基于BIM的高速公路工程項目模塊化設計與施工方法研究

摘 要：針對我國勞動力資源短缺與發展綠色建筑存在阻礙問題，該文基于BIM信息化平臺共享高速公路工程項目設計施工信息，采用BIM技術與模塊化技術協同設計施工相關單位劃分工程項目任務模塊，建立BIM模塊化設計模型和BIM模塊化施工模型。在此基礎上，根據模塊化施工組織設計模擬與優化高速公路工程項目施工進度、施工成本、質量控制和安全管理等模塊化施工管理全過程，從而達到提高施工效率、縮短施工周期、降低施工成本和減少碳排放量的目的。

關鍵詞：高速公路；BIM；模塊化；設計；施工

中圖分類號：TU17 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0157-04

Abstract： In view of the shortage of labor resources and the obstacles to the development of green buildings in China， this paper shares the design and construction information of expressway projects based on BIM information platform， uses BIM technology and modular technology to divide project task modules with relevant units of design and construction， and establishes BIM modular design model and BIM modular construction model. On this basis， according to the modular construction organization design， the whole process of modular construction management such as construction progress， construction cost， quality control and safety management of expressway project is simulated and optimized， in order to achieve the purpose of improving construction efficiency， shortening construction cycle， reducing construction cost and reducing carbon emissions.

Keywords： highway; BIM; modularization; design; construction

由于高速公路建設過程復雜、參與單位眾多、受地理環境影響大，我國高速公路建設過程中仍需要眾多勞動力，建設成本一直居高不下。與此同時，我國人口老年化問題日益嚴重，勞動力資源短缺，時常發生用工荒現象。為了解決公路建設行業勞動人員短缺問題，降低公路建設成本，促進公路綠色可持續發展，我國大力推廣裝配式建筑，推動公路建設數字化、信息化與工業化發展進程，提倡模塊化設計施工。

模塊化設計施工就是根據模塊化原理，綜合考慮各模塊單位的功能及各專業設計施工的協同性，兼顧技術性、經濟性、穩定性等指標，將工程項目分解成不同的模塊單元，采用裝配與現澆相結合的方式完成工程建設任務，從而提高設計施工的標準化和信息化，實現設計與施工過程模塊化管理，達到提高施工效率，縮短建設周期，降低碳排放與建設成本的目的[1-2]。模塊化設計施工具有創新性高、效率質量高、低碳環保和節省設計施工成本等優勢。BIM技術能夠實現設計與施工可視化、共享工程項目設計施工信息、協調設計施工相關單位間的沖突等優勢[3-5]。BIM技術在實際應用中通過三維可視化模型呈現各類建筑信息，方便設計與施工人員對建筑產品與建設過程進行模擬、分析、調整和控制等，有助于提高建筑合理劃分設計與施工模塊、優化設計方案與施工方案、提高建筑產品建設質量、降低建設周期與成本等[6]。基于BIM技術研究高速公路工程項目模塊化設計施工不僅能夠增強設計過程與施工過程的聯系，解決設計與施工配合度不高的問題，還能提升設計施工過程的集約化程度，促進高速公路工程項目設計施工模塊化與工業化發展[7]。

1 基于BIM的高速公路工程項目模塊化設計施工方法

1.1 傳統高速公路工程項目設計施工方法及其局限性

傳統高速公路建設的設計階段采用二維平面設計圖獨立設計表達設計結果，最終匯總在一起形成高速公路設計成果，該方法對設計工程師的空間想象力要求高，受可視化影響大，各個專業之間的協同性較差，不能及時有效地綜合表達設計相關信息，對整體設計成果進一步分析與優化難度大，經常出現專業設計沖突或設計失誤，而施工階段則是按照施工組織設計組織施工建設，受施工管理人員工作經驗影響大，施工組織與協同管理難度大，施工進度、質量、成本等目標控制得不到有效保障[8]。

