BIM技术在高速公路设计施工一体化中的应用研究.pdf

科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期自 20 世纪以来，作为全球范围内的基础设施强国，在经济发展过程中，我国所取得的成绩与得到的成就是有目共睹的，随着相关工作的持续化推进以及各地之间经济交往的日益密切，我国高速公路工程的建设与开发也进入了一个新的阶段。2015年，国务院发布了 中国制造 2025 文件，这是我国第一次将工程领域的信息化建设提上了战略高度1。改革开放以来，相关高速公路工程项目的建设与发展工作逐步完善，各地方政府对其所管辖区内的基础设施建设也给予了一定的支持。截至 2020 年底，我国的高速公路总里程达到了 519.81 万 km，道路密度达到了 54.15 km/km2。1基于 BIM 技术的复杂设计节点精细分析与碰撞检测针对高速公路项目中复杂的桥梁与隧道节点，在传统的平面结构设计中，由于其规模限制，很难将多种空间要素结合起来进行分析。当前，在复杂的节点上，设计工作量很大，很难避免出现冲突和错误。采用建筑信息模型（Building InformationModeling，BIM）技术进行参数设计，使节点的外形、尺寸、空间的对应关系在三维状态下得到直观的展现，消除了所有的冲突，并充分考虑了节点在施工中的可行性，从而提高了设计的质量，降低了设计的变化2。应用 BIM 协同设计技术，可以将三维模型直接引入到数值仿真软件中进行数值分析与计算，从而大大降低了重复建模的工作量，提高了设计的效率。并且根据仿真的结果，可以对模型进行优化和修正，然后将优化后的模型输入到软件中进行计算和分析，这样反复地操作，既能确保建模分析的完整性，又能保证模型的准确性。通过三维模型协同设计的应用，可以在设计阶段实现对基本结构的三维碰撞检测3。利用 BIM 软件，对工程项目各个专业进行了 3 次碰撞检测，发现不同的设计图纸、设计和施工过程中的交叉碰撞点（交织点），并针对这些点进行合理的分析和消除。在进行碰撞检测时，这一过程可以表示为（pos1-pos2）length2（r1+r2）2（1）式中：pos1和 pos2为两个节点的位置数据，二者相减表示物体 2 指向物体 1 的向量；length2为向量长度的平方。最终设计的方案中，各个结构之间应当满足关系的表达式为（PA n）（PB n）臆0（2）式中：P 为平面上的一点；PA 为从 P 指向 A 的向量；n 为平面法向量。通过式（2）可以判断得出：如果两个端点都在一个平面上，那么就可以确定一条直线 AB 的两个端点在一个平面上；如果两个端点都在一个平面上，那么它就一定不会相交。在这个空间里，有 n 个目标，每一个目标都要和其他目标进行碰撞，算法的时间复杂度为 O（n2），可以通过八叉树来进行空间的优化，但是八叉树的实现比较复杂4。因此，为方便对结构的碰撞检测，设计碰撞检测公式为（r1min+r2min）2(pos1-pos2)length2（r1+r2）2（3）式中：r1min为物体1 的最小距离；r2min为物体 2 的最收稿日期：2023原01原31曰修回日期：2023原03原02作者简介：高鹏云（1994），男，甘肃景泰人，助理工程师，主要从事公路工程施工研究，E-mail：。BIM 技术在高速公路设计施工一体化中的应用研究高鹏云摘要：针对现有管理系统无法有效采集高校学生信息而导致系统的性能测试结果不理想等问题，提出了一种基于大数据的高校学生信息化管理系统。通过平均互信息特征提取方法进行学生信息功率频谱密度估计和融合，采用 k-均值聚类算法采集高校学生信息，整理和分析采集到的高校学生信息，依据各个高校的实际情况和调研部门的需求，结合浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）技术，开发和设计了高校学生信息化管理系统。