BIM技術(shù)在高速公路機電工程施工中的應(yīng)用

摘要 高速公路機電工程是高速公路建設(shè)中不可或缺的一部分，機電設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對于高速公路的正常運轉(zhuǎn)非常重要。BIM技術(shù)應(yīng)用于高速公路機電工程施工中，可以提高工程效率、優(yōu)化資源管理，確保工程質(zhì)量。文章重點介紹BIM技術(shù)在高速公路機電工程施工過程中的關(guān)鍵應(yīng)用，包括BIM機電模型數(shù)字設(shè)計、工程管理兩個重點環(huán)節(jié)，期望促進(jìn)研究可以提高BIM技術(shù)的成熟，實現(xiàn)現(xiàn)代建筑技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；高速公路；機電工程

中圖分類號 U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0078-03

0 引言

BIM技術(shù)是一種通過建立虛擬三維立體模型解決建設(shè)問題的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于建筑、工程和基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、建造和管理[1]。BIM技術(shù)通過整合數(shù)字信息，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計和管理，對項目的成本和進(jìn)度進(jìn)行模擬和優(yōu)化，減少了建筑過程中的錯誤和沖突，提高了設(shè)計和施工的效率，為建筑項目提供全生命周期的支持。為研究BIM技術(shù)在高速公路機電工程施工中的應(yīng)用，該文從建立三維模型、碰撞檢測兩個方面介紹BIM機電模型數(shù)字設(shè)計，并從工程模擬和BIM干涉檢測兩個方面介紹工程管理，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考，提高高速公路建設(shè)的質(zhì)量。

1 BIM機電模型數(shù)字設(shè)計

1.1 建立三維模型

創(chuàng)建機電系統(tǒng)的幾何模型是BIM中的關(guān)鍵步驟，涉及對管道、電纜、設(shè)備等元素進(jìn)行幾何建模，以確保布局和空間需求符合設(shè)計要求和標(biāo)準(zhǔn)[2]。以下是在BIM中創(chuàng)建機電系統(tǒng)幾何模型的一般步驟。

（1）導(dǎo)入設(shè)計文檔和參數(shù)。首先，需要收集與項目相關(guān)的所有設(shè)計文檔，包括機電系統(tǒng)的平面圖、工藝流程圖、設(shè)備清單等，將這些文檔導(dǎo)入BIM平臺中，并對文檔中的參數(shù)進(jìn)行提取，這些參數(shù)包括管道直徑、設(shè)備尺寸、電纜規(guī)格等，這些參數(shù)將用于后續(xù)的三維模型創(chuàng)建，其中數(shù)據(jù)處理層的具體步驟如圖1所示。

由圖1可知，BIM平臺利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、去噪、壓縮和采樣等一系列操作，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，減少傳輸負(fù)擔(dān)。然后，將處理好的數(shù)據(jù)儲存到BIM平臺的儲存設(shè)備中，確保數(shù)據(jù)不會丟失。最后，利用有線通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM的模型集成層，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。

（2）創(chuàng)建管道幾何模型。首先，使用BIM技術(shù)根據(jù)設(shè)計要求繪制管道路徑和截面，利用直線參數(shù)公式描述管道路徑，如公式（1）所示：

（1）

式中，P（t）——直線上的點；P0——直線上的一個已知點；——直線的方向向量；t——參數(shù)。在繪制過程中，考慮管道的彎曲、連接、附件等元素。完成管道繪制后，添加管道附件，如閥門、法蘭、彎頭等，并為管道分配相應(yīng)的材質(zhì)和屬性，如金屬、非金屬、管道內(nèi)襯等[3]。同時，根據(jù)電纜布置需求，繪制電纜通道和槽道的幾何形狀，并為電纜通道和槽道分配相應(yīng)的材質(zhì)和屬性，利用圓的參數(shù)公式描述電纜布置的幾何形狀，如公式（2）所示：

