公路工程BIM技術(shù)發(fā)展路徑研究

王欣南 李金龍 游 威

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430052)

1 概述

1.1 行業(yè)政策概述

從2007年起我國就在“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目中啟動(dòng)了“建筑業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”課題。BIM技術(shù)在我國從研究階段開始至今已經(jīng)發(fā)展了近13年，住建部最早于2007年推出《關(guān)于發(fā)布“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“建筑業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”課題申請(qǐng)指南的通知》，推動(dòng)BIM技術(shù)在建筑工程軟件方面的研究性工作。

近年來，工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域的BIM相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，推動(dòng)了BIM技術(shù)在工程建設(shè)全生命期的應(yīng)用，總體應(yīng)用效率和效益都開始逐步顯現(xiàn)。BIM技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的應(yīng)用起步較晚，2016年開始交通運(yùn)輸部相繼出臺(tái)一系列的政策，大力推進(jìn)BIM技術(shù)在公路和水運(yùn)工程的推廣應(yīng)用。本文收集并整理了交通運(yùn)輸部近年來涉及BIM技術(shù)的相關(guān)政策文件，并提取了政策文件中BIM相關(guān)內(nèi)容，具體見表1。

表1 交通運(yùn)輸部BIM相關(guān)政策文件統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

本文將上述文件的主要內(nèi)容部分利用自然語言處理技術(shù)(NLP)進(jìn)行處理并剔除介詞、形容詞等無用詞后，得到詞頻統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2、圖1。

表2 交通運(yùn)輸部相關(guān)政策文件中標(biāo)準(zhǔn)詞頻統(tǒng)計(jì)表

圖1 交通運(yùn)輸部BIM相關(guān)政策詞頻統(tǒng)計(jì)圖

由圖1可見，“BIM技術(shù)”“基礎(chǔ)設(shè)施”“智能”“協(xié)同”“數(shù)據(jù)”等詞匯出現(xiàn)頻率較高，說明利用信息化領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)保障施工安全、通過信息化手段實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目施工管理是一直以來的重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容。隨著公路工程全生命期信息化管理水平的提升，“智慧公路““車路協(xié)同”等與智能駕駛相關(guān)的關(guān)鍵詞也經(jīng)常出現(xiàn)，體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)編制

截止2019年6月，建筑信息模型的國家標(biāo)準(zhǔn)編制及發(fā)布的統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 建筑信息模型國標(biāo)發(fā)布情況統(tǒng)計(jì)表

為了更好地收集地方標(biāo)準(zhǔn)的編制情況，通過從互聯(lián)網(wǎng)等公開資料采集到152條自2013年起與BIM相關(guān)的地方性標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)報(bào)道，并進(jìn)行詞頻分析得到結(jié)果見表4、圖2。

表4 地方BIM類標(biāo)準(zhǔn)詞頻統(tǒng)計(jì)表

圖2 地方BIM標(biāo)準(zhǔn)詞頻統(tǒng)計(jì)柱狀圖

由表4可見，在地方性BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵詞中“信息”“模型”“推進(jìn)”等詞匯的頻率較高，說明各省及直轄市在積極推動(dòng)相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，并規(guī)范BIM技術(shù)在當(dāng)?shù)毓饭こ讨袘?yīng)用的流程和成果。

1.3 公路工程BIM技術(shù)發(fā)展階段

2017年12月交通運(yùn)輸部印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程應(yīng)用BIM技術(shù)的指導(dǎo)意見》，文件中多次強(qiáng)調(diào)支持并鼓勵(lì)相關(guān)單位積極研究和應(yīng)用BIM技術(shù)，將BIM技術(shù)基礎(chǔ)平臺(tái)研發(fā)作為企業(yè)發(fā)展的長期戰(zhàn)略任務(wù)，推動(dòng)BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并給予明確的政策支持。由此可見，公路工程的BIM應(yīng)用勢(shì)在必行，且隨著應(yīng)用的不斷深入，將給公路工程行業(yè)帶來革命性的變化。

