劉可欣， 徐旻， 李旭， 劉鳳陽(yáng)， 常瑞淇

(東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189)

高速公路瀝青路面的施工環(huán)節(jié)主要包括施工技術(shù)與施工管理兩大模塊，合格的技術(shù)，嚴(yán)密的組織，科學(xué)的監(jiān)管，精心的施工是高速公路施工質(zhì)量的重要保障。然而傳統(tǒng)的施工及管理面臨著施工技術(shù)復(fù)雜，建設(shè)周期長(zhǎng)，過(guò)程不可逆，信息管理滯后，專業(yè)協(xié)調(diào)困難，智能化程度低，不確定因素多，施工安全管理難度大等多種問(wèn)題。

BIM(Building Information Modeling)通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所有的真實(shí)信息，及其相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師、建筑師、工程師、管理者乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”。BIM可以解決由于設(shè)計(jì)沖突、施工方案臨時(shí)變更、施工危險(xiǎn)不可預(yù)見性等諸多問(wèn)題，并進(jìn)行多方溝通、分析，在施工前期即可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效益方案的制定，并有效地規(guī)避各種風(fēng)險(xiǎn)與不利條件。通過(guò)“設(shè)計(jì)—檢測(cè)—設(shè)計(jì)”的循環(huán)過(guò)程，消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)缺陷，減少施工的返工成本[1]。近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑工程、土木橋梁工程領(lǐng)域的研究得到了飛速發(fā)展。湯易之[2]在BIM技術(shù)應(yīng)用于“智慧工地”的研究中提出，BIM模型可以為建筑模型提供一種客觀、動(dòng)態(tài)的虛擬視角，而且可以賦予模型所有的物理屬性、參數(shù)，包括材料、幾何關(guān)系等；張文勝[3]等開發(fā)了基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大批量橋梁BIM三維微觀模型與3D GIS宏觀場(chǎng)景的集成；包勝[4]等結(jié)合Navisworks軟件與云平臺(tái)創(chuàng)建了施工安全問(wèn)題信息整合平臺(tái)，可以整理建筑工程中的施工安全問(wèn)題；翟博文[5]等基于BIM實(shí)現(xiàn)了施工成本管理的優(yōu)化和施工成本業(yè)務(wù)流程優(yōu)化等。

由上可以看出：BIM技術(shù)在土木及建筑行業(yè)已得到了蓬勃發(fā)展，并成為其向智能化領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的重要媒介[6-7]。然而作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)動(dòng)脈的道路工程，BIM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用依然處于起步階段，特別是將BIM技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面智能化施工方向的成熟研究依然較為匱乏。基于此，該文面向高速公路施工階段重點(diǎn)開展基于BIM的瀝青路面施工技術(shù)模擬研究。

1 三維基礎(chǔ)模型開發(fā)

在BIM軟件Revit的應(yīng)用過(guò)程中，族是核心元素，族庫(kù)積累是BIM設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)[8]。MárciaGodinho[9]等基于Revit實(shí)現(xiàn)了擁有多種異構(gòu)模塊的葡萄牙辛特拉國(guó)家宮殿的模型開發(fā)。該文在Autodesk Revit 2018軟件中進(jìn)行基礎(chǔ)模型和地形的開發(fā)創(chuàng)建，分別保存為族文件，在Revit項(xiàng)目文件中進(jìn)行合理放置后，后續(xù)將導(dǎo)入Navisworks中進(jìn)行施工進(jìn)度、施工動(dòng)畫模擬以及參數(shù)集成等研究工作。模型開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 BIM模型設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

