BIM 技術在某高速公路項目建設管理中的應用

饒 艦 龔 嘯 王興龍 許龍

（深圳高速工程顧問有限公司，深圳 518000）

引言

近些年，隨著國家政策加大對“互聯網+”和工程信息化的扶持，全國大部分省份公路交通信息化建設都以整合規劃為指導，圍繞交通運輸部對信息化建設提出的總體目標，積極開展交通信息化建設，信息化平臺建設和BIM 等新技術應用的步伐在不斷加快[1，2]。在此背景下，西部某省政府及省交通運輸廳出臺一系列針對本省高速公路發展扶持政策，推動本省交通運輸行業項目運用以BIM 技術為主，融合當前市場先進的GIS 技術[3]、傾斜攝影[4]、VR 技術[5]、全息投影技術[6]、大數據和云計算[7]等，通過調動和整合各種信息與資源，為公眾服務及行業治理提供有力支撐，使交通運輸變得更加智能化、精細化和人性化。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目為國家高速公路建設重點項目，是西部某省交通突破行動的重點工程，局部效果如圖1 所示。項目主線全長196.335km，為雙向四車道高速公路建設標準，設計時速100km/h，概算批復金額為121.785 億，2016 年4 月開工建設，截止目前一階段已建成通車，2021 年底全線貫通。項目是深入貫徹落實國家西部大開發戰略、加快“絲綢之路經濟帶”黃金段建設的重要舉措，對完善國家高速公路網的整體布局，積極發揮國家高速公路規模效益，完善區域路網布局等均具有戰略意義。

圖1 項目局部效果圖

1.2 工程重難點

本項目共設置特大橋3 座，大橋14 座，特長隧道2 座，分離式立交12 座，互通立交6 座，收費站5 處以及服務區和管理所12 處。項目線路長，跨越溝谷和山脈眾多，設計橋梁眾多且結構復雜，隧道超長且埋深超大，沿線設施眾多。項目工程規模大，線性分布區域廣，僅土建合同段就分為7 個。項目涉及主要參建單位多達30 余家，施工協調和信息傳遞與共享難度極大，為工程建設管理帶來巨大挑戰。

項目包含單洞（右線）4.442km 和單洞（右線）7.527km 的兩座超長雙線分離式隧道，橫穿兩座大山，最大埋深達530m，地質復雜性和施工難度為項目建設管理帶來極大的安全風險。

本項目作為建設一體化服務平臺示范項目，承載著實現西部某省公路設施建管養一體化先期試點任務：開發項目建設管理信息化服務平臺，積極推動BIM 等新技術的應用，為公路設施建管養一體化建設奠定基礎。

1.3 BIM 技術實施原因

本項目實施BIM 技術應用的主要原因是提高管理水平和應用率：

（1）項目地處西部戈壁沙漠地區，所在地地理位置偏遠，地形、地貌及地質構造復雜，自然環境惡劣，氣候條件極差。項目橋梁數量大，隧道超長，施工難度大，風險影響面廣，管理要求高，對傳統的項目建設管理方式帶來極大的挑戰，業主期望通過引入BIM技術等信息化管理手段提高管理效率和水平。

（2）BIM 技術在高速公路建設中的應用已逐漸從部分經濟發達地區向全國范圍輻射。項目所在省份亟需借助優質項目資源來提升BIM 技術的應用率，擴大BIM 技術應用成果，力求通過本項目推動全省范圍內BIM 技術和信息化管理平臺的應用。

2 BIM 技術應用目標及環境

2.1 BIM 應用目標

利用BIM 技術在高速公路項目應用中的最新成果，將BIM 技術與建設管理平臺、企業信息化系統等有效整合，貫穿于項目一體化管理流程中，進一步提升建設管理與運維養護的全過程、全業務、全產業鏈的數據繼承與應用范圍及深度。

