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(fā)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(xié)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(jù)模塊化施工組織設計模擬與優(yōu)化高速公路工程項目施工進度、施工成本、質(zhì)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(huán)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(fā)生用工荒現(xiàn)象。為了解決公路建設行業(yè)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(xù)發(fā)展，我國大力推廣裝配式建筑，推動公路建設數(shù)字化、信息化與工業(yè)化發(fā)展進程，提倡模塊化設計施工。

模塊化設計施工就是根據(jù)模塊化原理，綜合考慮各模塊單位的功能及各專業(yè)設計施工的協(xié)同性，兼顧技術性、經(jīng)濟性、穩(wěn)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(xiàn)澆相結(jié)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(xiàn)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(chuàng)新性高、效率質(zhì)量高、低碳環(huán)保和節(jié)省設計施工成本等優(yōu)勢。BIM技術能夠?qū)崿F(xiàn)設計與施工可視化、共享工程項目設計施工信息、協(xié)調(diào)設計施工相關單位間的沖突等優(yōu)勢[3-5]。BIM技術在實際應用中通過三維可視化模型呈現(xiàn)各類建筑信息，方便設計與施工人員對建筑產(chǎn)品與建設過程進行模擬、分析、調(diào)整和控制等，有助于提高建筑合理劃分設計與施工模塊、優(yōu)化設計方案與施工方案、提高建筑產(chǎn)品建設質(zhì)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(lián)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(yè)化發(fā)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(tǒng)高速公路工程項目設計施工方法及其局限性

傳統(tǒng)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(jié)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(yè)之間的協(xié)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(yōu)化難度大，經(jīng)常出現(xiàn)專業(yè)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(jīng)驗影響大，施工組織與協(xié)同管理難度大，施工進度、質(zhì)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(yōu)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(xiàn)工程項目設計階段和施工階段工程信息共享，協(xié)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(yè)設計間的溝通與協(xié)同，實現(xiàn)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(zhì)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(jīng)濟性，能夠充分利用裝配式構(gòu)件，減少施工現(xiàn)場現(xiàn)澆構(gòu)件，增強環(huán)保效益，降低外界環(huán)境的影響，提高施工效率和質(zhì)量，真正實現(xiàn)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(yè)主需求與高速公路工程項目功能，按照設計規(guī)范標準要求開展工程項目方案設計

為了提升業(yè)主的滿意度，高速公路工程項目建設結(jié)果需要最大程度上滿足業(yè)主的需求，但是不同的業(yè)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(yè)主的需求，分析高速公路工程項目需要實現(xiàn)的功能。在此基礎上，協(xié)同勘察與設計單位按照設計規(guī)范標準要求開展工程項目方案設計，為業(yè)主提供可用于項目審批的設計成果。

2.2 明確設計總?cè)蝿眨x擇合適的BIM信息化平臺，按專業(yè)分解并分配具體設計任務

根據(jù)高速公路工程項目審批通過的方案設計文件，結(jié)合勘察報告與現(xiàn)場復核實際情況，進一步明確工程項目設計總?cè)蝿眨帉懝こ添椖吭O計任務書，按專業(yè)將工程項目劃分為多個獨立的模塊，讓各專業(yè)設計工程師明確具體地設計任務模塊，要求各專業(yè)工程師根據(jù)具體的設計模塊，分析該模塊需要實現(xiàn)的功能，設計并優(yōu)化具體設計方案，而設計總工程師則需要根據(jù)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(yè)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(jié)果的通用性與可整合性，為進一步深化設計與優(yōu)化奠定基礎。