2017年開始，交通基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的各大設(shè)計(jì)院積極響應(yīng)政策號(hào)召，相繼組建BIM中心或相關(guān)團(tuán)隊(duì)，開展BIM相關(guān)技術(shù)在公路工程中的研發(fā)應(yīng)用工作，各省、自治區(qū)以及直轄市的交通行業(yè)主管部門都在積極推進(jìn)公路BIM應(yīng)用示范工程的建設(shè)。中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院BIM應(yīng)用推廣中心承擔(dān)了交通運(yùn)輸部第一批公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范項(xiàng)目中的2項(xiàng)，分別為貴州都勻至安順高速公路項(xiàng)目和京滬高速公路萊蕪至臨沂(魯蘇界)段改擴(kuò)建工程。同時(shí)中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院BIM應(yīng)用推廣中心作為主要編寫單位之一，也承擔(dān)了交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》及《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》的制定工作。

根據(jù)中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院近年來工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本文提出BIM技術(shù)在公路工程中應(yīng)用發(fā)展將經(jīng)歷3個(gè)階段，即起步階段、高速發(fā)展階段和成熟階段。要真正實(shí)現(xiàn)公路工程設(shè)計(jì)行業(yè)由目前基于圖紙的二維設(shè)計(jì)向基于BIM模型的三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變絕非易事，需要一代科研人員，用10年甚至更長的時(shí)間進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)平臺(tái)的研發(fā)和技術(shù)儲(chǔ)備，才能完成公路工程行業(yè)管理模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

BIM技術(shù)為公路工程項(xiàng)目信息化和全生命期數(shù)據(jù)的共享與傳遞提供工具與平臺(tái)，將為公路工程建設(shè)行業(yè)帶來革命性變革的趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的，各公路勘察設(shè)計(jì)研究院要積極順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，在不同發(fā)展階段積極探索解決方案，為行業(yè)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。本文將重點(diǎn)分析BIM技術(shù)在公路工程中不同應(yīng)用階段的特點(diǎn)和相應(yīng)階段應(yīng)重點(diǎn)解決的相關(guān)問題。

2 起步階段

2.1 階段特征描述

本階段公路行業(yè)內(nèi)的大型設(shè)計(jì)單位均較重視本單位三維設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的建設(shè)，設(shè)計(jì)院內(nèi)部相繼成立BIM中心或組建BIM團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)相關(guān)BIM課題的研發(fā)與工程實(shí)踐。但由于此階段公路工程行業(yè)內(nèi)的質(zhì)量控制仍以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范為主，而且設(shè)計(jì)成果的交付形式以設(shè)計(jì)文件為主，只有部分示范工程要求提交數(shù)字化成果，實(shí)現(xiàn)公路BIM模型的數(shù)字化交付。綜上所述，本階段公路工程設(shè)計(jì)行業(yè)總體呈現(xiàn)二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)并存、二維設(shè)計(jì)為主的顯著特點(diǎn)。公路BIM模型在設(shè)計(jì)階段更多的是起輔助設(shè)計(jì)作用，設(shè)計(jì)單位充分利用BIM模型的可視化優(yōu)勢(shì)，在項(xiàng)目前期階段促進(jìn)工程各參與方理解設(shè)計(jì)方案，提高總體設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少施工圖設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)大的設(shè)計(jì)方案變更，有效控制設(shè)計(jì)周期。

本階段公路工程BIM模型相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)缺失或不完善，BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用屬于初級(jí)階段，公路工程信息模型的創(chuàng)建工具和建模平臺(tái)尚不成熟，道路、橋梁及隧道工程建模效率不高，大型設(shè)計(jì)院都在積極探索自動(dòng)化快速建模的解決方案，部分中小型設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員需要依靠主流建模平臺(tái)手工完成建模等相關(guān)工作。

2.2 重點(diǎn)研究方向

本階段應(yīng)重點(diǎn)解決公路BIM模型快速化創(chuàng)建的問題，有自主研發(fā)能力的設(shè)計(jì)單位應(yīng)基于主流BIM建模平臺(tái)二次開發(fā)，大幅度提高公路BIM模型的建模效率，使公路工程設(shè)計(jì)人員逐步習(xí)慣利用公路BIM模型輔助設(shè)計(jì)方案的核查和路橋隧主要專業(yè)間的設(shè)計(jì)協(xié)同，有效提升公路工程總體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

