BIM技术在高速公路机电工程施工中的应用

摘要 高速公路机电工程是高速公路建设中不可或缺的一部分，机电设备和系统的稳定性和可靠性对于高速公路的正常运转非常重要。BIM技术应用于高速公路机电工程施工中，可以提高工程效率、优化资源管理，确保工程质量。文章重点介绍BIM技术在高速公路机电工程施工过程中的关键应用，包括BIM机电模型数字设计、工程管理两个重点环节，期望促进研究可以提高BIM技术的成熟，实现现代建筑技术的数字化发展。

关键词 BIM技术；高速公路；机电工程

中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0078-03

0 引言

BIM技术是一种通过建立虚拟三维立体模型解决建设问题的技术，被广泛应用于建筑、工程和基础设施的规划、设计、建造和管理[1]。BIM技术通过整合数字信息，实现协同设计和管理，对项目的成本和进度进行模拟和优化，减少了建筑过程中的错误和冲突，提高了设计和施工的效率，为建筑项目提供全生命周期的支持。为研究BIM技术在高速公路机电工程施工中的应用，该文从建立三维模型、碰撞检测两个方面介绍BIM机电模型数字设计，并从工程模拟和BIM干涉检测两个方面介绍工程管理，以期为相关技术人员提供参考，提高高速公路建设的质量。

1 BIM机电模型数字设計

1.1 建立三维模型

创建机电系统的几何模型是BIM中的关键步骤，涉及对管道、电缆、设备等元素进行几何建模，以确保布局和空间需求符合设计要求和标准[2]。以下是在BIM中创建机电系统几何模型的一般步骤。

（1）导入设计文档和参数。首先，需要收集与项目相关的所有设计文档，包括机电系统的平面图、工艺流程图、设备清单等，将这些文档导入BIM平台中，并对文档中的参数进行提取，这些参数包括管道直径、设备尺寸、电缆规格等，这些参数将用于后续的三维模型创建，其中数据处理层的具体步骤如图1所示。

由图1可知，BIM平台利用传感器采集数据，并对原始数据进行数据清洗、去噪、压缩和采样等一系列操作，确保数据的质量和准确性，减少传输负担。然后，将处理好的数据储存到BIM平台的储存设备中，确保数据不会丢失。最后，利用有线通信设备将数据传输到BIM的模型集成层，进行下一步数据处理。

（2）创建管道几何模型。首先，使用BIM技术根据设计要求绘制管道路径和截面，利用直线参数公式描述管道路径，如公式（1）所示：

（1）

式中，P（t）——直线上的点；P0——直线上的一个已知点；——直线的方向向量；t——参数。在绘制过程中，考虑管道的弯曲、连接、附件等元素。完成管道绘制后，添加管道附件，如阀门、法兰、弯头等，并为管道分配相应的材质和属性，如金属、非金属、管道内衬等[3]。同时，根据电缆布置需求，绘制电缆通道和槽道的几何形状，并为电缆通道和槽道分配相应的材质和属性，利用圆的参数公式描述电缆布置的几何形状，如公式（2）所示：

P（u）=[xc+r·cos（u）， yc+r·sin（u）] （2）

式中，（xc， yc）——圆心坐标；r是半径；u是参数。根据设计文档，利用BIM平台创建设备的几何模型，如发动机、泵、风机等，设置设备尺寸和位置，同时考虑设备之间的相对布局。在确保管道与设备之间的几何关系正确的情况下，添加连接件并更新管道的元数据，包括管道材质、厚度、管道等级等。最后，检查电缆通道和槽道与设备的连接情况，确保电缆敷设的合理性[4]。几何模型创建完成后，BIM模型集成层负责将来自数据采集处理层的实时数据集成到BIM（建筑信息模型）中。

（3）创建建筑物的基本形状。使用BIM软件绘制建筑物或结构的基本形状，如墙体、楼板、柱子等。在绘制过程中，考虑建筑物的尺寸、层高、结构类型等。在基本形状的基础上，添加窗户、门、楼梯等建筑元素[5]。同时，根据设计要求设置建筑元素的属性，如材质、颜色、尺寸等。根据项目需求，添加三维信息，如高程数据、材质信息、设备参数等，这些信息将增加模型的准确性和详细程度。利用BIM工具的实时预览和交互功能，检查模型的外观，并及时进行调整和优化。在项目进展过程中，不断更新和完善模型，以满足不断变化的需求。