1.1 Revit基礎(chǔ)模型開發(fā)

瀝青路面施工模擬中涉及到的基礎(chǔ)模型有施工路段、施工車輛、施工設(shè)備、施工人員等。對(duì)于較常規(guī)的基礎(chǔ)模型如廠房等，可以從商業(yè)族庫(kù)中直接下載，省去建模時(shí)間，提高工作效率。但是，BIM技術(shù)目前多應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，故軟件自帶族庫(kù)主要為建筑構(gòu)件，可直接用于道路施工的族不多，對(duì)于部分族需自行開發(fā)創(chuàng)建。因此，該文基于Revit平臺(tái)，利用其創(chuàng)建和形狀等核心功能，進(jìn)行了瀝青路面施工模擬中所涉及的基礎(chǔ)模型的開發(fā)與創(chuàng)建。在自定義族時(shí)，首先在項(xiàng)目瀏覽器中選擇合適的視圖，然后根據(jù)需要建立若干參考平面，最后利用“創(chuàng)建”選項(xiàng)卡，“形狀”功能中的“拉伸”、“放樣”等命令進(jìn)行基礎(chǔ)形狀單元的創(chuàng)建和拼接，進(jìn)而完成一個(gè)基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建。使用Revit創(chuàng)建的模型是一種信息模型，在完成形狀創(chuàng)建的同時(shí)可以賦予模型材質(zhì)、尺寸信息等屬性，方便后續(xù)管理與查看。部分自行創(chuàng)建及導(dǎo)入的族如圖2所示。

圖2 部分自行創(chuàng)建及導(dǎo)入的族

1.2 Dynamo創(chuàng)建三維地形模型

相較傳統(tǒng)的二維CAD地形圖，三維地模能更加直觀地顯示出整個(gè)地形地貌的空間形狀，提高設(shè)計(jì)效率[10]。在實(shí)際工程中應(yīng)收集施工場(chǎng)地周邊地理信息及相關(guān)建(構(gòu))筑物信息，建立基于模型的高程坐標(biāo)體系，后續(xù)將在其中進(jìn)行施工場(chǎng)地的布置。因地形具有不規(guī)則的特點(diǎn)，無(wú)法用上述創(chuàng)建基礎(chǔ)模型的方式直接創(chuàng)建。

該文采用Revit中的可視化編程插件Dynamo實(shí)現(xiàn)地形的參數(shù)化開發(fā)創(chuàng)建。首先，將地形點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值X、Y、Z進(jìn)行拆分和數(shù)據(jù)存檔；其次，通過(guò)Dynamo進(jìn)行坐標(biāo)值數(shù)據(jù)獲取，并創(chuàng)建代表地形點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)列，進(jìn)而將3個(gè)坐標(biāo)形成一個(gè)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建三維點(diǎn)陣，并將三維點(diǎn)陣與Revit中生成地形的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接以完成地形模型的初步創(chuàng)建；在此基礎(chǔ)上，在Revit中，通過(guò)放置或更改地形點(diǎn)修改地形，以達(dá)到最佳的效果。開發(fā)創(chuàng)建的地形模型示例如圖3所示。

圖3 地形模型

1.3 Revit模型導(dǎo)入Navisworks

Navisworks是一款工具軟件，在BIM工作流中處于核心地位，它可以將Revit模型進(jìn)行輕量化展示，以便進(jìn)行模型的深化應(yīng)用。該文在Revit平臺(tái)創(chuàng)建模型的基礎(chǔ)上，下一步需借助Navisworks平臺(tái)進(jìn)一步開發(fā)施工模擬等功能。首先，將創(chuàng)建的模型根據(jù)工程實(shí)際在Revit中集成布置；其次，導(dǎo)出為與Navisworks平臺(tái)相容的格式文件；在此基礎(chǔ)上，在同一Navisworks項(xiàng)目文件中打開一個(gè)或多個(gè)模型文件完成模型的導(dǎo)入與集成。Revit模型導(dǎo)入Navisworks并進(jìn)行集成的示例如圖4所示。

圖4 在Revit中建好的三維模型及在Navisworks中合并布設(shè)效果

2 施工模擬動(dòng)畫開發(fā)

施工模擬是目前4D BIM的主要應(yīng)用，它利用事件及其嵌套將施工任務(wù)分解為多個(gè)部分，時(shí)間維度通常適用于建筑物的特定組件[11]。應(yīng)用BIM技術(shù)可以進(jìn)行4D模擬，通過(guò)立體的展示使工作人員更簡(jiǎn)明地了解施工的具體步驟及操作流程[12]。Navisworks中的Animator工具有移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放圖元?jiǎng)赢嫷墓δ?，也可以通過(guò)添加腳本的方式對(duì)選中的圖元進(jìn)行動(dòng)畫配置。導(dǎo)入預(yù)先設(shè)定好的場(chǎng)景文件，進(jìn)行動(dòng)畫集的編輯，通過(guò)捕捉幀，設(shè)定好圖元所需的時(shí)間，再配合漫游選項(xiàng)，設(shè)計(jì)虛擬人物，能夠更加真實(shí)地反映實(shí)際施工場(chǎng)景各個(gè)圖元的動(dòng)畫展現(xiàn)[13]。創(chuàng)建施工模擬動(dòng)畫的技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建施工模擬動(dòng)畫流程圖

