饒登宇 王哲世 趙斌

(1.廣州市高速公路有限公司；2.中化學交通建設集團有限公司)

1.研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提升，在城市建成區(qū)開展高速公路建設，往往面臨既有道路保通要求高、油電水氣通訊等各類管線交織、遷改周期較長、施工環(huán)境保護要求高等制約因素，尤其在已建成的高速公路互通樞紐上進行新建樞紐互通工程，更面臨涉路施工安全風險高、施工工作面不足等突出問題，給項目實現(xiàn)可控的成本、進度和安全管理帶來了巨大風險和挑戰(zhàn)，亟需通過數(shù)字化、信息化等手段，全面提升項目建設智慧化管理水平。

建筑信息模型（簡稱“BIM”）是一種應用于工程設計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具。通過建立工程數(shù)字化三維模型，并為該數(shù)字模型賦予全面的、完整的建筑工程信息庫，可提升參建各方信息協(xié)同共享能力，促進建設生產效率的提高。BIM 技術所具備的三維可視化、參數(shù)化建模、可模擬分析性和協(xié)同化設計等特點，對指導復雜結構、立體交叉施工工點、施工空間受限條件下的工程建設具有突出優(yōu)勢。通過數(shù)字化模型分析推演，便于從項目建設全局角度掌握制約項目進展的關鍵節(jié)點信息，從而系統(tǒng)性打通復雜互通立交施工中面臨的條件鏈條。

地理信息系統(tǒng)（簡稱“GIS”）是以采集、儲存、管理、描述和分析地球表面與空間、地理分布有關數(shù)據(jù)的綜合計算機信息系統(tǒng)[1]。通過無人機傾斜攝影技術，可生成指定區(qū)域的實景三維模型，為GIS 平臺提供數(shù)據(jù)支撐。BIM 信息數(shù)據(jù)結合GIS 平臺應用，可以將GIS 平臺的管理對象向更微觀具象的尺度延拓，改善GIS 模型在目標對象精確化描述中的不足，同時GIS 信息為BIM 模型提供了仿真環(huán)境場景，可提升BIM 模型在空間定位和決策預測等方面的功能[2]。

在復雜互通立交建設中，綜合運用“BIM+GIS+無人機傾斜攝影”模型建立電子智慧沙盤，可實時掌握新建橋涵結構物與周邊既有建筑物、地下管線等設施的位置關系，進一步復核設計方案與現(xiàn)場實際情況的一致性，從而有助于精細化施工方案編制，同時可充分利用既有互通立交中有限的作業(yè)空間，做好施工場地空間規(guī)劃和各施工工序銜接，最大限度減少新建及改造工程對周邊基礎設施正常運行的影響。此外，通過“BIM+GIS+物聯(lián)網”等綜合應用，可提高項目智慧化管理水平，助力高速公路“數(shù)字孿生”應用目標，為工程建設提質增效，同時降低工程安全事故風險，具有良好的經濟社會效益。

2.公路建設領域BIM 技術應用發(fā)展現(xiàn)狀

國外對BIM 技術的研究起步較早，歐美國家已經形成了相對成熟的BIM 理論研究和技術應用標準體系，主要集中在民用建筑領域。國內相關研究應用起步較晚，但在行業(yè)主管部門的大力推動下發(fā)展迅速，結合國外的應用經驗，建筑行業(yè)已取得較為豐碩的BIM 理論研究及工程應用成果。而在道路工程行業(yè)，BIM 技術理論相關研究還有待進一步發(fā)展，BIM 應用方面基本還處于任務級工程建設應用階段，但隨著設計、施工手段的不斷更新和工程建設環(huán)境的日趨復雜，我國發(fā)展BIM 且實現(xiàn)交通基礎設施領域中的信息化轉型已成為必然趨勢。[3]

