BIM技術在公路工程施工階段的應用

劉偉杰

(天津市公路工程設計研究院 天津300170)

0 引 言

公路工程施工技術發展日益成熟，各種新技術、新設備、新工藝、新材料不斷應用到建設項目中，極大地提高了建設工程質量、加快了施工進度、保護了項目周圍的生態環境。信息化系統在建設工程項目實施過程中應用也相當廣泛，工程概預算、項目管理、質保資料、辦公系統、公文收發、計量支付、試驗檢測、質量評定、檔案管理都有比較成熟的系統軟件，另外在工程現場監控以及手機程序開發方面也已經開始了新的探索，取得了很好的效果。

王婷等[1]提出基于5D 技術在施工動態管理中的應用，為實現施工的精細化管理提供寶貴經驗。王麗園等[2]提出了BIM 在道路勘測設計中的應用方法，并成功應用到實例中，但僅涉及到勘測階段。BIM 在公路工程施工階段的應用在最近幾年已經興起，取得了一定的成效，有效解決了建設工程項目模型可視化的問題，在其他方面也有著積極的作用。

1 公路施工階段的特點

公路工程建設項目按照設計施工圖紙進行工程項目的實施，將設計勞動成果轉化為工程實體，將抽象的設計施工圖紙呈現為具象的形態。

1.1 公路建設項目的單一性

同其他建設工程一樣，公路工程是一次性的建設項目，這一點不同于加工制造產品，沒有兩個完全一樣的公路建設項目。雖然很多公路工程建設項目的承發包模式、組織結構模式、管理體制，甚至是設計構筑物結構類型都是相同的，但是每個建設項目都有其不同的設計方案、施工組織設計、項目參與人員、配備的機械設備、周圍環境等[3]。這就要求在整個建設項目的全生命周期進行全面獨立的過程管理，其他已完公路工程項目可以提供參考，借鑒成功的建設經驗，但還是不能原封不動照搬已完公路工程設計思路、設計方案、組織分工等，必須根據本項目的實際情況進行項目建設。

1.2 公路建設項目的結構類型特點

建筑工程一般集中在地面上某一劃分區域進行開發建設，這種建設項目一般施工干擾比較小，也不存在場地布置的問題，如果是城市里面的開發項目，一般對環境的要求比公路工程建設項目要高。公路工程為線形、帶狀的結構，一般跨越山川、河流，穿越各種地形、地質結構，包括平原、河流、湖泊、海洋、山嶺、峽谷、隔壁、沙漠等，而地下的地質情況更為復雜，軟土地基、地下水影響、地質情況圍巖級別、地質斷層、采空區、溶洞等。在同一個公路建設項目施工中，有可能遇到多種復雜地質情況，因此，項目實施條件相對于建筑情況更為復雜。在一些偏遠地區的公路工程建設項目，往往是穿越人跡罕至的大山，缺少施工單位進入場地的條件，有些公路項目為了實施，需要修建數公里長的施工便道，搭設施工便橋，臨建費用所占比例很大。從另外一方面來說，公路工程建設項目一般都是在狹長的作業帶進行施工作業，沒有開闊的作業面，臨時用地困難，這往往加大了公路工程建設項目實施的難度。

1.3 公路工程建設項目實施人員素質差異很大

在公路工程建設項目實施過程中，參與的單位包括建設單位、監理單位、設計單位、施工單位、供應商等，不同單位的項目參與人員水平參差不齊，差異很大。大部分單位擁有專業的、有項目建設管理經驗的技術人員，滿足建設工程項目實施的需要，能夠為建設工程項目的實施提供準確、及時的技術支持，但是也有一小部分參與單位的項目管理人員、專業技術人員水平不足，缺乏相關的從業經驗，盲目指揮。

一般的公路工程建設項目，包括其他的建筑工程等建設項目，一線的實施人員一般都是農民工，農民工為我國建設工程項目的實施發揮了巨大的作用。從業的農民工擁有豐富的專業施工經驗，但是對專業的設計圖紙及技術交底、新材料、新技術、新工藝的運用，接受能力偏弱，造成一些好的方案在實施過程中大打折扣。另一方面，對農民工的管理也是一個比較棘手的問題。

