BIM技術(shù)應(yīng)用于高速公路機電工程的技術(shù)方案研究

摘要 BIM技術(shù)應(yīng)用于高速公路機電工程，將提高機電工程施工的智慧化管理水平，對施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本的管理起到積極促進(jìn)作用。文章研究了高速公路機電工程的BIM建模方式、信息的編碼及存儲、子模型的劃分等，分析如何基于BIM技術(shù)開發(fā)高速公路機電工程施工智慧管理平臺，探討了工程建設(shè)數(shù)字化管控平臺和數(shù)字化交付的實現(xiàn)方案，提出整體的系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；機電工程；智慧管理平臺；系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號 U417文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B文章編號 2096-8949（2024）02-0105-03

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model-ing），是一種包含多個維度的建筑信息的集成管理技術(shù)，它匯總了建筑工程項目各個方面的海量數(shù)字信息，使信息能夠在項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維各階段被充分地傳遞及運用，為建設(shè)項目信息化提供廣闊的發(fā)展空間。通過BIM軟件把工程項目的所有信息進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)并集成到數(shù)據(jù)庫模型中，建立信息的有機聯(lián)系，方便了在工程各階段對工程信息的查詢、使用、修改和傳遞。由于在工程各個階段，各參建主體使用信息的目的和方式各有不同，從而各參建主體對一個工程項目可能創(chuàng)建出不同的BIM模型。按照工程階段的不同，可以將BIM模型分為：規(guī)劃階段BIM模型、設(shè)計階段BIM模型、施工階段BIM模型、運維階段BIM模型。

當(dāng)前，我國交通運輸行業(yè)正在加快交通強國建設(shè)，大力建設(shè)智慧高速基礎(chǔ)設(shè)施。BIM技術(shù)在我國高速公路行業(yè)中的深入應(yīng)用，將促進(jìn)高速公路工程項目在設(shè)計、施工、運維各階段協(xié)調(diào)發(fā)展，加速推動高速公路行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展[1-4]。交通運輸部于2021年2月26日發(fā)布了三個公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)：《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）《公路工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2421—2021）《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2422—2021）。這三個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定了高速公路基礎(chǔ)設(shè)施模型架構(gòu)、模型編碼、數(shù)據(jù)格式等問題，規(guī)范了BIM模型在高速公路工程全生命周期應(yīng)用的技術(shù)要求，對推動高速公路工程BIM技術(shù)的良性發(fā)展、提高高速公路工程整個項目生命周期的數(shù)字化水平、實現(xiàn)下一步的高速公路工程數(shù)字化交付具有重要意義。

1 信息的編碼和存儲

《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）中規(guī)定，公路工程信息模型的信息按照成果、過程、資源、屬性和其他方面進(jìn)行分類，如表1所示。這個分類方法參照了《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51269—2017）。公路工程的主要成果包括路基、路面、橋梁、隧道、交通工程及沿線設(shè)施等，統(tǒng)稱為設(shè)施，這些主要設(shè)施構(gòu)成了一級類；交通工程及沿線設(shè)施又由交通安全設(shè)施、管理設(shè)施、服務(wù)設(shè)施3個子設(shè)施組成，這些子設(shè)施構(gòu)成二級類。其中，機電工程主要關(guān)注的管理設(shè)施主要包括監(jiān)控設(shè)施、收費設(shè)施、通信設(shè)施、供配電設(shè)施、照明設(shè)施等，這些管理設(shè)施稱為構(gòu)件，這些構(gòu)件構(gòu)成了三級類，例如，收費設(shè)施構(gòu)件的編碼為18-07.02.03.00。進(jìn)一步細(xì)分，收費設(shè)施構(gòu)件又可以劃分為收費亭、收費島、欄桿、費額顯示器、ETC門架系統(tǒng)等構(gòu)件，例如，收費亭構(gòu)件的編碼為18-07.02.03.01。公路工程信息模型的信息根據(jù)這樣的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，就能整合規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維階段的各種詳細(xì)的海量信息，包括設(shè)施、構(gòu)件、建設(shè)過程、專業(yè)信息、工具信息、材料信息、專業(yè)屬性、地質(zhì)地形信息等，實現(xiàn)了工程海量信息的分類索引，便于信息的標(biāo)準(zhǔn)化處理和快速傳遞。