公路BIM模型的數(shù)字化交付也是本階段的研究熱點(diǎn)，隨著工程項(xiàng)目交付需求的增加，不同單位研發(fā)的數(shù)字化交付平臺(tái)接踵而來，但功能同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，行業(yè)內(nèi)重復(fù)建設(shè)，造成社會(huì)資源浪費(fèi)。與此同時(shí)，公路工程大體量模型的輕量化展示及BIM與GIS技術(shù)的融合與集成等關(guān)鍵性技術(shù)問題有待完善。

本文統(tǒng)計(jì)了目前階段常用的創(chuàng)建公路BIM模型的相關(guān)系統(tǒng)，其主要功能見表5。

表5 公路BIM模型快速化創(chuàng)建的系統(tǒng)功能調(diào)研表

由表5可見，目前的相關(guān)系統(tǒng)均已具備路線設(shè)計(jì)的功能，BIM+GIS集成、協(xié)同設(shè)計(jì)建模平臺(tái)，以及常規(guī)碰撞檢查等主要功能，系統(tǒng)各有千秋，符合目前市場(chǎng)上建模平臺(tái)均不成熟的現(xiàn)狀，需要大量的二次開發(fā)工作才能滿足設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求。

3 高速發(fā)展階段

3.1 階段特征描述

本階段公路行業(yè)內(nèi)各省級(jí)公路勘察設(shè)計(jì)院均具備了一定的三維設(shè)計(jì)生產(chǎn)力，有技術(shù)儲(chǔ)備的大型設(shè)計(jì)單位開始在部分工程項(xiàng)目中探索實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)，有更多的輔助工具幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)基于三維模型生成二維的設(shè)計(jì)圖紙。各單位的BIM中心逐步由科研單位向管理單位轉(zhuǎn)型，開始制定企業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，管控三維設(shè)計(jì)的工作流程和質(zhì)量。公路BIM模型的數(shù)字化交付平臺(tái)較為成熟，市場(chǎng)內(nèi)會(huì)形成2～3家成熟的平臺(tái)類產(chǎn)品，大型公路工程項(xiàng)目的建設(shè)單位在設(shè)計(jì)招標(biāo)階段，會(huì)明確要求設(shè)計(jì)單位實(shí)現(xiàn)實(shí)物工程和數(shù)字工程的雙產(chǎn)品交付。公路BIM模型基本實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)階段向施工階段交付，有效避免了施工階段重新翻模的現(xiàn)象，減少了大量重復(fù)勞動(dòng)和社會(huì)資源的浪費(fèi)。

本階段公路工程行業(yè)的信息模型相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系已成熟，部分基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)已正式發(fā)布，并有效指導(dǎo)工程實(shí)踐。公路工程行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)成果的交付形式逐步過渡為以三維模型為主，二維設(shè)計(jì)圖紙為輔。大多數(shù)的公路工程要求提交數(shù)字化成果。二維的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谠O(shè)計(jì)階段更多的是輔助說明的作用。大型設(shè)計(jì)單位充分利用三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，開展全專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，搭建公共數(shù)據(jù)環(huán)境，協(xié)同工作方式逐漸由基于文件的協(xié)同開始向基于數(shù)據(jù)的協(xié)同轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)單位的三維設(shè)計(jì)能力逐步提升，部分單位形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)行業(yè)優(yōu)勝劣汰的趨勢(shì)更加明顯，部分中小型設(shè)計(jì)企業(yè)逐漸被市場(chǎng)淘汰。

3.2 重點(diǎn)研究方向

本階段應(yīng)重點(diǎn)解決基于公路BIM模型的全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)，有能力的設(shè)計(jì)單位應(yīng)研發(fā)適應(yīng)企業(yè)內(nèi)部管控流程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，打造并形成企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。基于BIM模型生成工程設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)輔助工具也是研發(fā)熱點(diǎn)，更多基于主流BIM建模平臺(tái)的輔助建模工具日趨成熟，促進(jìn)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)習(xí)慣的轉(zhuǎn)變，更多的設(shè)計(jì)人員開始適應(yīng)正向設(shè)計(jì)的思路。應(yīng)用公路BIM模型匯報(bào)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路成為常態(tài)，公路工程行業(yè)的總體設(shè)計(jì)質(zhì)量得到顯著提升。

