BIM技术在公路改扩建工程中的应用

刘彦君

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

随着我国社会经济的不断进步与发展，公路交通运输量也在不断增加，然而部分使用时间较长的公路设计荷载标准较低，已不能完全满足当前交通运输的相关需求，导致公路交通通行能力与大众通行需求、通行质量之间产生了矛盾，需要开展公路改扩建工程，为我国交通运输事业的持续发展创造条件。BIM是建筑业的一项前沿技术，如何充分发挥BIM 技术的积极作用，解决当前交通基础设施面临的各项难题与挑战，成为我国交通运输行业的重要研究课题。

1 BIM 技术概念

BIM 技术最早出现于20 世纪70 年代，经过系统研究，该技术最终被确定为工程建设全周期模型的集合体，能够存储与施工进度、状态等有关的重要数据，是一个规模较大、实用性较强的数据库。在传统的施工项目中，设计人员大多通过绘制图纸的方法进行数据计算，一方面，这种方式存在准确性较低的问题，为施工管理提供的参考十分有限；另一方面，人工计算的方式很难结合特定的工程尺寸进行灵活调整。而BIM 技术是一种综合性较强的技术，它可以通过元素模拟直观呈现出房屋构件及整体构造的物体特征。因此，基于BIM 技术预模拟建设项目，有助于不断优化设计方案，提升工程设计的精度。

2 公路改扩建工程的特点分析

2.1 交通导行压力大

随着我国社会经济的不断发展，交通运输需求越来越大。为减少公路改扩建工程实施对我国社会发展的影响，一些区域建议在施工过程中维持双向四车道路的正常运营。因此，公路改扩建工程的实施面临着巨大的交通压力，必须重视前期策划工作的开展。

2.2 结构拼宽要求高

由于原工程结构的地基沉降已达到相对稳定的状态，公路改扩建工程实施时，或多或少会与原设计图纸标高存在偏差。因此，实施公路改扩建工程前需要分析原始结构设计图纸的参考性，必要时可摒弃原设计方案，对全线进行重新测量。并且，施工过程中，必须对结构标高进行二次复核，以保证其符合有关施工质量标准。此外，在公路改扩建项目中，由于大部分顶升工作都是在狭窄的场地内进行，因此施工难度较大。为此，可采用顶升与拼接工艺进行处理，以有效提升施工效果。

2.3 废料循环利用

统筹规划、绿色环保是公路改扩建工程实施的基本原则，也是贯彻落实可持续发展战略的重要路径。基于此，可重复利用沥青混凝土面层、路缘石等废料资源。

3 BIM 技术在公路改扩建工程中的应用

3.1 BIM+图纸深化设计

由于公路桥梁主体结构容易受到天气、车辆荷载等因素的影响，随着使用时间的增加，公路桥梁主体结构不可避免地会产生沉降变形。该问题会对已建成的工程实体的各部位标高造成一定的影响[1]。因此，有关部门有必要对整个线路进行重新测量，并根据实际情况建立新的结构视图。

利用BIM 技术的精确属性进行精确建模，以新老公路交界处为施工关键点，由测量部准确获取（x，y，z）的坐标，将数据汇总提交给BIM 技术实施者，基于BIM 技术开展结构逆向复核，从而验证其合理性和准确性。在设计图纸时，相邻结构的图号可能不能出现在同一图纸中，这会使图纸之间的相关性受到影响，也容易使施工人员在读取图纸内容时出现理解方面的偏差。

基于BIM 精确模型的图纸设计，可将结构尺寸、图号等相关信息嵌入二维码中，施工人员扫描二维码就能获取标高的准确数据及该图纸的适用范围等。为最大程度地发挥3D 模型的引导作用，可将最终的图纸导出为“*.u3d”格式，并将其置于Acrobat 动态模型，之后即可以进行平移、模拟测量等多项操作，施工人员不需要额外安装软件就能够查看相关信息，数据信息的获取更加便捷高效。

