BIM协同设计与施工管理应用研究

龙波

（广西交通设计集团有限公司，南宁 530029 ）

【摘要】推动公路建设手段的升级革新是发展现代公路交通的必要途径，BIM技术作为一种全新的理念，是工程建设领域的第二次革命。Bentley系统作为著名的BIM软件平台，在公路、桥梁等基础设施方面具有一整套的完整解决方案，是最符合土木工程行业建设习惯的软件平台之一。本文基于Bentley平台通过在公路项目的项目初期的方案设计、深化设计及施工阶段进行BIM协同设计与施工管理应用研究，通过利用BIM技术的综合优势逐一解决公路项目中存在的工程难点问题，形成了前期应用、协同设计和施工管理的一套全过程应用流程和方法，对于提升技术公路工程项目设计、施工建设水平具有重要的意义。

【关键词】BIM；全要素对象；协同设计；施工管理

【中图分类号】TU17  【文献标识码】A    【文章编号】

0 引言

随着经济的发展和时代的进步，公路交通作为交通运输系统的重要组成部分，是我国国民经济的命脉，对经济的发展起着重要的推动重要作用。推动公路建设手段的升级革新是发展现代公路交通的要途径。

BIM技术以建筑物的各项信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息^[1]。BIM 作为一种全新的理念，涉及到一个工程项目全生命期，从规划、设计、理论到施工维护技术一系列的创新，也包括管理的变革，BIM 的应用是工程建设领域的第二次的革命。BIM技术在民用建筑领域应用的较为广泛，但是针对于交通领域，BIM技术的应用依旧远远落后于建筑领域。

本文以BIM设计施工一体化融合应用为指导理念，研究BIM技术在公路项目建设过程中的应用。

1 公路工程建设项目特点与难点

与其他工程项目相比公路建设项目有着自己的特点与难点：

（1）项目跨区域大，综合管理协调困难。项目规模通常较大，距离长，涉及较多的地区敏感点和众多地方管理部门。在方案阶段需要考虑的自然环境与地方人文控制因素众多，从而给方案拟定与比选带来了较大的困难。

（2）项目沿线地质和地貌环境复杂。

（3）征地拆迁量大，项目沿线常常穿越多个规划区及与地方道路、铁路的交叉，沟通协调难度大。

（4）控制性工程技术条件复杂。公路工程项目中通常包含技术复杂的特大型桥梁及特长隧道。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

针对公路工程项目建设的特点，通过应用无人机倾斜摄影测量、交通组织仿真分析等技术，并结合BIM模型的可视化、三维方案快速设计与调整、设计优化、动态碰撞检查等优点，逐一解决公路工程项目中存在的规模和空间距离大、征地拆迁量大、沿线地质地理环境复杂等难点问题。

2.2 BIM实施方案与标准

利用BIM技术进行模型创建时，宜根据公路工程建设项目各阶段的应用需求采用不同模型精度标准，避免陷入“过度建模”的误区。随着项目建设过程信息积累和逐步深化的角度，从宏观到微观、从近似到精确的创建。减少不必要的细节技能减轻设计师的工作量，同时也能提高软件的运行速度。遵循这一原则，在项目各阶段可分别采用不同的精度进行模型的创建和交付。

首先，在公路工程项目的方案设计阶段可采用Bentley的OpenRoads ConceptStation作为基础平台，并通过利用无人机倾斜摄影技术生成三维实景模型重构项目工程环境，同时结合PowerCivil、SketchUp等软件建立起的模型精度为LOD100的道路、桥梁、隧道、服务区等构筑物BIM模型，形成公路工程项目的三维大场景展示，实现项目前期阶段的快速概念设计。通过利用BIM技术直观地对前期多方案比选进行把控，实现方案的快速调整，同时提高设计效率及准确性。

