邢汾高速公路建设工程BIM应用介绍

BIM ( Building Information Modeling)即建筑信息模型技术，指的是包含建筑物全部信息的模型系统，在建筑物设计、建造、维护、管理的全生命周期发挥作用。作为新一代设计理念和技术，其已被国外诸多著名的建筑、结构、施工公司在项目中成功应用，是设计行业继计算机辅助设计(CAD)后的第二次设计革命。
BIM的概念和过程已经存在将近40年了，但直到2002年创立Revit软件的公司被Autodesk公司收购后，BIM才被应用于商业产品中。 2002年后，BIM技术逐渐被国内设计行业所接触，并得到了持续的关注。近年来，BIM在建筑设计、机械设计行业的应用越来越深入，铁路设计行业也进行了积极尝试并取得了一定的成果。公路行业由于自身特点的一些限制，BIM系统的应用起步较晚，应用较少。
一、BIM设计特点
BIM理念和地理设计思想应用到道路设计过程中，结合先进的三维地理信息技术，提升设计的科学性。和传统的CAD道路设计软件相比，具有以下特点:
基于BIM的面向对象参数化建模，实现道路设计信息和模型的统一，实现道路快速模拟与调整;实现在BIM模型框架下的场地、交通、照明的协同设计，减少方案冲突，提高设计效率;
结合三维地理信息展现和分析技术，实现在道路BIM基础上的项目策划、成本估算和施工过程模拟;实现设计方案的交互式调整和实时模拟、分析，及可视化和量化的分析成果指导方案的优化;
实现在道路BIM基础上的项目决策、施工模拟、交通仿真和道路信息管理等项目管理功能。
二、应用现状
大多数世界著名建筑、结构、施工公司，几乎所有项目都已运用BIM技术，其他公司也都处在从CAD向BIM转变的过程中。在公路行业，美国多个州的运输局都已经将BIM应用于基础设施解决方案，日本政府已经把基于BIM的三维CAD推广列入了政府信息化规划。
近年来我国的一些大设计院在某些大型项目中也已开始应用BIM技术，但不管是应用范围和应用深度，总体上与欧美等国家仍有较大的差距。在公路设计行业，虽然进行了诸多有益的尝试，并于2014年首次系统应用于邢汾高速建设管理中，但远未达到成熟、广泛的应用程度。本文就BIM理念在设计、施工、养护中的应用进行概述。
三、BIM解决方案
公路工程中实现BIM的主要软件是Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D和Bentley公司的Power InRoads以及最近国内基于BIM二次开发的道路软件（鸿业科技的Roadleader路立得等）。
我国公路、道路工程设计中目前使用的软件有纬地、鸿业等。相比纬地等二维软件，BIM软件在很多方面有其突出的优势:如界面更加友好，信息更方便传递和存储，设计三维可视化，有利于造价控制和后期运营管理维护等。由于国内软件解决方案并不彻底，而且AutoCAD Civil 3D和Power InRoads在中国已开发有扩展包，符合国内的设计习惯样式和规范需求，这使得国内道路BIM的发展更加接近工程实际。
四、BIM 在公路设计各阶段的应用
4. 1规划阶段
建筑信息模型(BIM)流程，有助于缩短设计、分析和进行变更的时间。最终可以评估更多假设条件，优化项目性能。
4. 2勘测阶段
多年来，国内外学者陆续将 BIM 技术及 GIS 、GPS技术引入到公路勘测中，勘测和设计工具可以自动完成许多耗费时间的任务，有助于简化项目工作流。使用BIM可以在更加一致的环境中完成所有任务，包括直接导入原始勘测数据、最小二乘法平差、编辑勘测资料、自动创建勘测图形和曲面；能够以等高线或三角形的形式来展现曲面，并创建有效的高程和坡面分析。
4. 3设计阶段
(1)道路建模。可以帮助我们更高效地设计道路和高速公路工程模型，例如创建动态更新的交互式平面交叉路口模型。同时可以利用内置的部件(其中包括行车道、人行道、沟渠和复杂的车道组件)，可以根据常用设计规范更迅速地设计环岛，包括交通标识和路面标线等。或者根据设计标准创建自己的部件。由于施工图和标注将始终处于最新状态，可以使设计者集中精力优化设计。