1.2 基于BIM的高速公路工程項目模塊化設計施工方法及其優點

基于BIM的高速公路工程項目模塊化設計施工方法是以BIM信息化平臺為媒介，組建BIM模塊化設計團隊與BIM模塊化施工團隊，實現工程項目設計階段和施工階段工程信息共享，協同各參與單位完成工程項目模塊化設計施工任務，如圖1所示。模塊化設計施工方法一方面能有效地降低對設計人員想象力的要求，增強各個專業設計間的溝通與協同，實現設計成果三維模型可視化，降低設計沖突與失誤的概率，提高工程設計效率與成果的可靠性，提高設計質量，另一方面從整體利益對施工過程進行分工與集成，提升施工管理的層次性、科學性與經濟性，能夠充分利用裝配式構件，減少施工現場現澆構件，增強環保效益，降低外界環境的影響，提高施工效率和質量，真正實現價值最大化和浪費最小化目標[9-10]。

2 基于BIM的高速公路工程項目模塊化設計施工具體流程

2.1 了解業主需求與高速公路工程項目功能，按照設計規范標準要求開展工程項目方案設計

為了提升業主的滿意度，高速公路工程項目建設結果需要最大程度上滿足業主的需求，但是不同的業主對高速公路建設的需求不同，因此，高速公路工程項目設計前期需要充分了解業主的需求，分析高速公路工程項目需要實現的功能。在此基礎上，協同勘察與設計單位按照設計規范標準要求開展工程項目方案設計，為業主提供可用于項目審批的設計成果。

2.2 明確設計總任務，選擇合適的BIM信息化平臺，按專業分解并分配具體設計任務

根據高速公路工程項目審批通過的方案設計文件，結合勘察報告與現場復核實際情況，進一步明確工程項目設計總任務，編寫工程項目設計任務書，按專業將工程項目劃分為多個獨立的模塊，讓各專業設計工程師明確具體地設計任務模塊，要求各專業工程師根據具體的設計模塊，分析該模塊需要實現的功能，設計并優化具體設計方案，而設計總工程師則需要根據設計單位設計習慣與BIM模型交付標準，選擇合適的BIM信息化平臺，讓各專業工程師采用相同的基準坐標、比例尺、模型精度標準及存在公共接口的BIM軟件開展高速公路工程項目模塊化設計，確保設計結果的通用性與可整合性，為進一步深化設計與優化奠定基礎。

2.3 整合各專業BIM設計模型，利用BIM軟件開展各專業設計成果三維碰撞檢查與優化

各專業工程師按照共同標準設計的BIM模型上傳到BIM信息化平臺，由總設計工程師在同一個BIM軟件內加載運行，形成一個包含各專業設計成果的BIM模型，然后進行碰撞檢查，提前發現各模塊之間可能存在的幾何尺寸或位置沖突等問題，將碰撞檢查報告報送各模塊設計人員，要求各設計人員提前了解自己負責模塊可能存在問題，思考可能存在的優化方案[11]。在此基礎上，由設計總工程師組織設計相關人員，討論協商提出模塊模型碰撞問題的解決方案，要求各模塊設計人員嚴格按照討論結果優化設計模塊，確保建筑結構體、構建位置和空間的合理，減少或避免施工階段因設計問題而導致設計變更，從而提高施工成本、工期與質量的保障力度，降低工程返工和變更風險。

2.4 明確指出工程項目設計施工關鍵節點，完成施工圖標準下的BIM設計三維模型

高速公路工程項目建設過程中受地質條件、工程環境、施工方案等因素的影響，因此，設計階段需要明確設計過程中的關鍵節點，提出施工過程中需要重點關注的環節，確保設計成果能夠順利的實現。在設計階段，各模塊設計人員需要明確說明自己負責的設計模塊采用的設計方案、設計過程中采用的材料種類及等級，指出該模塊設計與常規設計的不同之處，提出施工階段需要關注的重點環節、施工工藝及工程施工技術的重難點。總設計工程師則需要根據各設計模塊提出的工程項目設計施工關鍵節點，編寫工程項目設計施工關鍵節點說明書，為設計交付和技術交底提前做好準備，順利完成施工圖標準下的三維BIM設計模型。

2.5 分析高速公路工程項目功能、結構、工藝等特征，按照確定的模塊化原則開展BIM設計模型模塊分解

模塊化設計嚴重影響模塊化施工，模塊劃分不合理，會對后期工廠預制、模塊構件運輸、模塊吊裝、現場施工管理等產生重大的影響，因此模塊劃分是模塊化施工的重點。高速公路項目想要實現模塊化施工，首先需要組織建設方、設計方、施工方、運輸方和預制加工方等單位組成BIM模塊化施工團隊，綜合考慮設計方、施工方、建設方等各參與方的需求與模塊化施工限制條件，然后分析工程項目功能、結構、工藝和運輸等特征，按照功能、結構、工藝和運輸等標準劃分為最小的模塊，在此過程中還需要按照以下標準記錄各模塊之間的聯系，見表1。