关键词：BIM 技术；高速公路；设计；施工；一体化；应用中图分类号：TU205；U412；U412.36+6文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.08.054（甘肃恒通路桥工程有限公司，甘肃兰州730070）文章编号：1674-9146渊圆园23冤08原054原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44卷第 8 期2023年 8 月Vol.44No.8Aug.2023小距离。当不满足上述条件时，则直接判定出现了结构碰撞。2基于 BIM 技术的施工仿真由于高速公路施工阶段结构复杂，预制构件多，因此，必须从 BIM 技术的着力点入手，以保证施工方案的可行性5。将现场的布局信息以立体的形式呈现出来，便于管理者对现场的布局进行最优化、最大限度的调整，使施工更加有序、流畅，大大提高了施工效率，降低了工期的浪费6。运用 BIM软件建立了工程项目周围的地貌模型，对材料加工区、员工休息区、车辆停放区、物料堆放区等进行了合理的规划。在仿真过程中，采用开源场景图形系统（Open Scene Graph，OSG）场景数据组织方式，以下述描述代码为例。/创建简单图元osg:ref_ptrCreateSimpleGeom()osg:ref_ptr geode=new osg:Geode;/限制线宽osg:ref_ptr lineWidth=newosg:LineWidth;按照上述描述代码，对施工中的各个工序进行BIM 仿真。由于 BIM 的高度可视化，因此从某种意义上来说，它是一个真实的工程项目，可以通过BIM 技术的建模，针对工程项目的施工技术、场地的布置、人员的配置、施工组织的优化等，为具体的施工技术方案进行可视化的展示和优化7。使业主能够直观地了解工程项目的进展、费用、质量、安全等信息，使得决策人员能够及时了解工程项目的建设进度，从而提高工程项目管理的可操作性。BIM技术的可视化功能打破了平面图纸对想象力的限制。3设计施工一体化信息传递与融合为进一步实现设计与施工的一体化，对设计施工一体化信息传递与融合进行设计。首先，根据前述的设计阶段的信息需求，建立一套 BIM 模型的验证和检验工具，并对相关的结构参数进行分析8。其次，BIM 项目的主管要对模型进行验收，确保模型的格式、位置、参数、贴图等都是准确的，能够准确地输入到平台上：最后，根据 BIM 模型进行编码，引入工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS）成本计算，建立五维化模型，在项目实施过程中，建 筑信息模 型（BIM）+地理信息 系 统（Geographic Information System，GIS）可以清楚地看到各结构与各工点的进度、成本的消耗，并将各阶段的工艺顺序、工艺流程等进行详细的分析，从而找到提高项目质量的关键点。利用 BIM+GIS 技术，可以将施工过程中的施工计划和进度信息及时地传递给各个参与方，降低运输过程中的重复工作。本模块的主要功能是对建筑工程项目进行数据采集、监测和报警。数据采集主要由实验室数据采集、施工参数采集、监测预警等组成。并利用 BIM 技术进行工程项目的数字仿真，通过 Navisworks 软件实现工程项目进度信息的仿真，建立了实际进度、进度对比、计划进度、偏差分析信息库。在对设计施工一体化信息进行融合时，确定联立公式为Z3=Z1+K（Z2-Z1）；K沂0，1（4）式中：Z3为融合结果；Z1和Z2为需要融合的信息数据；K为融合系数。将式（4）作为依据，实现对设计施工一体化信息的融合。4高速公路应用案例本次选用的工程项目为该地区路网规划建设中的主要工程项目，该工程项目中的关键性施工节点较多，根据工程方反馈，该工程项目的设计难度较大、施工难度较高。根据工程方的要求，该工程项目共设立了 4 个停车区、5 个服务区与 15 个互通立交。设计中，需要全面考虑道路的走向、地形条件等因素，该工程项目整体上具有选址困难、影响因素诸多等特点。