P（u）=[xc+r·cos（u）， yc+r·sin（u）] （2）

式中，（xc， yc）——圓心坐標(biāo)；r是半徑；u是參數(shù)。根據(jù)設(shè)計文檔，利用BIM平臺創(chuàng)建設(shè)備的幾何模型，如發(fā)動機、泵、風(fēng)機等，設(shè)置設(shè)備尺寸和位置，同時考慮設(shè)備之間的相對布局。在確保管道與設(shè)備之間的幾何關(guān)系正確的情況下，添加連接件并更新管道的元數(shù)據(jù)，包括管道材質(zhì)、厚度、管道等級等。最后，檢查電纜通道和槽道與設(shè)備的連接情況，確保電纜敷設(shè)的合理性[4]。幾何模型創(chuàng)建完成后，BIM模型集成層負(fù)責(zé)將來自數(shù)據(jù)采集處理層的實時數(shù)據(jù)集成到BIM（建筑信息模型）中。

（3）創(chuàng)建建筑物的基本形狀。使用BIM軟件繪制建筑物或結(jié)構(gòu)的基本形狀，如墻體、樓板、柱子等。在繪制過程中，考慮建筑物的尺寸、層高、結(jié)構(gòu)類型等。在基本形狀的基礎(chǔ)上，添加窗戶、門、樓梯等建筑元素[5]。同時，根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置建筑元素的屬性，如材質(zhì)、顏色、尺寸等。根據(jù)項目需求，添加三維信息，如高程數(shù)據(jù)、材質(zhì)信息、設(shè)備參數(shù)等，這些信息將增加模型的準(zhǔn)確性和詳細(xì)程度。利用BIM工具的實時預(yù)覽和交互功能，檢查模型的外觀，并及時進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在項目進(jìn)展過程中，不斷更新和完善模型，以滿足不斷變化的需求。

1.2 碰撞檢測

建造出三維模型圖后，要利用BIM技術(shù)對三維模型圖進(jìn)行碰撞檢測，以便幫助設(shè)計團(tuán)隊及早發(fā)現(xiàn)并解決不同系統(tǒng)之間的碰撞和沖突。

首先，需要將各專業(yè)（如建筑、結(jié)構(gòu)、機電工程）的BIM模型導(dǎo)入BIM軟件，并確保它們在坐標(biāo)系、比例尺等方面一致，以實現(xiàn)有效地整合。通過構(gòu)建的三維模型視圖，利用BIM軟件的功能，導(dǎo)入包括建筑物、結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備、管道等系統(tǒng)的整體三維模型。在進(jìn)行碰撞測試前，需要在BIM軟件中設(shè)定碰撞檢測條件，包括最小間距和碰撞敏感度等參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)定決定了檢測的精度和對碰撞的敏感程度[6]。隨后，執(zhí)行碰撞檢測，通過BIM軟件自動分析各構(gòu)件的幾何形狀，再利用有限元算法中的剛度矩陣公式檢測是否存在碰撞或相互干擾的情況，如公式（3）所示：

（3）

式中，ke——單元剛度矩陣；B——應(yīng)變和位移之間的關(guān)系矩陣，其將位移場映射到應(yīng)變場；D——彈性矩陣，是材料的彈性性質(zhì)矩陣，包含了材料的彈性模量、泊松比等信息；Ve——在碰撞檢測中的作用，指的是單元的體積，描述結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下的強度和剛度；BT描述了結(jié)構(gòu)中的彎曲和拉伸等變形對應(yīng)力的響應(yīng)。在碰撞檢測中，這樣的剛度矩陣可以用于模擬結(jié)構(gòu)在受力時的變形，以及各個元素之間的相互作用。檢測完成后，利用射線追蹤算法的射線反射計算公式判斷射線與物體是否相交以及交點處的反射和折射行為，如公式（4）所示：

R=D?2（D·N）N （4）

式中，R——鏡面反射；D——射線的方向向量；N——表面法線，其可以在BIM的三維模型中模擬光線的傳播、反射和折射，用于更真實地模擬光照、陰影和視覺效果。然后，將結(jié)果生成碰撞報告，生成碰撞報告是碰撞檢測關(guān)鍵的一步，BIM軟件會詳細(xì)列出檢測到的碰撞信息，包括碰撞的位置、專業(yè)責(zé)任、碰撞程度等，為后續(xù)的解決和調(diào)整提供了基礎(chǔ)。可視化展示則通過BIM平臺將碰撞結(jié)果以標(biāo)記或顏色的形式呈現(xiàn)在三維模型中，以便設(shè)計團(tuán)隊直觀了解問題的性質(zhì)和分布。最后，設(shè)計團(tuán)隊成員在BIM平臺上協(xié)同解決問題，查看和討論碰撞結(jié)果，進(jìn)行解決方案的協(xié)商。根據(jù)碰撞報告，進(jìn)行設(shè)計的調(diào)整或施工計劃的優(yōu)化。并在項目的不同設(shè)計階段和施工階段，定期進(jìn)行碰撞檢測的迭代，以確保及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的碰撞問題。