2.6 聚類分析BIM設計模型模塊，選擇合適的閾值，聚類形成工程項目模塊單位

高速公路項目模塊化施工過程中，需要根據各最小模塊之間聯系，對最小模塊進行聚類分析，使之形成更大的模塊單位。具體是采用設計結構矩陣表示最小模塊與模塊之間的聯系，采用聚類分析方法分析模塊，選擇合適的閾值，形成聚類后的模塊。在此基礎上，根據施工工藝、預制構件裝配運輸、施工現場條件等限制條件，結合技術可行性和經濟性原則優化調整模塊單元，最終形成工程項目模塊單位，為預制構件和現場模塊施工奠定基礎。

2.7 選擇合適的模塊化施工方案，建立BIM模塊化施工模型，模擬并優化高速公路工程項目模塊化施工方案

高速公路工程項目模塊單元劃分確定后，在BIM信息化平臺上對BIM設計模型進行模塊化劃分，建立BIM模塊化施工模型，選擇合適的模塊化施工方案，搭建BIM模塊化施工模型模塊單元間的施工工藝順序，以動畫視頻的方式模擬高速公路工程項目模塊化施工過程。根據初次模擬結果，針對可能存在的優化部分，經專家討論后，優化高速公路模塊化施工方案，重新搭建BIM模塊化施工模型模塊單元間的施工工藝順序，再次模擬高速公路工程項目模塊化施工過程，進一步尋找可優化部分，直到形成最優的模塊化施工方案為止。

2.8 根據優化后的模塊化施工方案，協同相關單位編制并優化施工進度計劃、施工成本計劃、模塊構件預制計劃、質量控制方案、安全管理方案與合同管理方案

當模塊化施工方案確定后，施工單位就需要圍繞施工方案開展施工資源配置及施工管理。高速公路模塊化施工方案優化調整后，施工單位就可以協同建設單位、預制加工單位、運輸單位等單位，根據施工工程量、施工定額、施工工藝等情況，利用BIM軟件編制并優化施工進度計劃、施工成本計劃和模塊構件預制計劃，建立優化后的BIM 4D施工模型、BIM 5D施工模型和BIM模塊預制施工模型，同時根據施工現場布置情況、施工分包情況及物資供應情況，編制質量控制方案、安全管理方案與合同管理方案，然后將這些信息附著到BIM施工模型具體的施工模塊，實現工程信息與施工模塊單元有機結合，方便相關單位查看，從而保證信息傳遞的有效性和針對性，提高工程項目施工管理的效率[12]。

2.9 計算工程項目模塊化施工物資種類與數量，根據施工進度與現場倉儲能力編制模塊構件與物資采購計劃

高速公路工程項目模塊化施工過程前，需要根據施工方案、質量控制方案、安全管理方案等計算工程項目模塊化施工物資種類與數量，結合施工進度計劃與現場倉儲能力編制模塊構件與物資采購計劃。在此基礎上，將采購計劃相關信息附著在BIM模型模塊單位上，實現采購信息共享，方便相關參建單位查看物資信息。當施工物資到達施工現場，施工現場材料管理人員需要嚴格按照BIM模型檢查材料的種類、數量、型號等，保證施工材料的質量，避免因為物資采購問題導致窩工或停工，增加不必要的施工成本，延誤施工進度。

2.10 模擬高速公路工程項目施工全過程，在確保質量、安全與工期的情況下，按照資源最優配置、施工成本最低與施工現場實際情況優化模塊化施工全過程

經過上述過程建立的高速公路工程項目BIM模塊化施工模型的每個模塊都承載著模塊化施工信息，采用BIM技術根據優化后的模塊化施工方案和施工進度計劃，模擬高速公路工程項目施工進度，在此基礎上，增加施工成本計劃，模擬高速公路工程項目施工成本進度，同時還可以增加模塊預制計劃、預制構件運輸計劃、物資采購計劃、質量控制方案、安全管理方案與合同管理方案等內容，模擬現行施工進度計劃下的物資采購、模塊預制、預制構件運輸、物資采購、質量控制、安全管理和合同管理的具體執行情況，邀請工程項目建設領域相關的專家按照資源最優配置、施工成本最低與施工現場實際情況對該方案下的模塊化施工管理全過程提出優化建議，并根據專家的建議優化模塊化施工全過程[13]。最后，利用BIM信息平臺將附著各類模塊化施工相關信息的BIM模塊化施工模型共享給參與單位，使各參建單位都了解整體施工過程，明確自己在施工各階段的主要任務，掌握施工過程中的重難點。