公路工程信息模型的信息按照《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范》（GB/T25507—2010）的規(guī)定，使用類對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級封裝并存儲。工業(yè)基礎(chǔ)類即IFC標(biāo)準(zhǔn)（Industry Foundation Class），是1994年由國際協(xié)同工作聯(lián)盟（即IAI，現(xiàn)已更名為buildingSMART）制定的，是一個公開的建筑信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，被業(yè)界廣泛采用[2]。該文以收費設(shè)施構(gòu)件里面的ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件為例，簡要介紹構(gòu)件的類封裝方法。ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件使用IfcBuildingElementProxy類進(jìn)行封裝，該構(gòu)件的幾何表達(dá)在IfcProductDefinitionShape、IfcLocalPlacement中進(jìn)行定義，也可以使用超類IfcBuildingElement中的表達(dá)類型，可以允許使用多種方式進(jìn)行幾何表達(dá)。ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件的局部坐標(biāo)使用超類IfcProduct中的IfcLocalPlacement來進(jìn)行定義。

2 施工各階段的子模型

根據(jù)我國公路工程行業(yè)的特點，《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）中將公路工程項目全生命周期階段劃分為設(shè)計、施工、運維階段，其中施工階段涉及施工準(zhǔn)備、施工過程、交工驗收三個子階段。針對高速公路機電工程而言，施工階段信息模型可以繼承使用設(shè)計階段交付的信息模型，也可以通過二維設(shè)計圖紙創(chuàng)建。

施工深化模型是在施工準(zhǔn)備階段，通過對設(shè)計階段交付模型的繼承、擴展和補充，進(jìn)行深化設(shè)計和施工組織意圖表達(dá)的子模型。其模型精細(xì)度不低于L3.5，用于滿足施工準(zhǔn)備階段對施工場地進(jìn)行布置、對施工工藝進(jìn)行模擬、對施工方案進(jìn)行優(yōu)化、對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行交底等活動的需要。施工過程模型是在施工過程中產(chǎn)生的，分為施工組織信息模型、安全信息模型、質(zhì)量信息模型、進(jìn)度信息模型、成本信息模型等子模型。其模型精細(xì)度不低于L4.0，運用在施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理和計量支付管理等方面。交工驗收模型是在交工驗收階段，對施工過程模型進(jìn)行增加、篩選或細(xì)化合并后，同時增加質(zhì)量驗收等過程信息，滿足交工驗收要求形成的子模型。其模型精細(xì)度不低于L5.0，用于滿足交工驗收等應(yīng)用需要。公路工程項目全生命周期各階段模型的精細(xì)度要求如表2所示。

3 基于BIM技術(shù)的高速公路機電工程施工智慧管理平臺

以某高速公路的機電工程施工智慧管理平臺為例（見圖1），BIM可視化模型是基礎(chǔ)，它集成了機電工程各項設(shè)施、子設(shè)施、構(gòu)件的幾何表達(dá)和屬性信息，可以通過3D可視化技術(shù)和加載GIS地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）把高速公路機電工程的施工場景高度還原出來，形成一個可視化的GIS+BIM虛擬施工場景，讓機電工程的各級管理者對施工現(xiàn)場的施工組織、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等信息有直觀的感受。例如ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件，當(dāng)它的屬性信息中的安裝屬性是“抵達(dá)現(xiàn)場”時，施工場景里將出現(xiàn)灰色透明的ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件圖像；當(dāng)它的安裝屬性是“安裝調(diào)試完成”時，施工場景里它的圖像就變成彩色高亮顯示，并能夠調(diào)取門架設(shè)備實時輸出的數(shù)據(jù)如ETC卡號、車牌號、通過時間、車輛圖像等運維信息[5]。智慧管理平臺還能對管道敷設(shè)、基礎(chǔ)制作、設(shè)備安裝等進(jìn)度進(jìn)行匯總統(tǒng)計，在3D場景里動態(tài)展示出來或者輸出各種統(tǒng)計圖表，全方位地反映施工的進(jìn)度信息，并能對即將到達(dá)截止時間仍未完成的分項工程進(jìn)行預(yù)警，提醒各級管理者及時進(jìn)行進(jìn)度控制，提前調(diào)整施工組織，保證各項工程按期完工。

