基于BIM技术的高速公路施工进度管理实施框架研究*

杨军红，陈宝光，陈国龙，杨 旭

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048； 2.长沙中交京纬工程技术有限公司，湖南 长沙 410000； 3.北京中交京纬公路造价技术有限公司，北京 100025)

0 引言

在追求绿色环保可持续发展的今天，高速公路的设计和建设必须有更大的竞争力才能满足市场需求[1]。因此，降低成本和缩短工期尤为重要。近年来，BIM技术打破建筑领域传统的项目管理运行模式，推动进度管理改革进程[2]。传统的项目进度管理方式依据设计图纸、工程定额等资料，结合项目管理者的经验，使用虚构的方法编制项目进度表。传统的项目进度管理主要表现在二维层面上，进度计划和模型彼此独立，无法实现一对一交互[3]。二维图纸模型表达抽象，对施工人员技术要求较高。基于BIM的三维模型可视化技术大大提高人工模型的交互性。

高速公路项目路线长、工程量大、投资大、专业范围广、周期长、对周围环境影响大、施工组织复杂。因此，高速公路建设过程中，需要先进的技术手段解决施工进度管理问题。BIM技术可对高速公路实施过程中的建设效率、数据传输精度、成本控制及项目设计、建设及运营维护等产生积极影响，满足新时代背景下对进度管理的要求，提高我国高速公路建设过程中的管理水平。

1 技术难点

BIM技术具有可视性、协调性、模拟性、优化性、可出图性等优点。高速公路设计与建设过程中，在3D物理模型的基础上融入进度计划信息构成4D模型[4]，可通过漫游等功能实现对关键技术在线模拟，便于及时发现问题、解决问题，从而更好地为项目管理服务。

1.1 设计方案到施工模型的转换

传统建设项目在设计阶段交付的成果一般是二维CAD图纸，施工单位根据二维图纸进行施工，资料繁多、理解抽象。基于BIM技术的高速公路项目进度管理依赖于3D BIM模型，将3D模型和进度计划进行整合，利用BIM技术实现施工模拟，再借助BIM技术可视化给人以直观感受[5]。因此，要实现基于BIM的施工进度管理必须实现二维图纸到三维物理模型的转变。通常，构建施工BIM模型有以下方式。

1)在设计阶段利用BIM技术构建设计模型，直接交付三维BIM模型，施工单位在设计模型基础上构建施工BIM模型，添加进度信息形成4D模型，还可添加造价信息构成5D模型。

2)设计单位交付的是二维CAD图纸，施工单位根据CAD图纸构建三维施工BIM模型，然后将高速公路三维BIM模型与进度信息整合成4D模型，利用可视化技术进行施工模拟。

目前，部分设计院已采用BIM技术进行设计，但由于构建BIM模型前期资本投入较大，主要受益在施工阶段及运营维护阶段，所以目前大部分项目采用二维CAD交付，因此采用第2种方式构建施工BIM模型更接近实际。

1.2 基于IFC的数据流通

BIM技术的实现依赖计算机，工程项目建设工期长、参与单位众多、施工程序复杂，基于一种或一类BIM软件并不能实现所有功能。随着BIM技术的推进，Autodesk Revit, Autodesk Civil 3D, Autodesk CAD, Autodesk Navisworks, P6/Microsoft Project被开发上市，然而不同软件构建的模型格式并不统一，模型间信息的整合存在兼容问题，需要形成标准，使各方在同一标准下进行交流。

当前国际上认可较高的是IFC(industry foundation classes)标准[6]，该标准由国际组织IAI(International Alliance for Interoperability，现改名为bSI (building SMART International))制定并维护[7]。如果构建BIM模型过程中或需整合的数据中选用不支持IFC标准的软件，则需通过数据转换器等方式转换数据，从而实现数据流通。