然后，根据高速公路不同要素的复杂程度及重要性，在项目方案设计的基础上，勘察设计阶段采用LOD200～LOD300的模型精度分别进行详细的BIM设计。该阶段主要是采用Bentley的MicroStation、PowerCivil、ProStructures等专业软件进行详细设计，实现对复杂节点的三维精细化设计、常规桥梁的参数化设计、钢结构的二维出图等。

设计完成后，通过将重要控制节点的隧道、桥梁等设计BIM模型分别采用LOD300～LOD400的模型精度进行施工阶段的深化设计，并根据EBS编码进行分解，应用到施工过程管理阶段。

2.3 软硬件环境

结合不同BIM软件平台的优势及公路工程建设的特点进行综合考虑，在公路项目中采用符合土木工程行业习惯特点的Bentley的软件进行BIM技术应用更为合适，如图2所示。在方案设计阶段，通过利用OpenRoads ConceptStation、PowerCivil、ContextCapture等软件实现道路、建筑、桥梁等模型的快速设计。在深化设计阶段，利用Bentley平台的一系列专业软件，如OpenBridge Modeler、ProStructures、OpenRoads Designer等，对道路桥进行详细设计。此外，在施工建设阶段可自主研发基于BIM的施工项目管理系统。硬件方面则需配备多台大内存和高性能图形显卡的工作站、专用储存设备以及航拍使用的无人机等。

3 BIM在公路工程设计和施工中的综合应用

3.1场地勘测应用

近些年来，倾斜摄影技术在工程领域的应用越来越广泛。倾斜设计测量技术是利用飞行平台搭载多个传感器，分别从垂直、倾斜等角度获取地面同一地物的不同影像^[2]。然后再通过专业的软件对影像数据进行处理，从而对地面场景进行重构。在项目的勘察阶段，可通过采用无人机对高速公路沿线进行航拍，获取高分辨率正摄影像，并通过ContextCapture软件生成三维实景模型，如图3所示，作为公路项目BIM设计的基础。在创建三维实景模型的同时还可以快速地创建三维地形曲面，能够解决传统测绘采样点不足的问题，同时减少测绘成本。

图3 三维实景模型

 

此外，对重要的控制节点及复杂地质路段建立起三维地质模型，通过利用三维地质模型对桥梁基础、隧道结构进行设计，如图4所示。同时还可以通过对高边坡建立三维网格模型，并将其导入到有限元分析软件中进行结构受力分析以及边坡变形分析，为设计提供准确、全面的基础资料。

图4 基于三维地质的特大型桥梁设计

3.2 方案设计应用

以往在前期阶段由于工程项目的基础资料缺乏和二维图纸表达手段的局限性，经常造成设计方案不能满足需求、方案调整不及时以及与业主之间沟通不畅的局面。因此，可通过利用基于BIM技术和三维实景模型构建的工程项目三维大场景进行快速的方案设计，通过可视化模型，向决策者传达不同方案设计意图，便于直观地进行方案比选。同时，基于BIM技术的参数化建模功能，可以实现对方案的快速调整与优化。此外，通过BIM模型与三维实景模型结合，如图5所示，为项目的选线、优化，耕地的占用和建筑物的征拆提供科学的依据。

图5 基于三维实景的方案评估

3.3 详细设计应用

在深化设计阶段，基于前期阶段的成果可利用BIM技术对项目进行详细设计。可通过建立起道路横断面模板快速建立起道路、高大边坡，实现多级边坡并自动分类统计工程量。对于常规桥梁，建立了上部与下部结构参数化族库，可通过调整不同的参数来适应不同的跨径和桥位情况，从而提高设计效率。

对于公路项目中技术复杂的特大型桥梁，可利用MicroStation、ProStructures建立精细化设计BIM模型，解决传统二维图纸对复杂异型结构表达不清的问题。同时可利用三维参数化模型单元将以往用参数化表格形式表达的斜拉桥索塔钢锚梁、斜拉索锚拉板、锚具等结构进行实体化，如图6所示，通过BIM技术的三维可视化优势可以直观地检查参数是否正确，确定索塔钢锚梁、斜拉索锚拉板等构件尺寸、空间位置关系是否存在矛盾及冲突情况，减少或避免施工过程中产生的设计变更。