1.4 公路工程建設項目的承發包模式

目前，公路工程建設項目最主要的承發包模式還是平行發包，這一點不同于建筑工程項目的施工總承包模式或建設項目總承包模式。由于公路工程建設項目線形、帶狀的特點，一個公路工程建設項目一般綿延幾十公里甚至上百公里，投資額較大，更適宜采用劃分合同段平行發包模式。在這種模式下，施工單位根據自身實力、技術裝備、人員配備選擇自己擅長的合同段進行投標，更容易發揮自身優勢，創造價值。

除了建設工程項目平行發包模式外，近幾年也有很多PPP 項目、設計施工總承包項目。PPP 項目通常模式是由社會資本承擔設計、建設、運營、維護基礎設施的大部分工作，并通過“使用者付費”及必要的“政府付費”獲得合理投資回報，政府部門負責基礎設施及公共服務價格和質量監管，以保證公共利益最大化。

2 公路施工階段的存在的問題

公路工程建設項目經過多少年的發展，技術標準完善精細，建設工程管理也提升到很高的水平，很多施工單位都已經累積了豐富的施工經驗。在我國，很多世界級的工程紛紛亮相，展示了中國建設者的實力。中國的建設工程力量更多的已經走出國門，承擔起了非洲很多國家、東南亞一些國家的基礎設施建設的重任。

我國公路建設取得的成就是巨大的，但是并不能完全掩蓋我們在公路建設工程實施過程中存在的問題。公路工程建設受多方面因素的影響，還存在不少的問題[4]。

2.1 公路工程項目作業環境復雜

公路工程建設項目的實施，受作業面的影響，一般都在狹長地帶進行施工場地布置，作業空間小，因此很容易受到各種干擾。

例如，對于臨近合同段或施工隊來說，經常的情況是場外、場內的運輸道路是唯一的，遇到阻礙工程材料難以運抵施工現場，直接影響了項目的建設，另外既有的公路難以承受運輸材料的重載交通，道路損毀嚴重，影響了運輸的安全。

臨時用地的征地進度，可能影響工程的開展。受現場周圍環境的影響，符合梁場布置條件的場地選取有限，因此需要保證臨時用地的征地進度，才能保證預制梁的生產，保證施工進度。在公路工程項目實施過程中，梁場的選取需要占用很大的場地，因此梁場的布置與選取顯得尤為重要，梁場選擇需要有利于預制作業、有利于存放、有利于運輸。同樣，公路工程建設項目還存在棄渣場的選用問題，棄渣場的選擇需要盡可能減少棄渣的運距，同時需要保護生態環境，減少對自然環境、水資源的污染。

公路工程建設項目施工都是野外作業，受不利季節、天氣狀況影響很大。不管是在哪里進行施工，都需要考慮低溫施工、高溫施工、雨季施工、大風等對工程施工影響，預計施工作業可能會出現的各種自然災害，包括洪水、山體滑坡、泥石流等。在這些復雜條件下，組織建設工程項目的實施需要通盤考慮，全面分析施工過程中的影響因素，制定切實可行的建設工程項目施工組織設計，并編制安全應急預案，將工程建設的風險降到最低。如果考慮不周，受任何因素影響，為工程施工帶來的損失往往是不可估量的。

2.2 公路建設工程管理中出現的問題

公路建設項目歷經幾十年的發展，管理水平已經相對成熟，但還是存在一些管理問題。

首先，建設者們一般都習慣于固有的管理模式，對于新的管理方式不能完全接受，比如信息化管理的應用。因為原先傳統的管理方式對于管理者的影響根深蒂固，同時其也取得了很好的管理效果，新的管理方式出現的任何瑕疵，都可能被他們無限放大。因此，一些先進的管理模式很難在建設項目上得到真正的應用，有些建設項目往往也只是流于形式，所以管理水平沒有得到真正的改進。

其次，在建設工程項目實施過程中，很多從業者只注重人而不注重規則和制度。良性的建設工程管理模式，一定是規則和制度優先，每一個參與者都需要在其職責權限范圍內工作，發揮管理制度的作用。如果僅僅只是以人的命令優先，完整的管理制度就不能發揮應有的作用，從而出現越權指揮，讓人為因素直接影響公路建設工程項目的質量、進度、成本，以此引起工程建設的損失，讓建設項目的管理固守在原有的水平。