3.2 BIM+构建碰撞检查

公路改扩建工程中，需要通过碰撞检查发现各专业之间存在的相互关系，利用Navsiworks 生成碰撞分析报告，据此对图纸设计的准确性进行检验。近年来，生活水平的提升使人们的审美观念发生了较大变化，非线性设计已逐步成为各类型建筑的主要发展方向。但该设计类型难度相对较大，其中出现的交叉碰撞点也更多。例如，公路改扩建工程的实施会涉及桥梁上部，而桥梁上部的预应力钢筋、普通钢筋数量较多、形状各异。为此，在碰撞检查过程中，可将一个钢筋视为一个图元，通过搭建细化模型发现问题，并将问题标注在图元中。在图纸会审过程中，可以利用BIM 技术的3D 模拟功能，逐个展示设计图纸存在的问题，并提出修改意见，必要时可现场模拟修改方案，以确定最佳方案，这既有助于提升相关方的沟通效率，又能为问题的解决找到最佳途径。

3.3 BIM+VR 技术安全体验

在传统的公路改扩建工程中，VR 技术主要用于安全体验和高空坠落模块，但这些体验通常是通用的，不具备针对性，不能结合项目的实际需求与特点进行针对性调整。一般来说，在公路改扩建项目中，为达到工程对建筑材料的要求，必须修建一个大型的综合性场站。为保证施工安全，可以利用Unity3D 技术，以第一人称视角研究龙门起重机的正确使用方法，并通过安全风险模拟总结防范经验，提高对进场工人的安全教育效果，促进工人安全意识的提升。

除满足基本建设需求外，还可以利用BIM 技术与VR 技术开发道路虚拟驾驶模块、桥梁构件爆炸模块等[2]。由于相关部门对公路改扩建施工障碍的布置要求较高，因此建设方案需要经过交通管理部门的审核。设置路障位置、间距时，可参考该路段交警的布置经验，并通过道路虚拟驾驶体验模块实现立体表达，帮助相关部门进行快速验收。此外，为提升工程品质，可研发桥梁构件爆炸模块，用于查看桥梁内部不同构件关键部位的构成及其他信息。

3.4 BIM+协同管理平台

基于BIM 技术的协同管理平台是一个多终端集成系统，能够实现跨平台数据存储、调用，也能够搭建3D 模型、实时采集数据，该平台在公路改扩建工程中的应用主要覆盖面图1 所示内容。

图1 BIM+协同管理平台

3.4.1 施工质量管理

第一，物料管理是建筑工程质量管理的基础，其重点在于对原材料、半成品等进行质量控制[3]。相关人员需要提前在移动App 上对进场的物料进行登记，待系统成功识别进场材料的批次、编码，并生成物料检验清单后，才能获得进场许可。该协同管理平台会全程监控材料进场登记、入库等过程，并将上述影像资料同步到PC 端、Web 端，以便信息调用与物料质量追溯。

第二，施工质量管理还涉及工艺标准化验收。结合首件工程的开展情况，编写标准化工艺流程卡，施工人员可通过手机App 查询各子工程的标准化操作流程及注意要点。监管部门也可以按照App 端的标准工序流程及操作要求进行检验，并将各班组作业的具体情况记录下来，上传到PC 端的BIM 构件上，同步做好公路改扩建工程的质量溯源与责任溯源工作。

第三，要对分项工程进行质量检查，该环节必须由有关部门的工作人员在App 或PC 端提交质量检测申请，之后可以通过App 查看施工情况、原始记录和质量检测记录等。不仅如此，基于BIM 技术的分项工程质量管理也能实现3D 模拟。在PC 端将上传的各项目工程检测数据与最后的检测结果相结合，可形成可视化模型，便于质量跟踪。

3.4.2 移动隐患排查

移动隐患的检查主要涉及检查质量和安全问题。用户可以在App 上发布自己发现的安全隐患，发布成功后会自动生成追踪单据，相关部门可同步启动隐患整改程序，最终邀请客户进行整改验收。在隐患排查与整改过程中，移动App 每日会更新整改动态，并以日志的方式推送给相关干系人。至于施工现场存在的安全隐患，除显示在移动App 端以外，还可同步到BIM 平台，由BIM 平台生成技术管理规格规范，并针对具体的问题提出整改要求。