2017 年以來，交通運輸部先后發(fā)布了《推進公路水運工程BIM 技術應用的指導意見》《開展公路BIM 技術應用示范工程建設的通知》等系列文件，進一步推動BIM 技術在公路工程領域的飛速發(fā)展，在全國各地的公路建設項目中得到了廣泛的應用探索[4]。蔣浩鵬[3]構建了BIM 橋梁、匝道設計及施工管理標準化技術路線，為三維橋梁模型的建立提供了理論基礎，并詳細介紹了針對互通立交橋梁的建模方式，進一步拓展了Revit 軟件平臺“族”庫，研究了BIM模型數(shù)據(jù)交換編碼方式。董耀文[5]等以樂清灣大橋為依托，在橋梁的建設過程中，結合BIM 參數(shù)化建模的特點，討論了參數(shù)化設計與BIM 的關系，完善了現(xiàn)有的橋梁模型數(shù)據(jù)庫，大大減少了工作量。王麗園[6]等以河北省京港澳高速公路京石段改擴建工程為依托，詳細介紹了在勘察設計階段采用機載激光三維測量獲取地表信息，并進行BIM 可視化應用的實例。何恒林[7]針對某互通立交項目，利用BIM 技術在設計階段對互通式立交技術指標進行優(yōu)化，使項目設計深度達到預期效果。馬文安[8]等針對樞紐互通立交施工探討B(tài)IM 技術在設計圖紙的碰撞檢查及工程量統(tǒng)計、施工工藝的施工仿真及模型渲染、仿真漫游及電子沙盤等方面的應用，取得了較好的應用效果，同時建立工程協(xié)同管理平臺，促進工程信息化建設。

為貫徹落實黨中央、國務院關于數(shù)字中國、交通強國、新一代信息技術的總體決策部署，廣東省交通運輸廳編制了《關于支持BIM 關鍵核心技術研究與推廣應用的行動方案》，為BIM 技術在廣東省交通運輸行業(yè)的推廣運用創(chuàng)造了積極的政策條件。目前總體上看，公路建設領域BIM 技術運用與建筑行業(yè)相比仍然存在運用不充分、發(fā)展不成熟的問題，BIM 技術發(fā)展與公路建設需求不匹配、不協(xié)調，制約了BIM 技術在公路等線性工程中的運用，主要原因有以下幾個方面：

（1）單次建?！靶詢r比”低。

現(xiàn)有的BIM 技術大多針對建筑工程設計，因其具有較集中的主體，容易做到標準化，而高速公路等線性工程，一條道路往往上百公里長，沿途路況復雜多變，與周圍管線、其他既有構筑物等因素相互影響，BIM 模型與建設環(huán)境的交互性較強，故標準化程度低，模型重復概率小，故高速公路項目單次建模成本較高。

（2）全生命周期的理念尚未實現(xiàn)。

目前公路行業(yè)BIM 應用的主要任務大多停留在模型展示的層面，與BIM 技術的全生命周期使用的核心理念偏差較大。

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，建筑業(yè)作為國民經濟的支柱產業(yè)之一也得到了長足發(fā)展。與此同時，鋼材產量和消耗量也直線攀升。2005年，我國鋼筋總產量為5 800萬t，2012年鋼筋產量達到1.75億t，7年間增長近3倍。巨大的資源消耗和長期以來形成的粗放式的經濟發(fā)展模式，使得我國的資源供給難以支持，環(huán)境難以承受，發(fā)展難以持續(xù)。因此，鋼鐵工業(yè)的轉型升級和建筑業(yè)發(fā)展模式的轉變勢在必行。

（3）BIM 技術的應用需求及標準不明確。

公路工程在空間上呈帶狀分布、點多線長的特點，并且包含專業(yè)較多，相關軟件眾多，模型格式多樣，需BIM技術管理人員結合自身軟件應用習慣，投入較大“試錯”成本，摸索一套適應當前項目的系列軟件。

（4）BIM 系列軟件對電腦硬件要求較高。

雖可通過模型輕量化的操作后，從網頁端、手機端瀏覽，但犧牲了“可編輯”的屬性，僅作為展示使用，導致其實用性大打折扣。

（5）BIM 應用專業(yè)技術人員不足。

在公路工程施工一線培養(yǎng)一批既熟悉現(xiàn)場工程技術、同時熟悉BIM 技術相關知識的專業(yè)技術人員隊伍，關系到BIM 技術的高效應用與長期發(fā)展[10]。現(xiàn)階段，施工企業(yè)中具備BIM 相關技能的現(xiàn)場技術人員不足，或者是部分單位成立專業(yè)的BIM 技術部門，但相關人員現(xiàn)場施工技術水平較弱，無法將BIM 技術與現(xiàn)場施工進行無縫的銜接。