5BIM 技术的应用收效BIM 技术的应用需要遵循现代化原则，以数据交互为基础，以底层基础构件为支撑，为工程项目的一体化设计施工提供稳定、可靠的服务。一体化设计施工服务终端架构见图 1。深入整合高速公路工程项目业务需求、物联网（Internet of Things，IOT）设备、安全质量管理系统等，实现项目设计施工中资料进度、计量支付、质量检验等信息的贯通。并在 BIM 技术的支持下，实现在设计施工中对工程数据的多维度融合。在此基础上，利用组态方法，自动产生 BIM 界面和对接数据，使多个服务接口资源能够迅速地连接和整合。通过建立工程项目设计与施工之间的有效交流机制，使同一 BIM 模型数据在项目设计、变更、施工、加工等全过程中实现信息的实时共享与传递，此种设计施工方式突破了传统方式存在的信息交流障碍，保证设计资料在工程多个参与方之间建立有效的联系。通过该工程项目的示范协作，建立一种常规的设计与施工协作与沟通机制，为工程项目整个生命周期的进一步扩展提供保障。BIM 技术的一体化设计施工应用见图 2。高鹏云：BIM 技术在高速公路设计施工一体化中的应用研究 55 科技创新与生产力 2023年第 44卷第 8 期数据订阅多维数据呈现数据集市系统融入系统配置业务系统设备管理协议族库数据管理状态监视应用展示层缓存数据服务分布式负载均衡分布式文件系统公共业务组件服务平台层BIM图形引擎服务消息队列服务大数据处理服务数据层平台网关IOT感知层数据应答数据缓冲数据识别数据治理中间件数据库HbaseMySQLHadoopRedis边缘计算有线无线DTU协议TCP/IPSOAPHTTP工控电脑智能网关PLSDCSSCADA工业设备智能仪表在高速公路工程项目建设中，设计者利用 BIM模型，通过可视化技术向施工人员和管理人员进行技术和安全知识的交底，并对施工全过程和细节的控制进行精确、形象的描述。通过此种方式，保证施工方案的可操作性和前沿性，实现对工程项目虚拟施工方案的全面优化。基于模型和施工工序、工法的模拟，实现工程项目工序、工法的可视化，提高现场作业人员对工程项目方案的理解程度。除上述提出的内容，还可以利用 BIM 模型，对高速公路工程项目的施工现场进行三维布局，利用GIS 系统中集成的数据，从宏观上正确地反映工程项目现场布局，并利用电子沙盘对工程项目场地的现场布局进行综合分析，以便于对工程项目施工现场的优化管理。完成 BIM 技术在该工程项目设计施工中的应用后，总结并整理其应用成果，见图 3。6结束语通过上述研究，得到如下结论：根据图 3 BIM技术的应用成果展示内容可以看出，在工程项目的一体化设计施工中，应用 BIM 技术具有极高的价值和意义。在此基础上，利用 BIM 建立现场模型、路面路基模型、穿越桥梁精细化模型，可以将高速公路工程项目的设计与施工过程打造成一个有机的整体，以便于实现对设计全过程与施工全生命周期的规范化管理。参考文献：1王荣贤,毛雪萍.潮汕环线高速公路斜拉桥钢锚梁+钢牛腿组拼系统设计与施工J.工程技术研究,2022,7(21):179-181.2韩博,石雪瞾,李扬.S06 酒(泉)嘉(峪关)绕城高速公路基础设计及施工数字化应用J.工程建设与设计,2022(4):57-59.3宋文豪.高速公路绿化景观设计与施工:以奉贤区南庄路图 1一体化设计施工服务终端架构图 2BIM 技术的一体化设计施工应用（a）高速公路工程项目所在地的三维地形航测（b）三维地质模拟（c）施工线路比选（d）构建路基路面精细化模型（e）构建高速公路工程桥梁模型（f）构建高速公路工程桥梁模型场地勘测场地勘测BIM 设计施工管理卫星图片测绘地形图三维实景模型三维地质模型场景建筑模型道路设计模型桥梁设计模型隧道设计模型项目结构树编码WebGIS轻量模型无人机地形测绘地质结构分析地质刨切出图土石比计算碰撞检测三维数值模拟三维算量出图施工质量管理施工安全管理施工交底设计和模型校审人员班组与资产管理移动端展示图 3BIM 技术的应用成果 56 Research on the Application of BIM Technology in the Inte