通過數據、系統及應用的集成，實現BIM 與業務的深度融合，質量、進度、安全和計量等方面的管理效率提升，節約項目成本，加快施工進度。以建設期為基礎，統籌建設管理、運營管理、養護管理三方面的數據，確保高效的數據繼承，實現建管養全部數據的云端存儲，提高數據共享交換能力和使用效率發揮各自優勢，拓展應用領域，從而提高用戶決策效率、降低工程建設成本，為用戶提供數據處理、數據可視化，二次開發等全方位一體化的云服務，探索新一代信息技術（全息投影、激光點云、VR 應用等）在高速公路項目建設管理中的應用。

2.2 BIM 應用軟硬件環境

本項目配備是滿足BIM 應用必須的軟硬件，具體如下：

（1） 軟件方面： 利用MicroStation、Revit、Civil3D 完成土建、機電、交安及管線等進行BIM 建模[8，9]；利用OBM(OpenBridge Modeler)、ORD(OpenRoads Designer)進行模型深化設計；利用NAVISWORKS 進行模型碰撞檢查[10]；利用SuperMap iServer[11]和本司開發的模型檢查、掛接和發布工具，采用Ajax 異步技術發布模型，同時執行本司輕量化工具優化模型數據，如圖2~ 圖3 所示。采用高性能的3DGIS 技術渲染引擎處理GIS 數據，其可同時加載諸如衛星影像、傾斜攝影、BIM 模型、CAD 圖紙以及點云等GIS 和BIM 數據；

圖2 兩路徑BIM 模型信息掛接與發布部分流程示例

圖3 BIM 模型掛接信息檢查示例

（2）硬件方面：配置有高性能計算機、專用云服務器、圖形工作站、數據中心、VR 眼鏡、全息金字塔展示柜等硬件設施。

2.3 BIM 應用實施方案

結合項目特點制定了實施方案，對建模精度、模型融合、應用范圍及團隊都進行了約定，包括如下：

（1）建模范圍及精度。全線特大橋、大橋以及隧道的建模精度為LOD3.0；全線中橋、小橋、涵洞、道路、邊坡防護設施、交安設施等的建模精度為LOD1.0；

（2）模型融合。由于線路超長，BIM 建模工程量巨大，采用了多個團隊同步推進的方式加快建模進度。不同團隊應用了不同的建模軟件，要考慮BIM 模型格式轉換及融合問題以及與GIS 數據、傾斜攝影模型融合的問題，要對計量等主要業務板塊的建設管理應用以及對“BIM+”模式進行BIM 擴展應用；

（3）團隊組織。設置項目公司為管理組，平臺單位為實施組，施工監理等單位為應用組的三級管控梯隊。每級均按照單位設置BIM 負責人和組員，其中平臺單位設置BIM 總工、BIM 建模工程師、BIM 應用工程師、BIM 運維工程師等崗位支撐項目的整體BIM 技術應用，項目局部BIM 模型如圖4 所示。

3 BIM 技術項目建設管理應用

按照項目級或合同段級工程劃分(單位——分部——分項)，將工程實體拆分成項目業務管理與BIM模型應用適宜顆粒度，通過工程業務數據與BIM 模型關聯，實現基于BIM 三維模型的施工生產協同管理。

3.1 基于BIM 的質量精控

本項目基于BIM 進行質量管理控制主要體現在圖紙信息獲取便捷性，質量隱患閉環整改控制及質檢信息（數據、流程、報表等）可追溯性。

（1）BIM 模型與建設管理平臺質量管理模塊實現數據互通，點擊模型構件可直接查看對應構件的質量信息，實現質量管理三維可視化；同時，通過掃描BIM 模型構件唯一編碼生成的二維碼，可現場錄入質量管理數據，其自動關聯到BIM 模型構件。雙向的數據互通，確保質量精確控制；

（2）在BIM 模型構件上查閱施工圖紙，將工程實際情況與設計圖紙進行可視化對比、分析、糾偏，及早發現設計圖紙錯、漏、碰、缺問題；

（3）在BIM 模型上記錄質量巡檢過程中發現的問題，并相應觸發整改單等一系列流程，整改完成由監理確認后，整改流程方可閉合，從而完整記錄質量問題及處理情況，如圖5 所示。