1.3 高速公路4D模型的动态修改

高速公路施工进度管理是施工阶段的动态管理过程，施工进度依据4D模型进行管控，当实际施工进度与4D模型偏差较大时，需及时调整进度，以达到工期要求。然而调整进度涉及三维模型与进度等多重数据，工作量、工作难度较大[8]。因此，高速公路施工4D模型动态修改成为实现该技术的难点之一。

为突破这一难点，主要采取以下解决方案：①起初实现进度管理与BIM物理模型相分离状态，即施工单位在进度管理平台或软件中编制进度管理计划，然后与BIM物理模型整合成4D模型。该情况只需在进度管理平台或软件中修改进度信息，重新整合后即形成新的4D模型。②直接在4D模型中选取高速公路相应的施工模块，逐条修改需修改的信息。

2 基于BIM的高速公路施工进度管理架构

基于BIM技术的高速公路施工进度管理4D模型包含三维地形信息、道路建筑物信息、施工进度信息等，各种信息间互相衔接实现施工进度模拟。

2.1 基于BIM的高速公路建模流程

依据高速公路的施工进度管理需求，采用Autodesk公司产品，对技术难点提供解决方法。高速公路施工模型建模流程如图1所示。分别利用不同软件进行三维地形建模、三维建筑物建模、施工进度计划编制，最后通过高速公路工程施工进度管理平台进行信息整合，从而实现施工进度可视化模拟。

2.2 进度管理BIM应用架构

基于BIM的高速公路施工进度管理需考虑组织、过程、信息、系统要素[9-10]，其中组织要素主要指施工过程中的各参与者、管理模式、合作方式及权责分配。过程要素主要包含施工准备、实施、工程竣工的整个流程及各流程所包含的工作、资源投入等。信息要素指施工过程中产生的施工信息及表达方式等。系统要素主要负责工程及创建和使用信息的计算机软件与系统。考虑以上要素及其相互联系，结合图1，构建基于BIM的施工进度管理框架，如图2所示[11]。

图2 基于BIM的高速公路施工进度管理框架

3 建立高速公路施工BIM模型

高速公路工程基于自身特点，若采用传统的施工管理模式，工作效率低、易造成信息流失等，而采用BIM集成技术可有效解决这些问题。相比产品设计和建筑设计，高速公路具有项目规模庞大，需与路基、桥梁、道路等专业相互协调配合等特点，因此需采用不同设计流程[12]。不同之处主要体现在表达方式、信息丰富程度及功能特性等方面[13]。

3.1 地形模型

地形模型是三维实景模型，可很好地反映高速公路建设地区的地形、地貌特征，具有直观、形象、逼真的特点[14]。地形模型由地形测绘数据和实景影像组成，一般采用以下方法构建地形模型。

1)收集高速公路工程所在区域的地形影像、周围建筑物的三维数字模型及地形、地貌矢量数据等信息，导入BIM软件进行处理，构建地形、地貌三维模型。

2)首先建立三维地形曲面模型(由测绘人员现场测量得到地形数据，并导入BIM软件)，然后利用BIM软件叠加实景影像(可由谷歌地球等软件获得)与曲面模型，从而得到高速公路工程建设区域的三维地形模型。

3.2 高速公路BIM模型

为使施工模拟和实际施工过程实现最大化吻合，以高速公路施工过程为研究对象，基于施工方案计划，将项目分解成不同施工区域进行建模[15]。该模型是实现高速公路施工进度管理的基础，集成物理特性和功能特性，包含项目所处空间位置、形状结构及所用材料属性等信息[16]。高速公路模型构建主要分为2种，具体流程如图3所示。

图3 高速公路模型构建流程

无论是地形实体模型，还是符合分区的实体模型，部件LOD精度直接决定施工分区实体模型精度，可利用编辑器提升部件精度。

3.3 施工进度计划

基于BIM技术的施工进度计划相比传统横道图控制施工进度计划，具有更好的可视性[16]，可借助Microsoft Project创建施工进度计划，根据施工方案及施工进度计划编制施工进度横道图。

