摘要 BIM技術(shù)應(yīng)用于高速公路機(jī)電工程，將提高機(jī)電工程施工的智慧化管理水平，對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本的管理起到積極促進(jìn)作用。文章研究了高速公路機(jī)電工程的BIM建模方式、信息的編碼及存儲(chǔ)、子模型的劃分等，分析如何基于BIM技術(shù)開發(fā)高速公路機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)，探討了工程建設(shè)數(shù)字化管控平臺(tái)和數(shù)字化交付的實(shí)現(xiàn)方案，提出整體的系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；機(jī)電工程；智慧管理平臺(tái)；系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號(hào) U417文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0105-03

0 引言

BIM即建筑信息模型（Building Information Model-ing），是一種包含多個(gè)維度的建筑信息的集成管理技術(shù)，它匯總了建筑工程項(xiàng)目各個(gè)方面的海量數(shù)字信息，使信息能夠在項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段被充分地傳遞及運(yùn)用，為建設(shè)項(xiàng)目信息化提供廣闊的發(fā)展空間。通過(guò)BIM軟件把工程項(xiàng)目的所有信息進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)并集成到數(shù)據(jù)庫(kù)模型中，建立信息的有機(jī)聯(lián)系，方便了在工程各階段對(duì)工程信息的查詢、使用、修改和傳遞。由于在工程各個(gè)階段，各參建主體使用信息的目的和方式各有不同，從而各參建主體對(duì)一個(gè)工程項(xiàng)目可能創(chuàng)建出不同的BIM模型。按照工程階段的不同，可以將BIM模型分為：規(guī)劃階段BIM模型、設(shè)計(jì)階段BIM模型、施工階段BIM模型、運(yùn)維階段BIM模型。

當(dāng)前，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)正在加快交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)，大力建設(shè)智慧高速基礎(chǔ)設(shè)施。BIM技術(shù)在我國(guó)高速公路行業(yè)中的深入應(yīng)用，將促進(jìn)高速公路工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段協(xié)調(diào)發(fā)展，加速推動(dòng)高速公路行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展[1-4]。交通運(yùn)輸部于2021年2月26日發(fā)布了三個(gè)公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)：《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2421—2021）《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2422—2021）。這三個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定了高速公路基礎(chǔ)設(shè)施模型架構(gòu)、模型編碼、數(shù)據(jù)格式等問(wèn)題，規(guī)范了BIM模型在高速公路工程全生命周期應(yīng)用的技術(shù)要求，對(duì)推動(dòng)高速公路工程BIM技術(shù)的良性發(fā)展、提高高速公路工程整個(gè)項(xiàng)目生命周期的數(shù)字化水平、實(shí)現(xiàn)下一步的高速公路工程數(shù)字化交付具有重要意義。

1 信息的編碼和存儲(chǔ)

《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）中規(guī)定，公路工程信息模型的信息按照成果、過(guò)程、資源、屬性和其他方面進(jìn)行分類，如表1所示。這個(gè)分類方法參照了《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51269—2017）。公路工程的主要成果包括路基、路面、橋梁、隧道、交通工程及沿線設(shè)施等，統(tǒng)稱為設(shè)施，這些主要設(shè)施構(gòu)成了一級(jí)類；交通工程及沿線設(shè)施又由交通安全設(shè)施、管理設(shè)施、服務(wù)設(shè)施3個(gè)子設(shè)施組成，這些子設(shè)施構(gòu)成二級(jí)類。其中，機(jī)電工程主要關(guān)注的管理設(shè)施主要包括監(jiān)控設(shè)施、收費(fèi)設(shè)施、通信設(shè)施、供配電設(shè)施、照明設(shè)施等，這些管理設(shè)施稱為構(gòu)件，這些構(gòu)件構(gòu)成了三級(jí)類，例如，收費(fèi)設(shè)施構(gòu)件的編碼為18-07.02.03.00。進(jìn)一步細(xì)分，收費(fèi)設(shè)施構(gòu)件又可以劃分為收費(fèi)亭、收費(fèi)島、欄桿、費(fèi)額顯示器、ETC門架系統(tǒng)等構(gòu)件，例如，收費(fèi)亭構(gòu)件的編碼為18-07.02.03.01。公路工程信息模型的信息根據(jù)這樣的分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，就能整合規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段的各種詳細(xì)的海量信息，包括設(shè)施、構(gòu)件、建設(shè)過(guò)程、專業(yè)信息、工具信息、材料信息、專業(yè)屬性、地質(zhì)地形信息等，實(shí)現(xiàn)了工程海量信息的分類索引，便于信息的標(biāo)準(zhǔn)化處理和快速傳遞。