通過大量的市場(chǎng)調(diào)研，整理分析現(xiàn)有的已正式發(fā)布的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)品類見表6，根據(jù)調(diào)研結(jié)果目前尚未有公路工程行業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)品正式發(fā)布。已發(fā)布的相關(guān)產(chǎn)品均起步于工業(yè)與民用建筑行業(yè)，國外的產(chǎn)品應(yīng)用早且較成熟，近年來，國內(nèi)也涌現(xiàn)出來了中設(shè)數(shù)字CBIM平臺(tái)等國產(chǎn)平臺(tái)，在工程建設(shè)行業(yè)也有大量的成熟應(yīng)用案例，隨著BIM技術(shù)在公路工程行業(yè)的應(yīng)用逐步成熟，公路工程行業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)研發(fā)和應(yīng)用將成為行業(yè)內(nèi)的研發(fā)熱點(diǎn)。

表6 已發(fā)布的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)品表

4 成熟階段

4.1 階段特征描述

通過十多年的信息技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，公路工程信息化的水平得到了高速發(fā)展。公路行業(yè)內(nèi)各大中型設(shè)計(jì)企業(yè)均具備正向設(shè)計(jì)能力，二維設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诠こ淘O(shè)計(jì)行業(yè)已消失殆盡。各單位的BIM中心已完成歷史使命，逐漸退出歷史舞臺(tái)。設(shè)計(jì)院內(nèi)部均已建設(shè)完備的基于三維正向設(shè)計(jì)的QHSE管理體系。公路BIM模型的數(shù)字化交付平臺(tái)成熟規(guī)范，中國數(shù)字化高速公路網(wǎng)已搭建完成并初具規(guī)模。大型公路工程項(xiàng)目在招投標(biāo)階段，對(duì)數(shù)字化工程建設(shè)均已提出明確的要求，設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行全生命期的規(guī)劃，充分考慮運(yùn)維階段的信息需求，國內(nèi)的大型公路設(shè)計(jì)單位，均已構(gòu)建完備的企業(yè)級(jí)公路工程構(gòu)件庫，形成企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。具備三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)企業(yè)，將大幅度提升公路工程行業(yè)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

本階段公路工程行業(yè)的數(shù)字化工程標(biāo)準(zhǔn)體系已成熟，三維正向設(shè)計(jì)已成為行業(yè)內(nèi)的新常態(tài)。公路工程行業(yè)實(shí)現(xiàn)全生命期的數(shù)字化交付，設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诠饭こ探ㄔO(shè)中逐步退出歷史舞臺(tái)，基于電子簽名的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果具備了法律效力可以指導(dǎo)公路工程建設(shè)實(shí)踐。由于設(shè)計(jì)效率的大幅提升，國內(nèi)的大型公路設(shè)計(jì)企業(yè)逐漸向工程總承包和高端工程咨詢集團(tuán)轉(zhuǎn)型，只有具備三維協(xié)同正向設(shè)計(jì)能力的企業(yè)，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存下來。

4.2 重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

本階段應(yīng)重點(diǎn)研究公路工程信息模型從建設(shè)階段向運(yùn)維階段交付，實(shí)現(xiàn)工程信息全生命期的共享和傳遞。基于公路BIM模型的高速公路運(yùn)維階段的需求被激發(fā)，數(shù)字化的智慧公路成為研究熱點(diǎn)。隨著無人駕駛及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，人們的公路交通出行方式發(fā)生革命性的變化。

5 結(jié)語

文中對(duì)BIM技術(shù)在公路工程中的研發(fā)應(yīng)用及發(fā)展路徑進(jìn)行了研究、總結(jié)并對(duì)未來發(fā)展階段進(jìn)行了展望；在行業(yè)內(nèi)首次提出了公路工程BIM技術(shù)應(yīng)用三階段發(fā)展路徑，對(duì)不同階段的發(fā)展特征進(jìn)行了描述，并對(duì)每個(gè)階段的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了展望和規(guī)劃。

產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化是公路行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)據(jù)賦能產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的腳步不會(huì)停歇，由于主流建模平臺(tái)的不成熟，大體量公路BIM模型輕量化交付，以及BIM+GIS技術(shù)融合等技術(shù)瓶頸的限制，公路工程行業(yè)整體水平仍將在較長時(shí)間內(nèi)處于起步階段。但借鑒制造業(yè)和工程建筑行業(yè)的BIM技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，我們可以預(yù)見數(shù)字化智慧公路的時(shí)代即將到來。