3.2 基于BIM 的進度控制

基于BIM 的4D 進度控制的三大核心功能是進度計劃編制、實際進度管理、進度偏差分析。

（1）基于BIM 編制項目進度計劃。通過在BIM三維模型上模擬計劃進度，用以分析和調整并最終確定最佳的進度計劃，確保資源合理配置；

（2）跟蹤項目實際進展。通過管理平臺以橫道圖加BIM 模型三維可視化的形式，直觀查看項目的進展狀態，包括實際的與目標的對比橫道圖以及里程碑計劃、一級計劃、二級或更細致的多層計劃的跟蹤對比展示，并以三維的形式直觀展現；

（3）進度對比分析。通過實際進度與計劃進度對比分析，輸出進度偏差數據并直觀呈現在BIM 模型上，并對超出預警閾值的部位進行預警提醒，指導施工管理人員進行進度糾偏，如圖6 所示。

圖6 基于BIM 的4D 進度管控

3.3 基于BIM 的安全智能管控

安全管理作為高速公路項目管理中的重中之重，BIM 應用使得安全管理模式發生重大變革，本項目在安全智能管控中應用點較為豐富。

（1）安全隱患一張圖管控。安全隱患實時錄入平臺，通過記錄坐標實現在GIS+BIM 的三維場景中展示隱患點的分布，查閱隱患屬性信息，以及相應專項處置方案；

（2）安全隱患三維數據管理。將安全隱患點通過工程劃分關聯至BIM 模型構件上，利用平臺移動端APP 進行拍照取證、錄入信息，并在模型中標注位置，動態跟蹤實體構件上的施工風險點；

（3）安全交通疏解方案論證。運用搭建的BIM+GIS 三維應用場景，在其中展示線路位置、走向及尺寸信息，同時展示與既有線路、周邊建筑物等的空間位置關系、跨線形式、既有交通情況等，運用算法和大數據支撐進行安全交通疏解方案論證，實現交通疏解方案比選和最優化；

（4）安全監控管理。在BIM 應用中整合視頻監控數據，對施工現場視頻監控實時調取，監控現場施工情況，實現安全在線巡查。同時，可安裝AI 視頻監控對安全行為或狀態進行智能判定，平臺自動判別安全隱患并記錄，在GIS+BIM 三維場景中呈現，如圖7所示。

圖7 基于BIM 的安全智能管控

3.4 基于BIM 的計量支付管理

隨著BIM 技術的不斷發展，對于BIM 技術在項目預算或資金成本方面的應用研究，已有學者涉足[12]。但計量支付涉及的數據敏感性高，數據管理比其他業務更為嚴格，當前BIM 技術方面的應用點較為局限。

本文采用如下方式實現基于BIM 的計量支付管理：

（1）制定基于BIM 的計量支付管理辦法，明確計量支付審核流程和應用范圍等；

（2）應用BIM 算量工具進行算量并用于輔助計量[13]，實現橋梁和隧道二襯混凝土方量的快速計量；

（3）基于計量支付數據庫，將工程量計價信息綁定到BIM 構件，應用Restful 或Web Services 技術，統一數據傳輸接口標準，實現BIM 模型與建管平臺的數據互通，計量支付管理三維可視化，如圖8 所示。

圖8 計量數據三維可視化

4 BIM 技術擴展應用

4.1 虛擬漫游

虛擬漫游以BIM 模型（疊加GIS 或實景）搭建的三維場景為基礎，利用視角移動，沿預設路徑漫游，使用戶在項目虛擬三維場景中體驗身臨其境的沉浸感[14]，具有與環境完善的交互能力，在場景中體驗工程建成后的效果。

本項目搭建的BIM+GIS 三維應用場景支持項目全路段BIM 模型漫游，支持漫游路徑的預設、自定義、編輯和刪除等，支持漫游過程中暫停、播放、停止，支持漫游播放速度的切換調整，支持視角高度、視角方向的調節。用戶通過預設漫游路徑，在三維場景中實現任意角度、方向、走勢的虛擬漫游，如圖9 所示。

圖9 三維場景漫游

4.2 鋼筋碰撞檢查

基于鋼筋級BIM 模型進行結構物各構件諸如鋼筋、預應力管道、型鋼、預埋件等的碰撞檢查，記錄碰撞問題、形成碰撞問題報告，并據此制定解決方案以快速處理問題，將碰撞問題及處理結果錄入平臺，結合BIM 模型構件查閱相關信息。