公路工程信息模型的信息按照《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范》（GB/T25507—2010）的規(guī)定，使用類對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)封裝并存儲(chǔ)。工業(yè)基礎(chǔ)類即IFC標(biāo)準(zhǔn)（Industry Foundation Class），是1994年由國(guó)際協(xié)同工作聯(lián)盟（即IAI，現(xiàn)已更名為buildingSMART）制定的，是一個(gè)公開的建筑信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，被業(yè)界廣泛采用[2]。該文以收費(fèi)設(shè)施構(gòu)件里面的ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件為例，簡(jiǎn)要介紹構(gòu)件的類封裝方法。ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件使用IfcBuildingElementProxy類進(jìn)行封裝，該構(gòu)件的幾何表達(dá)在IfcProductDefinitionShape、IfcLocalPlacement中進(jìn)行定義，也可以使用超類IfcBuildingElement中的表達(dá)類型，可以允許使用多種方式進(jìn)行幾何表達(dá)。ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件的局部坐標(biāo)使用超類IfcProduct中的IfcLocalPlacement來(lái)進(jìn)行定義。

2 施工各階段的子模型

根據(jù)我國(guó)公路工程行業(yè)的特點(diǎn)，《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T 2420—2021）中將公路工程項(xiàng)目全生命周期階段劃分為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段，其中施工階段涉及施工準(zhǔn)備、施工過(guò)程、交工驗(yàn)收三個(gè)子階段。針對(duì)高速公路機(jī)電工程而言，施工階段信息模型可以繼承使用設(shè)計(jì)階段交付的信息模型，也可以通過(guò)二維設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建。

施工深化模型是在施工準(zhǔn)備階段，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)階段交付模型的繼承、擴(kuò)展和補(bǔ)充，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)和施工組織意圖表達(dá)的子模型。其模型精細(xì)度不低于L3.5，用于滿足施工準(zhǔn)備階段對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行布置、對(duì)施工工藝進(jìn)行模擬、對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行交底等活動(dòng)的需要。施工過(guò)程模型是在施工過(guò)程中產(chǎn)生的，分為施工組織信息模型、安全信息模型、質(zhì)量信息模型、進(jìn)度信息模型、成本信息模型等子模型。其模型精細(xì)度不低于L4.0，運(yùn)用在施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理和計(jì)量支付管理等方面。交工驗(yàn)收模型是在交工驗(yàn)收階段，對(duì)施工過(guò)程模型進(jìn)行增加、篩選或細(xì)化合并后，同時(shí)增加質(zhì)量驗(yàn)收等過(guò)程信息，滿足交工驗(yàn)收要求形成的子模型。其模型精細(xì)度不低于L5.0，用于滿足交工驗(yàn)收等應(yīng)用需要。公路工程項(xiàng)目全生命周期各階段模型的精細(xì)度要求如表2所示。

3 基于BIM技術(shù)的高速公路機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)

以某高速公路的機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)為例（見(jiàn)圖1），BIM可視化模型是基礎(chǔ)，它集成了機(jī)電工程各項(xiàng)設(shè)施、子設(shè)施、構(gòu)件的幾何表達(dá)和屬性信息，可以通過(guò)3D可視化技術(shù)和加載GIS地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）把高速公路機(jī)電工程的施工場(chǎng)景高度還原出來(lái)，形成一個(gè)可視化的GIS+BIM虛擬施工場(chǎng)景，讓機(jī)電工程的各級(jí)管理者對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工組織、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等信息有直觀的感受。例如ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件，當(dāng)它的屬性信息中的安裝屬性是“抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)”時(shí)，施工場(chǎng)景里將出現(xiàn)灰色透明的ETC門架系統(tǒng)構(gòu)件圖像；當(dāng)它的安裝屬性是“安裝調(diào)試完成”時(shí)，施工場(chǎng)景里它的圖像就變成彩色高亮顯示，并能夠調(diào)取門架設(shè)備實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)如ETC卡號(hào)、車牌號(hào)、通過(guò)時(shí)間、車輛圖像等運(yùn)維信息[5]。智慧管理平臺(tái)還能對(duì)管道敷設(shè)、基礎(chǔ)制作、設(shè)備安裝等進(jìn)度進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，在3D場(chǎng)景里動(dòng)態(tài)展示出來(lái)或者輸出各種統(tǒng)計(jì)圖表，全方位地反映施工的進(jìn)度信息，并能對(duì)即將到達(dá)截止時(shí)間仍未完成的分項(xiàng)工程進(jìn)行預(yù)警，提醒各級(jí)管理者及時(shí)進(jìn)行進(jìn)度控制，提前調(diào)整施工組織，保證各項(xiàng)工程按期完工。