3.應用實例

圖1 增天高速金田隆互通平面圖

廣州增城至佛山高速公路（增城至天河段）工程（以下簡稱“增天高速”）金田隆互通立交位于現(xiàn)京港澳高速與廣河高速的八斗樞紐互通之上，為增天高速的控制性工程。除主線上跨八斗互通外，需新增4 條定向匝道與廣河高速連接，并預留京港澳高速改擴建接入條件，構成典型的多岔交叉互通式立體交叉。互通區(qū)新建橋梁需20 次上跨廣河高速主線及匝道，3 次上跨京港澳高速主線，5 次上跨S116 省道，1 次上跨廣石鐵路隧道，與在建的京港澳高速改擴建線路有7 處交叉，5 處橋梁與廣河高速橋梁拼寬，10 處匝道路基與廣河高速路基拼寬，4 處利用廣河高速公路既有涵洞接長，5 處跨線蓋梁上跨廣河高速八斗立交既有匝道，7 處廣河高速既有護坡拆除，設保通匝道2 處。跨線結構形式主要有鋼箱梁、鋼蓋梁、鋼混組合梁、混凝土現(xiàn)澆梁和預制混凝土箱梁等。此外，互通主線與4 條220KV 高壓線近距離并線，互通內與高壓燃氣管道、10kV 供電線、市政管網等交叉。總體建設環(huán)境復雜，施工安全風險較高，施工組織實施難度大。

4.應用亮點

4.1 快速建模插件應用

通過應用施工單位技術中心自主研發(fā)的快速建模插件，實現(xiàn)參數(shù)化建模，將BIM 模型打造成可編輯、可更新的BIM“活?！?，充分發(fā)揮了“一次建模、多次應用”的優(yōu)勢，降低了模型創(chuàng)建的學習成本，有效克服了公路BIM 技術應用中存在的建模自動化程度不高、本地化工作不完善、承載體量有限等問題。針對公路工程中涉及的道路、橋隧及附屬工程等構筑物，通過提取工程圖紙等數(shù)據(jù)來源形成固定的參數(shù)輸入格式，導入插件后可自動識別空間曲線坐標生成三維空間曲線，并自動運算完成樁基、墩柱、承臺、蓋梁、箱梁和路面及附屬結構等建模。創(chuàng)建完畢后，可批量進行BIM模型構建編碼，實現(xiàn)一鍵生成和編碼模型掛接。通過自動創(chuàng)建和批量化操作，減少了大量重復性工作，大大節(jié)約了人力成本，提高了模型創(chuàng)建的工作效率，有效提高BIM 單次建?！靶詢r比”。

4.2 設計圖紙復核

通過錄入圖紙?zhí)峁?shù)據(jù)進行批量布置、建模，再比對施工圖紙，可直觀發(fā)現(xiàn)如結構標高沖突、坐標偏差、設計參數(shù)矛盾等問題，還可通過evit 軟件查詢各結構的體積及鋼筋數(shù)量，進一步對工程數(shù)量進行復核，有效排除圖紙的差、錯、漏、碰問題，及時將發(fā)現(xiàn)的問題納入圖紙會審問題庫進行上報修正，減少后續(xù)施工變更，避免成本浪費。針對重點部位還可建立細化至鋼筋尺度的三維模型，進行鋼筋碰撞檢查，減少設計沖突，避免影響施工進度及工程質量。

4.3 施工便道規(guī)劃設計

對于位于傍山陡坡及溝谷段的橋梁下部結構，施工便道施工將對地表進行挖填作業(yè)，改變原地表形態(tài)，易導致原設計橋梁下部結構出現(xiàn)空樁、偏壓墩的情況，影響結構安全。為解決上述問題，項目運用無人機航測技術，先將整標段的地形進行掃描，建立工程紅線及周邊區(qū)域的BIM+GIS 三維實景模型，再結合現(xiàn)場實地踏勘測量，核對地形、地質、水文等現(xiàn)場條件，合理規(guī)劃設計施工便道，最大化的保護現(xiàn)有地形地貌，減少大填大挖。規(guī)劃中以提高用地紅線利用率為原則，綜合考慮既有村道和工程紅線的位置關系，充分考慮臨時便道與主體工程之間的沖突和分階段實施需求，合理設計施工便道的橫縱曲線，在方便施工同時減少生態(tài)環(huán)境破壞。