2 工程管理

2.1 工程模擬

工程模擬是利用BIM技術(shù)在建筑和工程項目中進(jìn)行虛擬模擬，以模擬和預(yù)測項目在不同階段的執(zhí)行過程、性能和效果。這種模擬有助于項目團(tuán)隊更好地了解項目的動態(tài)變化，提前識別潛在問題，并優(yōu)化設(shè)計施工過程。以下是工程模擬的具體步驟和關(guān)鍵方面。

（1）時間軸模擬：利用BIM平臺的時間軸功能，模擬整個項目的建設(shè)和施工過程。將不同設(shè)計階段、施工階段和設(shè)備安裝過程的時間節(jié)點納入模擬，形成動態(tài)的項目時間軸。

（2）施工流程模擬：模擬項目的施工流程，包括建筑結(jié)構(gòu)的搭建、設(shè)備的安裝、管道系統(tǒng)的鋪設(shè)等，確保考慮各個施工步驟的順序、時序和協(xié)同性。在BIM平臺上，通過集成MEP模型、進(jìn)度和成本的數(shù)據(jù)，可以建立起構(gòu)建信息與成本數(shù)據(jù)的關(guān)系，以時間為參照軸實現(xiàn)實時動態(tài)的工程量查詢，使承建方能夠方便地查詢實際工程量，并在工程量查詢中根據(jù)自定義的關(guān)鍵條件進(jìn)行靈活的篩選，如時間、進(jìn)度、構(gòu)建類型、規(guī)格型號等。

（3）資源優(yōu)化：在模擬中考慮資源的分配，包括人力、材料、設(shè)備等因素。通過模擬優(yōu)化資源的利用，提高施工效率，降低成本。資源優(yōu)化管理圖，如圖2所示。

由圖2可知：在BIM平臺中，首先，通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備實時采集人工、能源、機械等多種數(shù)據(jù)源，并將其整合到BIM平臺。隨后，利用BIM平臺的圖形可視化功能，實時展示消耗量與計劃成本的曲線圖，強調(diào)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點和趨勢。通過趨勢分析，對資源消耗的未來趨勢進(jìn)行預(yù)測。建立靈活、強大的查詢系統(tǒng)，支持多維度查詢，包括時間、類型、地點等。實現(xiàn)實際消耗量與預(yù)算的對比分析，突出差異并生成資金曲線圖。最后，利用數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行成本分析，為項目部提供詳細(xì)的報告，并將BIM中的數(shù)據(jù)與圖表融合，實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的直觀呈現(xiàn)，展示機電系統(tǒng)的性能、能源消耗等數(shù)據(jù)，項目部根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行資源優(yōu)化分配。這些技術(shù)點的整合使BIM平臺成為項目資源與成本管理的強大工具，為項目部提供全面的實時支持，提高決策的準(zhǔn)確性和效率。

（4）動態(tài)演示和調(diào)整：資源優(yōu)化后，利用動態(tài)模擬展示機電系統(tǒng)的運作過程，包括設(shè)備運轉(zhuǎn)、管道流動等。通過演示功能，呈現(xiàn)資源施工過程的動態(tài)變化，幫助項目相關(guān)方更好地理解整體流程。首先設(shè)定動態(tài)模擬的參數(shù)，包括設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度、流體在管道中的流速等。這涉及對工程實際運行情況的了解和模擬參數(shù)的精確調(diào)整。然后，利用BIM平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的交互性與控制，使得用戶根據(jù)需要調(diào)整模型中的參數(shù)，觀察實時的系統(tǒng)響應(yīng)。接著，運行動態(tài)模擬，觀察系統(tǒng)在不同階段的動態(tài)變化，設(shè)備的啟動、運轉(zhuǎn)，管道中流體的流動，以及其他關(guān)鍵元素的相互影響。最后，利用演示功能實時展示施工過程的動態(tài)變化。在演示過程中，團(tuán)隊成員可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，驗證設(shè)計的合理性，發(fā)現(xiàn)潛在問題。同時，收集動態(tài)模擬過程中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，以改進(jìn)項目的執(zhí)行計劃、設(shè)計參數(shù)和資源分配。