本項目完成1 座特大橋2 座大橋共計16 跨連續鋼構梁段鋼筋BIM 模型建模，如圖10 所示。通過將MicroStation 建模的BIM 模型轉換格式后導入NAVISWORKS 中進行鋼筋碰撞檢測，共計檢查二百多處鋼束與鋼束碰撞點和五百余個鋼束與主筋或預埋件的碰撞點，輸出碰撞報告（如圖11 所示）提交至設計院，業主專門就輸出的碰撞問題召開了專題會，對碰撞問題進行研討并集中給出解決方案，主要是設計調整、施工措施處理兩種。

圖10 橋梁連續鋼構梁端鋼筋BIM 模型

圖11 碰撞報告

4.3 BIM+全息投影

全息投影技術亦稱虛擬成像技術，是利用干涉、衍射和分光鏡成像原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。利用全息投影技術制造可將三維畫面懸浮在柜體實景中的半空中成像系統。系統由柜體、分光鏡，視頻播放設備組成，通過拍攝或錄制的三維模型動態影像并疊加進三維場景中，呈現3D 幻影立體效果，給人以視覺上的沖擊，具有強烈的縱深感。

本項目基于某大橋橋跨結構——波形腹板鋼箱梁BIM 模型，制作波形腹板鋼箱梁拼裝3D 視頻，利用搭載全息幻影成像系統的全息金字塔展示柜呈現箱梁拼裝的3D 幻影立體效果，做到拼裝的每一步驟清晰可見，為BIM+全息投影的應用提供實踐經驗，如圖12 所示。

圖12 鋼箱梁拼裝全息投影

4.4 虛擬施工與可視化交底

運用BIM 模型實現三維可視化技術交底，直觀呈現擬施工的結構物或構筑物各構件的施工順序和施工方案，同時明晰施工技術要求，讓技術交底走向三維化、可視化、智能化[15]。

以本項目特長隧道二襯施工為例，運用BIM 模型進行兩種二襯專項施工方案的虛擬施工分析。二襯模筑施工工藝相同，不同之處體現在二襯注漿回填工藝上，包括二襯臺車脫模后注漿和帶模注漿兩種。其中帶模注漿即在未脫模情況下，通過改造的二襯臺車注漿裝置對二襯拱頂進行注漿。經過模擬施工方案并比選，發現帶模注漿方案施工效果更佳，有效減少了隧道二次襯砌背部脫空數量，降低施工缺陷，適當增加施工效率。

完成施工方案比選后，對隧道二襯虛擬施工進行技術交底三維模擬，如圖13 所示，明晰施工要點和控制參數，給施工人員進行可視化交底，加快方案熟悉程度，做到施工前有的放矢，確保施工質量與安全。

圖13 隧道二襯帶模注漿虛擬施工

4.5 BIM+VR

基于虛擬現實引擎技術來承載BIM 模型及其數據，將BIM 模型在VR 環境中展示，管理人員在虛擬現實環境中身臨其境的進行模型漫游體驗，查看BIM 模型中的各類屬性信息，在虛擬現實環境中進行安全施工教育、危險源體驗、安全生產培訓，如圖14 所示。

圖14 VR 安全體驗

5 總結

本文詳述了BIM 技術在某高速公路項目中實際應用的成果，通過研發信息化集成服務平臺開展BIM 應用，推動BIM 技術在高速公路項目施工管理中的發展。在某高速公路項目建設中，BIM 技術應用加快了部分階段的施工進度，節約了項目的直接成本和管理成本，精細化管控提升了工程施工質量，極大地降低了施工安全風險，減少了安全事故的發生，綜合提升了項目的管理精細化程度和管理效率，為項目成功實施提供有力支撐。

項目以BIM 技術為核心的多種新技術融合應用，積極推動了BIM 技術以及GIS 技術、全息投影、VR等新技術在高速公路中的應用落地，豐富了信息技術在公路工程中的應用范圍和應用深度，并在項目實踐中享受技術的優越性，為其他同類高速公路項目BIM技術應用提供范例。