2.1 施工現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建

施工現(xiàn)場(chǎng)布置大多十分復(fù)雜，既有設(shè)施、材料布置和機(jī)動(dòng)設(shè)備多種多樣。施工場(chǎng)地模型可以幫助設(shè)計(jì)者識(shí)別潛在問(wèn)題，最大限度地提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)率和安全性[13]。目前，4D BIM主要用于對(duì)規(guī)劃的施工過(guò)程進(jìn)行可視化[14]。在項(xiàng)目初始階段，可借助BIM技術(shù)直接建立三維場(chǎng)地模型，管理人員審定時(shí)可以將修改意見直接在模型中進(jìn)行修改；也可以借助Navisworks的場(chǎng)地漫游技術(shù)，使管理人員對(duì)建成后的效果有更為直觀的感受；同時(shí)施工技術(shù)人員能夠?qū)?chǎng)地模型與施工進(jìn)度進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控。

如圖6所示，將前述創(chuàng)建的不同基礎(chǔ)模型在同一Revit項(xiàng)目文件中進(jìn)行集成布置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工場(chǎng)地布置效果的模擬。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)可通過(guò)對(duì)車輛調(diào)配等的模擬進(jìn)行靈活調(diào)整，以得到適合于不同地形和工況的最佳布置方案。

圖6 施工場(chǎng)地模擬布置效果圖

2.2 施工模擬動(dòng)畫開發(fā)

Navisworks功能允許在3D BIM模型和相應(yīng)的日程活動(dòng)之間創(chuàng)建自動(dòng)鏈接，從而促進(jìn)4D模型的創(chuàng)建[15]。該文以相關(guān)研究中的熱壓式瀝青混凝土路面施工為例進(jìn)行施工模擬動(dòng)畫開發(fā)研究，熱壓式瀝青混凝土路面施工可以分解成兩個(gè)階段：第一階段為嵌入層的攤鋪與初碾壓；第二階段為瀝青預(yù)拌碎石的撒布和復(fù)碾壓及終碾壓[16]。復(fù)雜的施工方案通過(guò)三維模型的呈現(xiàn)，更加通俗易懂，技術(shù)管理者和施工人員可快速有效地掌握各項(xiàng)施工工序。該文通過(guò)對(duì)車輛調(diào)配和瀝青路面施工的動(dòng)畫模擬，可以提前直觀發(fā)現(xiàn)施工場(chǎng)地布置與工序安排中存在的問(wèn)題，方便及時(shí)做出調(diào)整。

采用Navisworks中的關(guān)鍵幀法實(shí)現(xiàn)施工模擬動(dòng)畫開發(fā)。首先將模型根據(jù)動(dòng)畫展示需要進(jìn)行分類和集合創(chuàng)建；其次，根據(jù)動(dòng)畫展示效果選擇不同的動(dòng)畫類型，并分別設(shè)置起始幀和其他關(guān)鍵幀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)如攤鋪機(jī)的移動(dòng)、路面層攤鋪的動(dòng)畫；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵幀的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳動(dòng)畫效果。瀝青路面攤鋪和碾壓動(dòng)畫創(chuàng)建的核心步驟如下：

(1) 攤鋪機(jī)移動(dòng)。在Navisworks中打開通過(guò)Revit建立的模型，針對(duì)各層路面以及各種車輛建立集合。通過(guò)集合選中“攤鋪機(jī)”并添加平移動(dòng)畫集，將“攤鋪機(jī)”移動(dòng)至起始位置捕捉關(guān)鍵幀，完成動(dòng)畫的起始幀設(shè)置。然后將時(shí)間軸選中至結(jié)束時(shí)間，用“平移”功能將攤鋪機(jī)移動(dòng)至終點(diǎn)位置，并再次捕捉關(guān)鍵幀，完成攤鋪機(jī)的移動(dòng)動(dòng)畫創(chuàng)建。