2.11 指導高速公路工程項目施工，紀錄施工過程中產生的信息，定期對比分析實際施工情況與計劃施工情況，持續優化模塊化施工過程

根據施工現場的實際情況，合理布置施工現場，利用優化后的模塊化施工組織設計指導高速公路工程項目模塊化施工，記錄施工過程中產生的工程信息，將相關信息上傳到BIM信息化平臺，附著到具體的施工任務模塊單位，為工程項目建設管理提供及時有效可靠的施工信息，實現與各參建單位共享實際施工過程信息，方便參建單位了解實際施工情況，掌握實際施工進度、成本等情況，提高施工決策的可行性與及時性。另外，還需要定期對比分析實際施工情況與計劃施工情況，重點關注實際情況與計劃情況之間的偏差，并采取合理措施應對，保障各項施工管理目標能順利實現。

3 結束語

勞動力短缺與降低碳排放的雙重壓力下，建筑業推行數字化、信息化與工業化勢在必行。模塊化設計施工是實現高速公路工程項目工業化建設的關鍵。基于BIM的高速公路模塊化設計施工方法以BIM信息化平臺為媒介將設計階段和施工階段有機聯系起來，使設計模塊單元與施工模塊單元能夠銜接，將設計信息完整地傳遞給施工階段，有利于施工過程和設計過程進行深度的結合，逆向幫助設計單位進行設計圖紙的深化，避免設計方案在施工階段無法落地實施，減少在施工中出現設計變更或工程變更，這將有助于提高高速公路項目施工效率、縮短施工周期、降低施工成本及減少建筑業碳排放量，促進建筑業綠色可持續發展。

參考文獻：

[1] 王偉，宋雨.基于模塊化制造網絡的企業價值創造研究綜述[J].大連海事大學學報（社會科學版），2016，15（3）：52-56.

[2] 李蕾，王昊，王寧.基于BIM的模塊化設計與建造技術在建設工程中的應用現狀[J].有色設備，2023，37（4）：57-60.

[3] 張健，陶豐燁，蘇濤永.基于BIM技術的裝配式建筑集成體系研究[J].建筑科學，2018，34（1）：97-102，129.

[4] 寇園園，劉凱.基于BIM技術的裝配式建筑精細化施工管理研究[J].工程管理學報，2020，34（6）：125-130.

[5] 曹新穎，魯曉書，王鈺.基于BIM-RFID的裝配式建筑構件生產質量管理[J].土木工程與管理學報，2018，35（4）：102-106，111.

[6] 龔加有，謝洪濤，陳隨海，等.BIM與LSM技術在高速公路工程施工進度管理中的應用研究[J].項目管理技術，2019，17（8）：94-97.

[7] ZHANG J， LONG Y， LV S， et al. BIM-enabled Modular and Industrialized construction in China[J].Procedia Engineering，2016（145）：1456-1461.

[8] 王曉慶.BIM技術在建筑設計施工中的應用[J].工程抗震與加固改造，2023，45（3）：191.

[9] 王日君，張進生，葛培琪，等.模塊化設計中模塊劃分方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2008（7）：17-21.

[10] 馬國豐，江山.基于數據模型的模塊化建筑構件進度——成本協同管理研究[J].科技管理研究，2019，39（21）：178-184.

[11] 王巧雯，張加萬，牛志斌.基于建筑信息模型的建筑多專業協同設計流程分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2018，46（8）：1155-1160.

[12] 王曉剛，韓雪瑩，劉昭，等.裝配式建筑設計-生產-施工協同度評估研究[J].鐵道標準設計，2023，67（10）：208-213.

[13] 沙日娜.基于模式化管理下的道路橋梁施工設計與研究[J].

工業建筑，2021，51（11）：51.

第一作者簡介：苗建（1984-），男，高級工程師。研究方向為公路施工管理。