2.2 偏差分析

在BIM環(huán)境中，偏差分析可以通過對BIM模型中的實際數(shù)據(jù)與預(yù)期計劃的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比來實現(xiàn)，用于檢查項目的實際進(jìn)度、質(zhì)量和其他關(guān)鍵指標(biāo)與最初計劃之間的差異。對這些差異的深入分析有助于識別問題、制定糾正措施，并提高未來項目的規(guī)劃準(zhǔn)確性。以下是在BIM中進(jìn)行偏差分析的一般步驟。

首先，從BIM模型中提取實際執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)，包括實際工程進(jìn)度、成本、材料使用等方面的信息，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。并重新審視項目計劃，明確原始的項目計劃和預(yù)期值，包括項目的時間表、成本估算等，可以是項目啟動時的計劃，也可以是項目執(zhí)行過程中進(jìn)行的中期或階段性計劃。然后，利用穩(wěn)定分析算法中的歐拉公式，將實際數(shù)據(jù)與BIM模型中的預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計算，確保BIM模型中的信息準(zhǔn)確且反映了實際的工程狀態(tài)，包括施工進(jìn)度、材料使用、構(gòu)件數(shù)量等，具體如公式（5）所示：

（5）

式中，Pcr——臨界壓力，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最大壓力；K——屈曲因子，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)；I——截面慣性矩，描述截面形狀對抗彎曲的能力；L——結(jié)構(gòu)長度；E——彈性模量，描述材料的彈性性質(zhì)。利用此公式識別實際結(jié)果與計劃之間的差異，這些差異可以涉及進(jìn)度滯后、成本超支、材料浪費等方面。接著，分析偏差的根本原因，確定導(dǎo)致偏差的具體因素。考慮BIM模型可以包含多個方面的數(shù)據(jù)，可以對各個專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行更詳細(xì)的根本原因分析。基于根本原因的分析，制定糾正措施，以調(diào)整項目計劃或?qū)嵤┢渌倪M(jìn)。BIM模型可以用于模擬和評估不同的糾正措施的效果。繼而，根據(jù)實際的項目執(zhí)行情況，調(diào)整BIM模型中的信息，以反映當(dāng)前的項目狀態(tài)，包括更新建筑模型、成本模型、進(jìn)度模型等。最后，在項目的后續(xù)階段持續(xù)監(jiān)控實際數(shù)據(jù)與調(diào)整后的計劃之間的偏差。根據(jù)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行反饋，調(diào)整項目管理策略，確保項目能夠按計劃順利進(jìn)行。

通過在BIM環(huán)境中進(jìn)行偏差分析，項目管理團(tuán)隊可以更及時地發(fā)現(xiàn)問題、采取糾正措施，以確保項目在規(guī)定的時間和成本范圍內(nèi)順利完成，這有助于提高項目的整體管理效能。

3 結(jié)束語

綜上所述，BIM技術(shù)在高速公路機電工程中的應(yīng)用為提升工程質(zhì)量、降低成本以及提高效率提供了有力支持。從構(gòu)建模型、工程管理兩個方面來看，BIM技術(shù)都能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，為機電工程的穩(wěn)定性和可靠性提供強有力的保障，確保高速公路的正常運轉(zhuǎn)。數(shù)字化設(shè)計方面，BIM技術(shù)允許工程團(tuán)隊創(chuàng)建精確的三維模型，從而更好地理解和規(guī)劃機電系統(tǒng)，減少設(shè)計錯誤，優(yōu)化系統(tǒng)布局。工程管理方面，BIM技術(shù)可用于可視化功能進(jìn)行工程模擬，幫助發(fā)現(xiàn)潛在問題并優(yōu)化施工方案，減少設(shè)計變更。此外，BIM還能夠進(jìn)行偏差分析，將BIM中的實際數(shù)據(jù)與預(yù)期計劃數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步優(yōu)化施工方案。總體而言，BIM技術(shù)在高速公路機電工程中的應(yīng)用將數(shù)字化和智能化引入工程領(lǐng)域，為提高工程質(zhì)量、降低成本和提高效率創(chuàng)造了良好的條件。隨著科技的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用前景將更加廣泛，為建筑行業(yè)帶來更多創(chuàng)新和便利。

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收稿日期：2023-11-23

作者簡介：何佳珈（1991—），女，本科，工程師，研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù)。