4.4 輔助現(xiàn)場遷改調查

圖2 設計圖紙復核

圖3 施工便道規(guī)劃設計

BIM+GIS 模型可以為現(xiàn)場開展管線遷改、樹木調查、構筑物拆遷等工作提供指導?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)導入數(shù)字化BIM 模型后與圖紙數(shù)據(jù)進行核對，可快速發(fā)現(xiàn)模型與實際地形結構物的沖突問題，為下一步開展方案調整或征拆協(xié)調工作提供充分的依據(jù)和充足的時間。管線遷改工作因涉及管線種類較多且地下管線隱蔽性強，僅通過傳統(tǒng)的二維施工圖難以直觀了解管線在地下空間的分布位置及排布形式，而通過BIM 技術可在施工進場前根據(jù)既有管網數(shù)據(jù)和權屬人的反饋情況制作三維信息化模型，便于及時了解地下管網的空間分布狀態(tài)。

4.5 施工場地規(guī)劃

通過BIM 與GIS 相結合，對工程施工場地進行數(shù)據(jù)建模，便于在前期施工策劃階段，了解場地的使用條件和特點，從而充分利用互通圈內有限的施工空間，進行合理的場地功能規(guī)劃，為施工總體部署決策提供依據(jù)。根據(jù)城市綠化管理相關文件最新要求，涉及建設用地的城市樹木遷移事項需辦理樹木保護專章審批手續(xù)，由于相關手續(xù)辦理流程較長，為合理組織施工，通過BIM 模型與現(xiàn)場傾斜模型融合后，可結合場地中樹木分布位置優(yōu)化現(xiàn)場設備布置，最大限度滿足現(xiàn)場施工要求。

4.6 涉路施工組織

圖4 現(xiàn)場遷改調查

由于沿線跨越多處高速公路，車流量大，在測量條件受限的情況下，通過無人機傾斜攝影可獲取結構的空間坐標，結合GIS 平臺和BIM 模型可快速準確、多角度查看各部位的細部構造，實時查詢構件的空間關系，了解工程永久及臨時措施對周邊環(huán)境的影響，為施工方案的選擇、施工組織的優(yōu)化提供依據(jù)。此外，通過BIM 模型模擬交通導改設計中各階段的施工界面及施工內容，可直觀反映交通導改措施對現(xiàn)行交通通行的影響，應用BIM 技術呈現(xiàn)施工步序，可用于指導現(xiàn)場施工技術交底。

圖5 施工場地規(guī)劃應用

圖6 智慧工地管理平臺

4.7 智慧工地管理平臺

通過“BIM+GIS+IoT（物聯(lián)網）”等技術綜合應用，建立基于BIM 模型的智慧指揮平臺，并將造價、進度、質量、安全、視頻等信息集成到一體化平臺首頁，形成項目門戶，并結合無人機巡航、AR 技術交底應用等不斷完善其功能，實現(xiàn)對各生產要素的智能監(jiān)控、對現(xiàn)場施工資源的可視化管理，建立參建各方協(xié)同聯(lián)動、風險綜合管控的工作機制。

5.結語

面對約束因素多、邊界條件復雜的施工環(huán)境，城區(qū)高速公路復雜互通立交的施工組織管理能充分發(fā)揮BIM 技術優(yōu)勢，在開展便道規(guī)劃設計、圖紙復核、現(xiàn)場調查及結構碰撞檢查、管線遷改調查、施工場地規(guī)劃、施組及方案優(yōu)化等方面具有顯著應用價值，可為類似建設環(huán)境的高速公路項目管理提供參考。

（1）運用基于Revit 平臺的快速建模插件，實現(xiàn)公路BIM 模型參數(shù)化創(chuàng)建和批量化操作，可減少創(chuàng)建過程中的操作錯誤、重復工作和修正成本，大大提高模型創(chuàng)建的工作效率，有效克服BIM 在線性工程應用中的瓶頸，降低BIM建模學習門檻。

（2）采用三維GIS、無人機傾斜攝影建模與BIM 模型融合的方式制作智慧沙盤，實現(xiàn)對工程結構、周邊環(huán)境及施工管理內容的三維可視化表達，最大限度地幫助參建各方理解設計意圖，優(yōu)化資源配置、施工組織管理、保證質量標準等，更好地推動工程項目建設。

（3）結合物聯(lián)網等應用，建立基于BIM 模型的智慧指揮平臺，加強對各生產要素的實時智能監(jiān)控和管理，拓展BIM 模型在公路工程現(xiàn)場監(jiān)控、進度管理、技術交底、工程計量等方面的運用，助力實現(xiàn)高速公路建設“數(shù)字孿生”應用目標。