1.2 碰撞检测

建造出三维模型图后，要利用BIM技术对三维模型图进行碰撞检测，以便帮助设计团队及早发现并解决不同系统之间的碰撞和冲突。

首先，需要将各专业（如建筑、结构、机电工程）的BIM模型导入BIM软件，并确保它们在坐标系、比例尺等方面一致，以实现有效地整合。通过构建的三维模型视图，利用BIM软件的功能，导入包括建筑物、结构、机电设备、管道等系统的整体三维模型。在进行碰撞测试前，需要在BIM软件中设定碰撞检测条件，包括最小间距和碰撞敏感度等参数，这些参数的设定决定了检测的精度和对碰撞的敏感程度[6]。随后，执行碰撞检测，通过BIM软件自动分析各构件的几何形状，再利用有限元算法中的刚度矩阵公式检测是否存在碰撞或相互干扰的情况，如公式（3）所示：

（3）

式中，ke——单元刚度矩阵；B——应变和位移之间的关系矩阵，其将位移场映射到应变场；D——弹性矩阵，是材料的弹性性质矩阵，包含了材料的弹性模量、泊松比等信息；Ve——在碰撞检测中的作用，指的是单元的体积，描述结构在外部载荷作用下的强度和刚度；BT描述了结构中的弯曲和拉伸等变形对应力的响应。在碰撞检测中，这样的刚度矩阵可以用于模拟结构在受力时的变形，以及各个元素之间的相互作用。检测完成后，利用射线追踪算法的射线反射计算公式判断射线与物体是否相交以及交点处的反射和折射行为，如公式（4）所示：

R=D?2（D·N）N （4）

式中，R——镜面反射；D——射线的方向向量；N——表面法线，其可以在BIM的三维模型中模拟光线的传播、反射和折射，用于更真实地模拟光照、阴影和视觉效果。然后，将结果生成碰撞报告，生成碰撞报告是碰撞检测关键的一步，BIM软件会详细列出检测到的碰撞信息，包括碰撞的位置、专业责任、碰撞程度等，为后续的解决和调整提供了基础。可视化展示则通过BIM平台将碰撞结果以标记或颜色的形式呈现在三维模型中，以便设计团队直观了解问题的性质和分布。最后，设计团队成员在BIM平台上协同解决问题，查看和讨论碰撞结果，进行解决方案的协商。根据碰撞报告，进行设计的调整或施工计划的优化。并在项目的不同设计阶段和施工阶段，定期进行碰撞检测的迭代，以确保及时发现和解决潜在的碰撞问题。

2 工程管理

2.1 工程模拟

工程模拟是利用BIM技术在建筑和工程项目中进行虚拟模拟，以模拟和预测项目在不同阶段的执行过程、性能和效果。这种模拟有助于项目团队更好地了解项目的动态变化，提前识别潜在问题，并优化设计施工过程。以下是工程模拟的具体步骤和关键方面。

（1）时间轴模拟：利用BIM平台的时间轴功能，模拟整个项目的建设和施工过程。将不同设计阶段、施工阶段和设备安装过程的时间节点纳入模拟，形成动态的项目时间轴。

（2）施工流程模拟：模拟项目的施工流程，包括建筑结构的搭建、设备的安装、管道系统的铺设等，确保考虑各个施工步骤的顺序、时序和协同性。在BIM平台上，通过集成MEP模型、进度和成本的数据，可以建立起构建信息与成本数据的关系，以时间为参照轴实现实时动态的工程量查询，使承建方能够方便地查询实际工程量，并在工程量查询中根据自定义的关键条件进行灵活的筛选，如时间、进度、构建类型、规格型号等。

（3）资源优化：在模拟中考虑资源的分配，包括人力、材料、设备等因素。通过模拟优化资源的利用，提高施工效率，降低成本。资源优化管理图，如图2所示。

由图2可知：在BIM平台中，首先，通过传感器和监测设备实时采集人工、能源、机械等多种数据源，并将其整合到BIM平台。随后，利用BIM平台的图形可视化功能，实时展示消耗量与计划成本的曲线图，强调关键数据点和趋势。通过趋势分析，對资源消耗的未来趋势进行预测。建立灵活、强大的查询系统，支持多维度查询，包括时间、类型、地点等。实现实际消耗量与预算的对比分析，突出差异并生成资金曲线图。最后，利用数据分析工具进行成本分析，为项目部提供详细的报告，并将BIM中的数据与图表融合，实现对关键数据的直观呈现，展示机电系统的性能、能源消耗等数据，项目部根据数据进行资源优化分配。这些技术点的整合使BIM平台成为项目资源与成本管理的强大工具，为项目部提供全面的实时支持，提高决策的准确性和效率。