3.4 高速公路施工4D模型

基于BIM的高速公路施工4D模型构建流程如图4所示。

图4 高速公路施工4D模型构建流程

如图4所示，高速公路施工4D模型是施工进度计划任务包与高速公路3D BIM模型的集成。构建施工进度计划任务包时可借助Microsoft Project 软件，基于WBS分解建立高速公路施工进度计划。

使用Autodesk Navisworks能实时提供整体项目视图，支持高效三维协作、四维规划、照片级可视化、动态仿真与精确分析。Navisworks 能确保所有相关人员在创建、查看与审阅三维模型时使用一致的数据。借助Autodesk Navisworks Management，Microsoft Project软件建立高速公路施工4D模型的过程如下。

首先将高速公路三维模型导入Navisworks Management中，然后将高速公路三维模型WBS与Microsoft Project施工进度计划通过字段选择器对话框进行链接，链接时需选择相应的同步ID。另外，当前Navisworks Management中的Time Liner模块支持如Microsoft Project，P6进度计划软件的数据格式。

高速公路3D模型与进度计划必须准确关联才能使4D模型发挥作用[17]。关联高路公路3D模型与进度计划主要有如下方法。

1)逐项添加进度参数 施工进程中，可随时在Navisworks Management平台的Time Liner模块中进行调整。选择“任务”选项卡，添加任务进度信息。

2)按既定规则自动附着 利用Navisworks Management平台的Time Liner模块自动附着功能进行链接。但采用此方式利用Project制定进度计划和构建高速公路3D模型时，需使用相同的命名规则。之后在高速公路3D模型中，分区项目将自动关联进度任务信息，然后可根据进度输入相关辅助信息，如任务项的基本时间信息，以链接高速公路3D模型与进度计划。

以上方法都能完成高速公路4D模型的构建，但各有特点，使用自动附着方式速度快，但要求较高，3D模型和进度信息间的施工任务命名必须完全一致，否则不能实现关联[18]。相反，逐项添加方式无需完全一致，并且可根据实际施工过程随时进行调整，比自动附着方式灵活度高，但此种方式量大繁杂、速度慢。

4 高速公路项目的施工模拟

4D模型构建成功后可进行施工模拟，即高速公路施工进程以可视化形式呈现[19]。进行现场施工前，管理人员可对关键技术进行施工模拟，以便进行更优良的资源分配，从而提高施工效率、缩短工期、节约成本[20]。基于BIM技术的高速公路施工进度模拟可从以下层面进行。

1)任务层面 通过关联高速公路3D模型和施工进度计划完成。该关联需借助Navisworks Management平台模拟功能，快速高效，但对施工设备、临时工序及场地资源关注较少。

Navisworks Management平台模拟功能可进行多种操作，项目管理人员根据自身需要选择顺时执行或逆时执行。若不清楚部分施工工序可选择暂停操作，以便熟悉高速公路各施工工序间的关系，同时可及时发现并处理影像施工计划中的问题。

当高速公路施工进度计划与实际施工操作出现偏差且需要调整时，可在Project中调整进度计划，然后在Navisworks Management上刷新数据源，不必重新进行关联，节约时间、提高效率。

施工4D模型完成后，即可通过Time Liner模块输出功能输出视频，通过视频项目管理各方可更直观、形象地了解高速公路施工全过程[21]。

2)操作层面 高速公路施工进度模拟相比基于任务层面的模拟更具精度、过程更繁杂，该方式通过详细模拟施工工序，使管理人员更了解施工资源使用情况以便协调。此层面模拟通常用于对关键工程重要节点的施工方案必选及优化。

5 结语

本文基于BIM技术实施高速公路施工进度管理研究，并针对性地提出解决方案，系统介绍该项目施工4D BIM模型的构建流程，在4D模型基础上制定基于BIM的施工进度管理架构，基于此架构系统阐述基于BIM的施工模拟流程。