路工程在施工階段的重點在于對項目的管理，這既包括對項目施工進度的管理與優化，也包括對項目建設所用物料的管控。如果說在設計階段是在解決建設什么的問題，那么在施工階段就是在解決如何建設的問題。應用BIM技術的施工管理方法由于采用了信息化的三維立體模型，相較傳統施工組織計劃中的的平面圖表而言，更加直觀與具體。同時較之傳統項目使用的厚重圖紙集而言，BIM模型的載體可以采用手機或者平板電腦，更有利于施工人員攜帶與隨時查看項目相關情況，提高工作效率。

BIM技術可以應用于工程項目的方方面面。首先是對施工方案的靜態模擬，利用BIM技術的可視性，可以對施工場地的布置進行模擬，通過充分利用已有建筑和周圍環境，找到各設備最適合的安裝位置，減少臨時設施的使用，使場地的規劃更加完善。將設計階段完成的三維模型按照施工方案切分為單獨的構件，并為各構件賦予時間軸信息、成本信息、位置信息等施工所需信息，可以在計算機中對整個施工過程進行動態模擬[11]。基于可視化BIM技術的施工過程動態模擬生動而直觀，可以在工程實際開工前便發現工程中存在的問題，優化施工方案，加快施工進度，減少人機料的浪費，提高施工管理的水平與效率。

2.3 在運維階段的應用

進入運維階段后，公路工程項目的重點在于項目日常的養護管理決策工作。通過建立基于BIM技術的運維管理平臺，可以有效提高運維工作的效率，并對決策工作提供支持。該平臺將運維階段采用的多個信息系統統合在一起，將產生的所有信息進行數字化處理，減少了信息的異構及分散儲存[12]。同時，將數字化的信息集成到相關聯的BIM模型構件中，提高了整個管理過程的可視性、精確性以及交互性。例如，在結構養護管理系統中，通過移動端接口將道路維護過程中產生的病害類型、位置、時間以及嚴重程度等信息輸入到運維管理平臺中，在PC 端就可以很清楚地看到病害所處樁號，其與周圍結構的關聯性等傳統管理模式下難以了解的信息，這有助于運維人員了解構件在其生命周期內演變的規律，并對其未來的發展趨勢做出預測，并據此作出養護管理決策。將視頻監控系統及報警系統與BIM模型構件集成在一起，便可以在事故發生時提醒管理者事件發生的位置及詳情，方便管理者對此作出快速反應。

3 公路工程BIM應用的難點

目前我國公路工程BIM應用中存在缺乏統一應用標準、缺乏專業的核心設計軟件、設計模式落后、BIM平臺開發維護成本較大、缺乏專業BIM人才等問題。

在應用BIM進行設計時，單一的軟件很難直接滿足需求，需要運用不同的軟件相互配合來完成設計。而不同軟件的底層代碼和數據儲存格式均有所差異，無法完全兼容，數據間的轉換難以直接進行。同時，由于BIM應用起源于建筑業，其核心建模軟件均主要為建筑行業服務，由國外軟件商設計的BIM軟件其編碼主要是依據國外建筑業相關規范進行編寫的，對我國公路行業的支持相對不足。

為解決這一系列的難題，不但需要我國大力支持和推廣BIM應用，也需要我國盡快編寫屬于公路行業BIM應用的IFC、IDM以及IFD 標準[13]，通過使用這些標準，可以解決不同軟件編碼存在的差異，實現數據交換與共享，減少數據傳輸過程中的損耗。

4 BIM發展展望

20 世紀80年代興起的甩圖板運動實現了從紙筆設計計算到應用計算機輔助設計的飛躍，可以稱之為公路行業的第一次革命，而目前正在蓬勃發展的BIM技術應用便可以稱之為是公路行業的第二次革命了。隨著信息化技術的不斷革新發展和國家相關部門的大力支持與推廣，公路行業的BIM應用發展必將邁上一個新的臺階。

BIM誕生已有40 余年，引進我國也有20 多年的歷史了，但就公路行業而言BIM應用尚處于起步階段，仍有很大的發展空間。從國家層面而言，應當大力推進BIM產業發展，制定BIM行業規范，培養BIM技術人才；從軟件商方面來說，應當與國家合作一同研發具有自主知識產權的BIM軟件平臺；從企業方面而言，應當挖掘BIM技術潛力，最終實現運用BIM技術的正向設計。

總的來說，BIM應用前景廣闊，值得相關科研工作者共同努力研究。

5 結語

本文著眼于公路工程建設管理的新趨勢，在了解BIM技術特點的基礎上，對其在公路工程建設管理全生命周期內的應用進行了探討與總結，并對其存在的問題及未來發展方向進行展望，為BIM技術在公路工程中的實際應用提供參考。