（4）动态演示和调整：资源优化后，利用动态模拟展示机电系统的运作过程，包括设备运转、管道流动等。通过演示功能，呈现资源施工过程的动态变化，帮助项目相关方更好地理解整体流程。首先设定动态模拟的参数，包括设备的运转速度、流体在管道中的流速等。这涉及对工程实际运行情况的了解和模拟参数的精确调整。然后，利用BIM平台实现系统的交互性与控制，使得用户根据需要调整模型中的参数，观察实时的系统响应。接着，运行动态模拟，观察系统在不同阶段的动态变化，设备的启动、运转，管道中流体的流动，以及其他关键元素的相互影响。最后，利用演示功能实时展示施工过程的动态变化。在演示过程中，团队成员可以根据需要进行调整，验证设计的合理性，发现潜在问题。同时，收集动态模拟过程中的数据，进行必要的调整和优化，以改进项目的执行计划、设计参数和资源分配。

2.2 偏差分析

在BIM环境中，偏差分析可以通过对BIM模型中的实际数据与预期计划的数据进行对比来实现，用于检查项目的实际进度、质量和其他关键指标与最初计划之间的差异。对这些差异的深入分析有助于识别问题、制定纠正措施，并提高未来项目的规划准确性。以下是在BIM中进行偏差分析的一般步骤。

首先，从BIM模型中提取实际执行过程中的数据，包括实际工程进度、成本、材料使用等方面的信息，确保数据的准确性和一致性。并重新审视项目计划，明确原始的项目计划和预期值，包括项目的时间表、成本估算等，可以是项目启动时的计划，也可以是项目执行过程中进行的中期或阶段性计划。然后，利用稳定分析算法中的欧拉公式，将实际数据与BIM模型中的预期数据进行对比计算，确保BIM模型中的信息准确且反映了实际的工程状态，包括施工进度、材料使用、构件数量等，具体如公式（5）所示：

（5）

式中，Pcr——临界压力，结构失稳的最大压力；K——屈曲因子，结构的稳定性系数；I——截面惯性矩，描述截面形状对抗弯曲的能力；L——结构长度；E——弹性模量，描述材料的弹性性质。利用此公式识别实际结果与计划之间的差异，这些差异可以涉及进度滞后、成本超支、材料浪费等方面。接着，分析偏差的根本原因，确定导致偏差的具体因素。考虑BIM模型可以包含多个方面的数据，可以对各个专业领域进行更详细的根本原因分析。基于根本原因的分析，制定纠正措施，以调整项目计划或实施其他改进。BIM模型可以用于模拟和评估不同的纠正措施的效果。继而，根据实际的项目执行情况，调整BIM模型中的信息，以反映当前的项目状态，包括更新建筑模型、成本模型、进度模型等。最后，在项目的后续阶段持续监控实际数据与调整后的计划之间的偏差。根据监控结果进行反馈，调整项目管理策略，确保项目能够按计划顺利进行。

通过在BIM环境中进行偏差分析，项目管理团队可以更及时地发现问题、采取纠正措施，以确保项目在规定的时间和成本范围内顺利完成，这有助于提高项目的整体管理效能。

3 结束语

综上所述，BIM技术在高速公路机电工程中的应用为提升工程质量、降低成本以及提高效率提供了有力支持。从构建模型、工程管理两个方面来看，BIM技术都能够发挥关键作用，为机电工程的稳定性和可靠性提供强有力的保障，确保高速公路的正常运转。数字化设计方面，BIM技术允许工程团队创建精确的三维模型，从而更好地理解和规划机电系统，减少设计错误，优化系统布局。工程管理方面，BIM技术可用于可视化功能进行工程模拟，帮助发现潜在问题并优化施工方案，减少设计变更。此外，BIM还能够进行偏差分析，将BIM中的实际数据与预期计划数据进行对比分析，进一步优化施工方案。总体而言，BIM技术在高速公路机电工程中的应用将数字化和智能化引入工程领域，为提高工程质量、降低成本和提高效率创造了良好的条件。随着科技的不断发展，BIM技术的应用前景将更加广泛，为建筑行业带来更多创新和便利。

参考文献

[1]杨海霞. BIM技术在高速公路机电工程施工中的应用研究[J]. 智能建筑与智慧城市， 2021（11）： 164-165.

[2]张丽. BIM技术在高速公路机电工程项目管理中的应用[J]. 交通世界， 2018（8）： 139-140.

[3]韦懿玲. 基于大数据和BIM技术的工程造价管理研究[J]. 中国科技期刊数据库 工业A， 2023（6）： 113-116.

[4]赵强. BIM技术在现代高速公路机电工程建设中的应用[J]. 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术， 2022（5）： 52-55.

[5]郭军梅. 高速公路机电工程施工中BIM技术的应用分析[J]. 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术， 2022（4）： 163-165.

[6]李靖宇. BIM技术在高速公路机电工程中的实践分析[J]. 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术， 2022（12）： 185-188.

收稿日期：2023-11-23

作者简介：何佳珈（1991—），女，本科，工程师，研究方向：计算机科学与技术。