技術(shù)交底是機(jī)電工程施工中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底過(guò)程的可視化。例如，可以在BIM可視化模型中計(jì)重設(shè)備構(gòu)件的屬性信息里存儲(chǔ)計(jì)重設(shè)備基礎(chǔ)制作的標(biāo)準(zhǔn)施工過(guò)程動(dòng)畫視頻，包括基坑開挖、接地極制作、鋼筋鋪設(shè)綁扎、底板混凝土澆筑、墩柱支模、墩柱澆筑、混凝土養(yǎng)生的動(dòng)畫視頻。對(duì)計(jì)重設(shè)備施工進(jìn)行技術(shù)交底時(shí)，可以向生產(chǎn)主管人員、作業(yè)班組播放標(biāo)準(zhǔn)施工過(guò)程動(dòng)畫視頻，讓作業(yè)人員直觀地理解掌握標(biāo)準(zhǔn)施工過(guò)程，科學(xué)進(jìn)行施工，從而保證分項(xiàng)工程的施工質(zhì)量[6]。

當(dāng)前，云南省公路行業(yè)竣工文件的編制和交付遵循《云南省公路工程竣工文件編制及立卷歸檔實(shí)用范本（2013版）》的規(guī)定，需要整理和移交的文件包括：竣工圖表、工程管理文件、工程質(zhì)量文件、材料及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)資料、工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定資料、施工原始記錄，以及施工進(jìn)度、安全、環(huán)保、水保、合同管理文件等。引入BIM模型后，上述資料的部分或全部信息可以以數(shù)據(jù)記錄或數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中。向業(yè)主交付時(shí)，可以移交BIM全套模型及數(shù)據(jù)庫(kù)，從而完成竣工文件和過(guò)程資料的數(shù)字化交付[7]。

4 機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)的功能層級(jí)和系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)的數(shù)字化功能層級(jí)如圖2所示，其數(shù)字化水平是在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中逐層推進(jìn)，逐步完善的。

首先，利用BIM參數(shù)化設(shè)備建庫(kù)工具，把機(jī)電工程各項(xiàng)構(gòu)件（包括基礎(chǔ)、設(shè)備、材料）建成矢量化的3D材料庫(kù)，包含基本外形、尺寸參數(shù)、安裝屬性等。其次，通過(guò)BIM建模工具、可視化引擎和GIS信息系統(tǒng)，打造一個(gè)三維的虛擬機(jī)電工程施工可視化環(huán)境。隨后，在工程建設(shè)數(shù)字化管控平臺(tái)上建立施工深化模型、施工過(guò)程模型等子模型，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理和計(jì)量支付管理等功能。BIM模型的特點(diǎn)是信息集中、直觀可視，可以進(jìn)行構(gòu)件碰撞檢查[8]，也可以進(jìn)行施工組織過(guò)程預(yù)覽。最后，機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)數(shù)字化水平的最高層次就是數(shù)字化交付。交工驗(yàn)收BIM模型（精細(xì)度L5.0）囊括了機(jī)電工程各項(xiàng)設(shè)施、子設(shè)施、構(gòu)件的地理坐標(biāo)、屬性信息、安裝調(diào)試信息、施工過(guò)程信息、質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定信息等，可視化模塊可以將上述信息用數(shù)字地圖基礎(chǔ)上的虛擬三維場(chǎng)景直觀展示出來(lái)。數(shù)字化交付也對(duì)接收方即運(yùn)維單位的信息化水平提出了較高的要求。

機(jī)電工程施工智慧管理平臺(tái)的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的功能需求和數(shù)字化層級(jí)水平，選擇適合的系統(tǒng)架構(gòu)，以達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源、提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在高速公路機(jī)電工程施工階段的應(yīng)用，為機(jī)電工程的智慧化建設(shè)打造了全新的發(fā)展領(lǐng)域，為機(jī)電工程實(shí)現(xiàn)智慧化管理、數(shù)字孿生和數(shù)字化交付提供了更多的技術(shù)手段。當(dāng)然，BIM技術(shù)的應(yīng)用方法和應(yīng)用領(lǐng)域還有待行業(yè)同仁的進(jìn)一步探索。隨著BIM技術(shù)和其他新技術(shù)的不斷融合發(fā)展，高速公路機(jī)電工程的智慧化建設(shè)水平將不斷邁向更高的層次。

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收稿日期：2023-11-20

作者簡(jiǎn)介：呂剛（1975—），男，碩士，工程師，研究方向：公路交通工程。