图6 参数化钢结构BIM模型

通过利用Bentley的专业钢结构软件Prosteel可对特大型桥梁的钢混组合梁进行详细的BIM设计。通过利用软件的自动算量、详图功能实现快速统计钢结构的工程量和二维出图。此外，钢混组合梁BIM模型建成之后，通过数据导出还可以进行三维数值模拟，实时查看组合梁的受力模型，指导设计与施工，如图7所示。

图7 钢混组合梁数值模拟

高速公路服务区作为交通形象的窗口，展示某地区高速公路建设水平的高低，其重要作用不亚于高速公路其他任何一个组成部分。高速公路服务区景观规划和设计必须强调与周边生态、自然、人文、经济环境的相互协调^[3]。在高速公路项目中，通过BIM技术的运用，对服务区的场地布置、总体方案进行优化设计，并基于服务区BIM模型进行云渲染，分析不同时段建筑物的光照强度，以达到服务区与周边自然环境和谐统一的目的。

图8服务区BIM模型渲染

3.4 基于BIM的施工全过程管理应用

 

基于BIM的设计成果，针对复杂结构，如特大型桥梁、隧道、服务区等，可实现三维可视化技术交底，使施工人员更好的理解设计意图，确保施工质量，减少不必要的返工。

图9 隧道详细BIM模型

研发基于BIM的项目施工管理系统，如图10所示，将BIM技术与施工过程进行系统性结合，可对公路工程项目进行精细化管理。在数字资料管理方面，可实现技术文档、设计图纸、技术方案等材料与BIM模型的关联，便于施工人员查找相关资料，实现施工全过程的资料记录、查询和追溯。在工序控制方面，在施工过程中，通过将工序控制要点与BIM模型进行关联，实现具体工程部位卡控过程留痕，保障责任落实到个人，从而实时在施工源头开始控制工程质量。在安全质量管理方面，通过手机终端将现场的质量、安全问题以图片、视频、文字等数据信息形式利用云技术与BIM模型相关联，并推送给相关责任人进行整改，并以标签图片的形式在BIM模型端展现实际的现场处理情况，协助管理人员对质量、安全问题进行直观管理，实现工程项目的安全、质量问题过程留痕。在进度管理方面，我们通过将项目进度计划与BIM模型关联，可对项目进行施工进度预演，能够辅助计划的合理编制和复核 。

图10 基于BIM的项目施工管理系统

4应用效果

 

在公路工程项目中通过BIM技术、三维实景及GIS的联合应用，可实现高速公路长距离的大场景展示以及项目设计方案的快速展示及优化，解决了高速公路因规模范围大、沿线地质地理复杂等条件造成的项目难点问题。利用BIM模型的快速调整能力及三维实景真实重构项目环境的优势，对项目的枢纽节点进行设计优化，解决项目征地拆迁大、协调沟通困难等问题，如广西荔玉高速中的平南西互通。根据项目的需求，方案设计阶段分别提出了半定向变形苜蓿叶互通和全苜蓿叶互通两个对比方案，如图11所示。通过利用无人机测量，获取真实的项目环境信息，利用BIM软件分别建立起项目周边的高清正摄影像和三维实景模型，并利用BIM模型的三维可视化优点进行不同方案的多维比较分析。最终结合征地、拆迁和流量分析等因素综合考虑，选择用地和拆迁最少的半定向变形苜蓿叶互通方案，即方案一。