再者，在管理活動中，不可避免會出現一些管理上的漏洞。這就需要根據實際情況因地制宜，跟蹤建設項目管理的過程，評價管理效果，改進發現的問題，實現動態的管理過程控制。

2.3 建設工程項目施工的問題

公路工程項目的建設雖然現場有技術人員進行技術指導，實際上真正施工的還是一線工人，而工人的技術水平直接影響工程的質量。比如具體的一些施工工序，鋼筋加工、路基刷坡、腳手架搭設、模板搭設、防護工程施工，都體現了工人的技術水平，而在一些具體過程中，個別工人會有投機取巧的心態，習慣采用一些省時省力的辦法，而不會去關注建設工程的質量，所以需要強化現場的質量管理。

除此之外，在現場施工過程中，場地的布置、材料的存放等對工程建設項目都有不小的影響。如鋼筋籠加工后不注重保護，在使用中已經出現銹蝕而不做處理。還有在現場施工過程中，對工藝的控制往往達不到標準規范的要求，如瀝青混凝土路面的鋪筑，在施工過程中對時間、溫度有著很高的要求[5]。

3 BIM技術在施工階段的應用

3.1 設計校核和工程量復核

施工單位在建設項目開工前一般都要進行熟悉施工圖紙，復核設計工程量等工作。設計圖紙對每個施工合同段來說一般都要分為多冊，上千頁，圖紙熟悉的過程需要耗費相當長的時間，而且對項目施工圖的理解還取決于技術人員自身的專業水平和施工經驗。對于沒有施工經驗的人員來說，熟悉施工圖紙可能特別吃力，對于工程實體也沒有具體的認識。通過在BIM 模型中瀏覽，技術人員去查看可視化的工程實體模型，對工程實體會有一個具體的認識。對于復雜的結構物圖形，也可以通過構件的顯隱將一個復雜的細部構造從其他模型中剝離出來，清楚的去查看工程結構物的實體形態。

在工程量的復核過程中，傳統的復核方法要依照二維平面設計圖紙來計算結構物的幾何尺寸，進而計算體積和數量，由于工程實體并非都是標準而規則的形狀，依靠人工有些根本就難以計算，借助圖形設計軟件CAD 可以實現工程量的計算，這也要求施工技術人員具有很好的CAD 繪圖水平，這樣一來計算工程量的過程必然需要一個很長的時間。而在BIM 信息化系統中，結構物的工程量信息已經在構件的屬性中進行了標識，工程量的匯總統計也可以直接在工程量統計中進行查詢，免去了工程量復核過程，既加快了施工進度，減輕了項目工程技術人員的工作量，節約工程工期，還有利于對建設工程項目實體形成具體的認識。

3.2 施工模擬、優化施工方案

根據建設工程項目的進度計劃數據，將進度計劃數據賦值到BIM 中，即可實現模型的動態施工模擬，一般的施工模擬可以模擬結構物施工在時間和空間上的進度安排順序。較深層次的施工方案模擬，可以模擬現場的施工機械，逼真地展示整個施工作業活動的過程，從而及時發現施工方案中進度計劃安排的問題，如施工場地布置、機械配置、機械性能參數是否滿足、空間干擾等問題(圖1)，根據施工模擬來進行方案的調整和優化[6]。

施工模擬過程還可以考慮施工的時間要素，綜合機械設備的定額臺班，依照標準的施工產值，進一步對工程施工方案的進度安排進行驗證，及時調整方案中的進度安排，合理安排人員、材料、施工機械設備在現場的投入，節約工程成本，減少窩工時間，加快施工進度，為實際工程項目施工提供經驗和最優的可行方案(圖2)。

圖1 碰撞檢查Fig.1 Collision check

圖2 施工模擬Fig.2 Construction simulation

在建設工程施工的關聯線路施工活動中，通過BIM 技術進行施工工藝模擬，可為關鍵線路上的施工工序模擬現場真實的施工狀況：提供可視化施工預演，提前發現施工部署中的漏洞，從而降低實際施工過程中可能存在的問題，提高建設工程項目質量、加強施工安全，減少實際返工和整改的可能性，提升了整個建設項目的管理水平。