技術(shù)交底是機電工程施工中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)技術(shù)交底過程的可視化。例如，可以在BIM可視化模型中計重設(shè)備構(gòu)件的屬性信息里存儲計重設(shè)備基礎(chǔ)制作的標(biāo)準(zhǔn)施工過程動畫視頻，包括基坑開挖、接地極制作、鋼筋鋪設(shè)綁扎、底板混凝土澆筑、墩柱支模、墩柱澆筑、混凝土養(yǎng)生的動畫視頻。對計重設(shè)備施工進(jìn)行技術(shù)交底時，可以向生產(chǎn)主管人員、作業(yè)班組播放標(biāo)準(zhǔn)施工過程動畫視頻，讓作業(yè)人員直觀地理解掌握標(biāo)準(zhǔn)施工過程，科學(xué)進(jìn)行施工，從而保證分項工程的施工質(zhì)量[6]。

當(dāng)前，云南省公路行業(yè)竣工文件的編制和交付遵循《云南省公路工程竣工文件編制及立卷歸檔實用范本（2013版）》的規(guī)定，需要整理和移交的文件包括：竣工圖表、工程管理文件、工程質(zhì)量文件、材料及標(biāo)準(zhǔn)實驗資料、工程質(zhì)量檢驗評定資料、施工原始記錄，以及施工進(jìn)度、安全、環(huán)保、水保、合同管理文件等。引入BIM模型后，上述資料的部分或全部信息可以以數(shù)據(jù)記錄或數(shù)據(jù)文件的形式存儲在BIM數(shù)據(jù)庫中。向業(yè)主交付時，可以移交BIM全套模型及數(shù)據(jù)庫，從而完成竣工文件和過程資料的數(shù)字化交付[7]。

4 機電工程施工智慧管理平臺的功能層級和系統(tǒng)架構(gòu)

機電工程施工智慧管理平臺的數(shù)字化功能層級如圖2所示，其數(shù)字化水平是在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中逐層推進(jìn)，逐步完善的。

首先，利用BIM參數(shù)化設(shè)備建庫工具，把機電工程各項構(gòu)件（包括基礎(chǔ)、設(shè)備、材料）建成矢量化的3D材料庫，包含基本外形、尺寸參數(shù)、安裝屬性等。其次，通過BIM建模工具、可視化引擎和GIS信息系統(tǒng)，打造一個三維的虛擬機電工程施工可視化環(huán)境。隨后，在工程建設(shè)數(shù)字化管控平臺上建立施工深化模型、施工過程模型等子模型，進(jìn)一步實現(xiàn)施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理和計量支付管理等功能。BIM模型的特點是信息集中、直觀可視，可以進(jìn)行構(gòu)件碰撞檢查[8]，也可以進(jìn)行施工組織過程預(yù)覽。最后，機電工程施工智慧管理平臺數(shù)字化水平的最高層次就是數(shù)字化交付。交工驗收BIM模型（精細(xì)度L5.0）囊括了機電工程各項設(shè)施、子設(shè)施、構(gòu)件的地理坐標(biāo)、屬性信息、安裝調(diào)試信息、施工過程信息、質(zhì)量檢驗評定信息等，可視化模塊可以將上述信息用數(shù)字地圖基礎(chǔ)上的虛擬三維場景直觀展示出來。數(shù)字化交付也對接收方即運維單位的信息化水平提出了較高的要求。

機電工程施工智慧管理平臺的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，應(yīng)根據(jù)項目的功能需求和數(shù)字化層級水平，選擇適合的系統(tǒng)架構(gòu)，以達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源、提高系統(tǒng)運行速度的目的。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在高速公路機電工程施工階段的應(yīng)用，為機電工程的智慧化建設(shè)打造了全新的發(fā)展領(lǐng)域，為機電工程實現(xiàn)智慧化管理、數(shù)字孿生和數(shù)字化交付提供了更多的技術(shù)手段。當(dāng)然，BIM技術(shù)的應(yīng)用方法和應(yīng)用領(lǐng)域還有待行業(yè)同仁的進(jìn)一步探索。隨著BIM技術(shù)和其他新技術(shù)的不斷融合發(fā)展，高速公路機電工程的智慧化建設(shè)水平將不斷邁向更高的層次。

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收稿日期：2023-11-20

作者簡介：呂剛（1975—），男，碩士，工程師，研究方向：公路交通工程。