(2) 路面攤鋪。此處僅以最底層為例，其他路面層以此類推。用上述方法建立路面層的動(dòng)畫集，基于縮放動(dòng)畫集功能將路面層縮小至零并捕捉關(guān)鍵幀，然后把時(shí)間選中至攤鋪機(jī)的終點(diǎn)時(shí)間，并將路面拉伸至原長(zhǎng)，再次捕捉關(guān)鍵幀。為了創(chuàng)建與攤鋪機(jī)同步運(yùn)行的動(dòng)畫，需對(duì)起始關(guān)鍵幀進(jìn)行編輯和修改。

(3) 壓路機(jī)移動(dòng)。借鑒路面攤鋪的開發(fā)步驟同樣可以完成壓路機(jī)移動(dòng)模擬動(dòng)畫的創(chuàng)建。

該文創(chuàng)建的瀝青路面攤鋪和碾壓的施工動(dòng)畫示例如圖7所示。

圖7 關(guān)鍵幀法制作施工動(dòng)畫

2.3 施工關(guān)鍵參數(shù)提取和應(yīng)用

熱壓式瀝青混凝土路面施工工藝特殊，以壓實(shí)度、攤鋪溫度等作為施工關(guān)鍵控制參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)施工的監(jiān)督和后續(xù)管理都十分重要。通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以在施工時(shí)將重要信息及時(shí)提取并通過(guò)模型“特性”賦予到關(guān)聯(lián)的模型上，體現(xiàn)了BIM模型作為信息模型的信息集成優(yōu)勢(shì)。

添加施工參數(shù)在Navisworks項(xiàng)目環(huán)境下運(yùn)行，以給面層模型添加“終壓參數(shù)—壓實(shí)度”為例，主要步驟包括：激活一小塊面層模型；在“特性”中創(chuàng)建“終壓參數(shù)”；通過(guò)添加浮點(diǎn)類型的新特性“壓實(shí)度”并編輯其特征值，完成壓實(shí)度參數(shù)的創(chuàng)建與編輯。該研究創(chuàng)建的面層模型的關(guān)鍵參數(shù)示例如圖8所示。

圖8 在模型特性中添加關(guān)鍵參數(shù)

在創(chuàng)建參數(shù)特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)壓實(shí)度不足的關(guān)鍵質(zhì)量缺陷可以進(jìn)一步基于Navisworks開發(fā)創(chuàng)建自動(dòng)篩選與搜索方法，并實(shí)現(xiàn)其可視化。方便管養(yǎng)階段對(duì)壓實(shí)度偏低的路段提前做好防護(hù)準(zhǔn)備，可有效降低路面因壓實(shí)度偏低而發(fā)生局部破壞的情況。圖9為該文開發(fā)的壓實(shí)度小于99%的路段的可視化搜索集示例，其核心步驟包括：建立“壓實(shí)度≤99%”的搜索條件；在“場(chǎng)景視圖”和“選擇樹”中自動(dòng)篩選并高亮顯示滿足條件的所有路段；在集合中將搜索結(jié)果自動(dòng)保存為搜索集“壓實(shí)度偏低路段”。

圖9 搜索壓實(shí)度小于99%的路段

3 結(jié)論

研究了BIM技術(shù)在瀝青路面施工中的應(yīng)用，發(fā)揮其智能化與信息化作用，顯示了BIM技術(shù)在道路工程中應(yīng)用的優(yōu)越性和巨大潛力，主要結(jié)論如下：

(1) 基于Revit開發(fā)建立了三維地質(zhì)模型，施工場(chǎng)景基本設(shè)施模型，為施工階段動(dòng)畫的模擬提供必要的基礎(chǔ)模型。

(2) 基于Navisworks實(shí)現(xiàn)了瀝青路面施工動(dòng)畫開發(fā)，充分展示施工動(dòng)態(tài)過(guò)程和施工細(xì)節(jié)；對(duì)模型添加了壓實(shí)度等質(zhì)量參數(shù)特性，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)集成，便于后期質(zhì)量管理；開發(fā)建立了質(zhì)量缺陷自動(dòng)化搜索與可視化展示方法，輔助病害防治。

(3) 基于BIM技術(shù)進(jìn)行了瀝青路面的可視化施工模擬，增強(qiáng)了施工過(guò)程的可視化，可交互性，同步性。各參與方可以在同一個(gè)平臺(tái)、同一個(gè)構(gòu)思里面討論問(wèn)題，方便以最快速度獲取最優(yōu)的施工預(yù)選方案，以達(dá)到節(jié)約時(shí)間，控制成本的目的。