3.4.3 三维进度管控

传统的工程管理大多以二维图像为参考。施工单位按周或月的进度向主管部门报告，汇报形式以表格和文字为主。管理人员综合以上资料，估计公路改扩建项目的具体进展[4]。但由于公路改扩建工程的线路长，施工路段较多，仅通过表格、文字等进行进度统计，复杂度较高，且误差较大，难以开展有效的进度管控。为改变这一现状，可通过BIM 协同管理平台，利用三维模型展示施工进度，用户可在App 端对进度数据进行采集与确认，PC 端与Web 端也会同步更新工程进度，如此能够很大程度上解决信息滞后的问题。除上述功能以外，BIM 技术的协作管理平台也可以统计任意进度区间的工程工作量和日工作进度（施工人员也具备查看进度计划的权利）。结合已经上传的施工数据，该管理平台还能够进行自动对比，计算实际进度与计划进度之间的差距，并提出合理的改进建议。对于在计划期限内没有完成或已经超出计划时间的任务，该管理平台会向相关干系人发出提醒。针对公路改扩建工程建设中提出的不同施工计划方案，也可以通过4D 虚拟施工形象进行进度模拟，将不同施工计划方案的执行时间与具体安排录入时间管理模型，从而更加直观地分析不同施工方案的优缺点，为偏差纠正指明方向。

3.4.4 桥梁施工监控

在公路改扩建工程施工过程中，大桥及其他特殊结构桥梁的受力情况复杂，新旧结构衔接是必须面临的问题，而这会增加公路改扩建工程的施工风险与控制难度，也对现场数据监控、传输提出了更高的要求[5]。桥梁的线性检测是公路改扩建施工监控的重点，需要关注主梁应变、位移的发生及支撑结构倾斜度的变化等。监管部门需要在现场布置传感器，以此进行现场数据的采集与传输，最终将收集到的数据通过无线信号发射系统同步到云数据库。在基于BIM技术的协调管理平台，可以通过PC 端构建3D 模型，该3D 模型中有多个监控传感器，每一个传感器的身份编码不同，且传感器与云数据库可直接关联。监管部门可以通过App 端对工程管理数据进行实时更新、查找，编制施工监控分析报告。BIM 平台可依据监控分析报告中的相关数据自动生成3D 模型，更加直观地对不同数据结果下的工程开展情况进行模拟。

相较于传统的桥梁监控，基于BIM 技术的协调管理平台的监控更具时效性、客观性。相关人员能通过多种途径实时上传监控报告及相关数据，且一经上传，不可随意修改，施工人员及监管部门相关人员均能通过APP 实时查看数据信息，施工监控的时效性能由此得到显著提升。此外，基于BIM 技术的协调管理平台中的相关数据也能为后续的工程养护提供指导。

3.5 BIM+GIS 场景分析研究

路线狭长是公路普遍具有的特点，公路改扩建工程沿线可能涉及诸多房屋拆迁，且征拆协调难度较高[6]。若公路穿越河流或高压线，还需要对线路进行迁改，地形复杂，施工难度大，施工人员面临的考验与挑战更多。而将BIM 技术与GIS 结合，则可通过InfraWorks 阅读由无人机协助产生的点云模型，也可以利用内置的产生器观测建筑工地的卫星图像和相关资料。

通过点云模型进行在线浏览，有助于施工总平面布置管理的优化，对沿线便道和场站位置选择十分有利。此外，通过点云模型能够快速对路线红线内的征地情况、建筑物数量等进行统计，从而为征地、拆迁等准备工作的开展提供参考。

4 结语

综上所述，BIM 技术在公路改扩建工程中的应用有助于管理水平、施工质量的提升，也能在很大程度上提升施工的安全性。但就BIM 技术在公路建设领域的应用现状来看，二者之间的融合尚处于起步阶段，仍需要结合不同行业的发展标准进行完善，促进我国交通运输事业可持续发展的同时，提升公路工程的社会效益。