图11互通方案比选

对于公路工程中的特大型桥梁，由于技术复杂，涉及的施工工艺繁多而且复杂，危险系数高、施工难度大。传统的施工方案及技术交底方式存在着较大的局限性，施工人员对工艺的控制要点、危险源等存在盲区，稍不注意就会发生重大的安全事故，造成工期的延误及生命财产的损失。平南相思洲大桥为广西在建最大跨径斜拉桥，主跨450m，桥梁全长1668米，在该项目中通过利用无人机倾斜摄影技术生成施工现场的三维实景模型，通过在三维实景真实重构的现场施工环境中对特大型桥梁的施工工艺进行三维动态仿真模拟，并考虑各种不利的因素，对施工方案进行前置分析并进行优化，解决特大型桥梁施工难度大、危险系数高等问题，如图12所示。同时通过利用BIM模型的可视化优势，对现场施工人员进行多维度的技术交底，加速各方对施工工艺的理解，规避不必要的风险，提高施工质量和效率。

图12平南相思洲大桥主桥施工BIM模型

通过在公路工程项目的勘察设计、施工等阶段利用BIM技术开展设计优化、可视化分析、协同设计、施工管理等研究，逐一解决公路项目中存在的难点问题，实现BIM技术在公路项目设计施工中的一体化应用，提升公路项目设计和施工建设水平。

5应用特点与总结

5.1应用特点

（1）BIM与GIS结合实现大场景方案策划和场地分析

 

通过采用无人机航拍和三维实景建模相结合，如图13所示，建立实景模型并集成到核心BIM平台来进行分析研究，为公路项目的方案设计和场地布置提供科学的依据。

图13公路项目大场景方案策划和场地分析

（2）跨平台与终端的多源数据融合和共享

基于同一个云数据库，以BIM模型为基础，用轻量化数据方式关联工程结构数据、构件对象属性参数、施工组织计划、施工现场的进度员、设计文档、施工日志、检查记录、施工工法属性等多源数据信息，实现多源数据的融合和共享。基于先进成熟的数据架构方式，通过多个终端管理平台直接对BIM模型关联的所有属性进行管理、检索、修改，并进行文档的版本控制。通过对这些结构化数据和非结构化数据的汇总，进行统一的管理，并提供人性化、易于上手的信息查询方式，提高施工管理能力。

图14跨平台和终端的多源数据融合共享应用

（3）设计施工一体化融合应用

 

设计阶段可将BIM三维设计成果转换成二维图纸。同时，根据项目EBS编码将设计BIM模型按照施工习惯拆分并上传到施工管理平台数据库中，将设计成果有效地向施工阶段传递，实现设计施工之间数据的高效转换。从设计源头规划BIM总体应用，基于“一个数据源、一个模型”进行工程项目的BIM实施应用，避免以往项目单个阶段或者局部BIM技术实施的局限性。

图15设计施工数据传递

（4）基于BIM的施工信息化管理

利用Bentley平台的开放性，基于MicroStation定制开发项目电子沙盘系统，并通过编码关联赋予工程属性，进行三维工程内容管理；通过ContextCapture生成3D Tiles实景模型，并结合开发的Web GIS实现轻量化网页实景和模型信息浏览和共享，实现项目多参与方的BIM 5D施工管理。

5.2 总结

本文通过在公路工程项目初期的方案设计、深化设计及施工阶段开展BIM协同设计与施工管理应用研究，解决了公路工程项目中存在的规模和空间距离大、征地拆迁量大、沿线地质地理环境复杂等难点问题，形成了前期应用、协同设计和施工管理的一套全过程应用流程和方法。

通过BIM技术在公路项目的成功应用，对于提升的公路项目设计、施工建设水平具有重要的作用，同时为后续实现公路数字化资产管理和养护决策奠定基础。

参考文献

[1]黄强.论BIM[M].北京：中国建筑工业出版社,2016

[2]肖雄武.基于特征不变的倾斜影像匹配算法研究与应用[D].西安：西安科技大学，2014

[3]苏清华，马建荣.高速公路服务区景观规划及改造对策研究[J].公路交通科技（应用技术版），2016（07）：244-246