2.3 整合各專業(yè)BIM設計模型，利用BIM軟件開展各專業(yè)設計成果三維碰撞檢查與優(yōu)化

各專業(yè)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(nèi)加載運行，形成一個包含各專業(yè)設計成果的BIM模型，然后進行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)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(yōu)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(xié)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(jié)果優(yōu)化設計模塊，確保建筑結(jié)構(gòu)體、構(gòu)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(zhì)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(jié)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(zhì)條件、工程環(huán)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(jié)點，提出施工過程中需要重點關注的環(huán)節(jié)，確保設計成果能夠順利的實現(xiàn)。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(guī)設計的不同之處，提出施工階段需要關注的重點環(huán)節(jié)、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(jù)各設計模塊提出的工程項目設計施工關鍵節(jié)點，編寫工程項目設計施工關鍵節(jié)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(jié)構(gòu)、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(gòu)件運輸、模塊吊裝、現(xiàn)場施工管理等產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)、工藝和運輸?shù)忍卣鳎凑展δ堋⒔Y(jié)構(gòu)、工藝和運輸?shù)葮藴蕜澐譃樽钚〉哪K，在此過程中還需要按照以下標準記錄各模塊之間的聯(lián)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(jù)各最小模塊之間聯(lián)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(jié)構(gòu)矩陣表示最小模塊與模塊之間的聯(lián)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(jù)施工工藝、預制構(gòu)件裝配運輸、施工現(xiàn)場條件等限制條件，結(jié)合技術可行性和經(jīng)濟性原則優(yōu)化調(diào)整模塊單元，最終形成工程項目模塊單位，為預制構(gòu)件和現(xiàn)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(yōu)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(jù)初次模擬結(jié)果，針對可能存在的優(yōu)化部分，經(jīng)專家討論后，優(yōu)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(yōu)化部分，直到形成最優(yōu)的模塊化施工方案為止。

2.8 根據(jù)優(yōu)化后的模塊化施工方案，協(xié)同相關單位編制并優(yōu)化施工進度計劃、施工成本計劃、模塊構(gòu)件預制計劃、質(zhì)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(yōu)化調(diào)整后，施工單位就可以協(xié)同建設單位、預制加工單位、運輸單位等單位，根據(jù)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(yōu)化施工進度計劃、施工成本計劃和模塊構(gòu)件預制計劃，建立優(yōu)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(jù)施工現(xiàn)場布置情況、施工分包情況及物資供應情況，編制質(zhì)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(xiàn)工程信息與施工模塊單元有機結(jié)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(shù)量，根據(jù)施工進度與現(xiàn)場倉儲能力編制模塊構(gòu)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(jù)施工方案、質(zhì)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(shù)量，結(jié)合施工進度計劃與現(xiàn)場倉儲能力編制模塊構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)場，施工現(xiàn)場材料管理人員需要嚴格按照BIM模型檢查材料的種類、數(shù)量、型號等，保證施工材料的質(zhì)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(zhì)量、安全與工期的情況下，按照資源最優(yōu)配置、施工成本最低與施工現(xiàn)場實際情況優(yōu)化模塊化施工全過程

經(jīng)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(jù)優(yōu)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(gòu)件運輸計劃、物資采購計劃、質(zhì)量控制方案、安全管理方案與合同管理方案等內(nèi)容，模擬現(xiàn)行施工進度計劃下的物資采購、模塊預制、預制構(gòu)件運輸、物資采購、質(zhì)量控制、安全管理和合同管理的具體執(zhí)行情況，邀請工程項目建設領域相關的專家按照資源最優(yōu)配置、施工成本最低與施工現(xiàn)場實際情況對該方案下的模塊化施工管理全過程提出優(yōu)化建議，并根據(jù)專家的建議優(yōu)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(chǎn)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(xù)優(yōu)化模塊化施工過程

根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，合理布置施工現(xiàn)場，利用優(yōu)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)。

3 結(jié)束語

勞動力短缺與降低碳排放的雙重壓力下，建筑業(yè)推行數(shù)字化、信息化與工業(yè)化勢在必行。模塊化設計施工是實現(xiàn)高速公路工程項目工業(yè)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(lián)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(jié)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(xiàn)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(yè)碳排放量，促進建筑業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

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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。