(2)工程量计算与分析。利用复合体积算法或平均断面算法，更快速地计算现有曲面和设计曲面之间的土方量。使用生成土方调配图表，用以分析适合的挖填距离，要移动的土方数量及移动方向，确定取土坑和弃土堆的可能位置。从道路模型中可以提取工程材料数量，进行项目成本分析。
(3)自动生成施工平面图。如标注完整的横断面图、纵断面图和土方施工图等。使用外部参考和数据快捷键可生成多个图纸的草图。这样，在工作流程中便可利用与模型中相同的图例生成施工图纸。一旦模型变更，可以更快地更新所有的施工图。
(4)轻松处理变更与评审。因为数据直接来自模型，所以报告可以轻松进行更新，更迅速地响应设计变更。如今的工程设计流程比以往更为复杂，设计评审通常涉及到非CAD使用者，但同时又是对项目非常重要的团队成员，可以利用更直观的方式让整个团队的人员参与设计评审。
(5)多领域协作。道路工程师可以将纵断面、路线和曲面等信息直接传送给结构工程师，以便其在软件中设计桥梁、箱形涵洞和其它交通结构物。
4. 4施工阶段
目前，BIM的应用在欧美发达国家正在迅速推进，并得到政府和行业的大力支持。如美国已制定国家BIM标准，要求在所有政府项目中推广使用。IFC ( industry foundation classes)标准和BIM技术，并开始推行基于BIM的IPD ( integrated project delivery，集成项目交付)模式。IPD模式是在工程项目总承包的基础上，把工程项目的主要参与方在设计阶段集合在一起，着眼于工程项目的全生命期，基于BIM协同工作，进行虚拟设计、建造、维护及管理。如今，引入IPD理念和应用BIM技术，已成为当前国内施工企业打造核心竞争力的重要举措。
另外通过基于BIM的碰撞检测与施工模拟，进行结构构件及管线综合的碰撞检测和分析，并对项目整个建造过程或重要环节及工艺进行模拟，可以提前发现设计中存在的问题，减少施工中的设计变更，优化施工方案和资源配置。目前常用的碰撞检测与施工模拟软件主要是Autodesk Naviswork和Bentley Navigator。
4. 5运营养护阶段
多年来，国内外学者陆续将BIM技术及GIS技术引入到公路信息化管理，在公路建设、路政执法和资产管理方面取得较好的效果。美国联邦公路局将GPS ,GIS及多媒体视频等技术应用到公路资产管理，可以迅速的定位查看损坏的公路资产视频，保证了道路的安全性。
目前我国公路养护系统一般采用传统的二维地图显示方位信息。公路系统内包括运营、路政、养护等多个部门，各个部门有各自的信息系统，彼此之间的数据也是由各自部门维护，采用不同的数据格式和交换格式，导致无法整合到统一的地理数据平台上进行有效数据共享，从而使得部门之间难以实现高效协同。
目前最有效的方式是将BIM和GIS结合起来，利用移动数据采集系统提供道路养护检测所需要的数据，再通过利用统一的数据标准，实现地理设计和BIM相结合，在此基础上建立基于BIM的交通设施资产及运营养护管理系统。利用整合后的BIM模型信息，将公路资产管理与养护集成到三维可视化平台，同时基于BIM模型，提出预防性养护决策模型，为公路资产管理、道路养护管理等提供管理决策平台。
五、BIM技术在我国实际工程中的应用
为提高邢汾高速公路建设工程的管理水平，项目建设方与清华大学合作，首次将BIM和4D-CAD技术系统应用于高速公路工程建设管理中。针对高速公路点多线长特点，提出了多细度BIM施工模型以及相应的多层次4D施工管理技术，开发了“基于BIM的邢汾高速公路4D建设管理系统”，并应用于实际工程中。通过创建邢汾高速公路整体线路、工程标段、重点桥隧/路段等不同细度的BIM施工模型，实现了基于BIM的宏观、中观和精细化管理相结合的多层次4D施工管理和可视化模拟。
应用表明，通过构建不同细度的BIM施工模型，可有效地展示高速公路工程不同层次和不同局部的动态施工过程和施工状态，实现高速公路工程的动态、集成和可视化的施工管理和工程模拟，为高速公路工程建设的BIM技术应用提供了方法、技术、系统和应用示范，可明显提高工程建设管理的信息化水平和效率。

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