3.3 標準化模型

將建設工程項目中的一些通用標準構件在模型設計中做成標準的模型(圖3)，添加進建模軟件的族庫中。此建模方式相較于傳統的CAD 模型繪制是一個很大的進步。標準化的構件模型可以用來預制構件批量化的生產，對于構件加工的生產單位來說，標準的模型可以直接應用于數控機械化自動生產。提高了交底的準確性，同時增強了溝通的效率，減少了雙方交底的環節，節約了時間和成本，避免了在采用傳統的二維圖紙交底時，出現因為二維圖理解問題導致的構件加工出錯，直接生產出殘次品，造成浪費。

圖3 構件庫—橋梁結構族Fig.3 Component library bridge structure family

3.4 實現精益化質量、進度、成本管理

BIM 信息化系統對工程質量、進度、成本管理方面的影響，產生在BIM 信息化系統的各個方面。

BIM 的三維可視化模型可以精確統計工程量，通過工程量來預測主要材料的消耗量，通過材料消耗和施工進度計劃制定建設工程項目施工方案中原材料的采購計劃，將資源合理使用。精確計量有效解決了施工過程中工程量不方便統計的問題，為工程計量支付提供了比較直接的依據，實現了建設工程項目的精細化管理。通過在BIM 模型中實現施工的動態模擬，模擬工程施工過程中的進度展示，指導工程項目建設，對于施工過程進行預演，可以進行有效的事前控制，將可能出現的各種問題提前進行處理，降低了未知的風險，加快了施工進度。

在BIM 應用中，可以應用物聯網技術以及遠程監控，提高建設工程質量[7]。對于工程現場的主要施工機械，進行升級改造，加裝數據傳感器、GPS 定位以及監控攝像頭，就可以對現場機械的施工情況實現遠程監控，定位機械運行軌跡，對工作產出工程量配以視頻監控，達到控制現場施工質量的目的。另外還可以集成梁場監控、拌和站監控，達到同時控制質量和成本的目的。

對于施工過程中形成的所有質量、進度、成本數據，可以在后臺數據管理系統中進行在線填報，完成建設工程項目的質量保證資料、質量評定資料、計量支付、試驗檢測資料、工程日志、施工影像資料，通過不同門類之間相關數據的交互，避免了工程中的假數據。對于所有數據的填報，按照規定的審核審批流程進行審核校驗，保證了數據的及時、準確、真實，進而達到對建設工程項目質量的有效控制。

基于BIM 模型的構件劃分體系形成的工程構件庫，統一工程中各類要素進行底層數據交互的數據存儲格式，在此基礎上設置工程建設項目的中期計量支付零號清單劃分，實現基礎構建層面與工程管理的信息化軟件數據共享底層數據；零號清單劃分遵循有利于工程實體計量的原則，可以實現建設工程項目的中期計量支付，通過中期計量支付功能的實現，來控制建設工程項目的計量支付情況，以及建設項目的投資管理，同時，可以有效地控制建設工程項目的質量，督促相關人員認真執行，約束項目相關人員行為，規范項目建設制度，強化工程管理質量[8]。

利用BIM 技術可實現手機端和網頁端的質量檢驗和審批流程：施工方可利用APP 錄入提交質量檢驗相關信息，通過系統推送至監理方，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。

在系統應用方面，可以進一步完成施工建設過程中施工機械設備的遠程監控，將建設工程項目現場施工機械的基本參數、施工環境參數以及施工原始數據遠程實時傳輸到系統，并進行數據的有效分析，直接控制現場的施工質量，如對鋪筑設備現場作業數據進行采集。

通過施工實際進度計劃可以統計完成的工程量，自動計算計量期內相應的人力、材料的計劃用量和實際消耗量；對后續的施工進行工程量預測的資源消耗量，并以此為依據指導原材料采購。在中期計量支付中，基于施工BIM 模型進行計量，可以將計量期內的計量工程量和實際完成工程量進行復核，并輔以質量保證資料、質量評定資料、試驗檢測資料進行驗證，保證計量支付的項目、數量、進度、細目等的準確無誤，再在系統中進行工程的中期計量支付，將中期計量支付的管控水平提升到一個新的高度。

4 結 語

在公路工程的施工階段利用BIM 技術，可以有效提高施工質量與效率，保證施工人員安全，且有序協調各部門協同工作。通過系統界面可以實現可視化管理，了解工程概況與施工進度，有效解決建設工程項目模型可視化的問題，在其他方面也有著積極的作用。