1.6.5 项目实施各阶段BIM应用要点
1.6.5.1 规划阶段
在规划阶段采用建筑信息模型（BIM）流程，有助于优化项目的走廊选择，明确功能定位和主要服务对象，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，利于高层抉择。
1.6.5.2 勘测阶段
多年来，国内外学者陆续将BIM技术及GIS、GPS、北斗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程。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。
1.6.5.3 设计阶段应用
1.设计企业应用BIM的主要内容
（1）方案设计：使用BIM技术除了能进行造型、体量和空间分析外，还可以同时进行能耗分析和建造成本分析等，使得初期方案决策更具有科学性。
（2）初步设计：建筑、结构、交通、机电等各专业建立BIM模型，利用模型信息进行能耗、结构、声学、热工、日照等分析，进行各种干涉检查和规范检查，以及进行工程量、造价等统计。
（3）施工图设计：各种平面、立面、剖面图纸和统计报表都从BIM模型中得到。
（4）设计协同：设计有十几个甚至几十个专业需要协调，包括设计计划、互提资料、校对审核、版本控制等。
（5）设计工作重心前移：目前设计师50%以上的工作量用在施工图设计阶段，BIM可以帮助设计师把主要工作放到方案研究和初步设计阶段，使得设计师的设计工作集中在创造性劳动上。
2.公路工程的设计阶段BIM主要工作
（1）道路建模。利用BIM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），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，所以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，可更快速地计算现有曲面和设计曲面之间的土方量。使用生成的土方调配图表，可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设计图。
（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、箱形涵洞和其他交通结构物。
1.6.5.4 施工阶段应用
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。此外还制定了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。目前，施工企业应用BIM的主要内容为：
（1）碰撞检查，减少返工。利用BIM的三维技术在前期进行碰撞检查，直观解决空间关系冲突，优化工程设计，减少在建筑施工阶段可能存在的错误和返工，而且优化净空，优化管线排布方案。最后施工人员可以利用碰撞优化后的方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量，同时也提高了与业主沟通的能力。碰撞检测运用的软件主要是Autodesk Naviswork。
（2）模拟施工，有效协同。三维可视化功能再加上时间维度，可以进行进度模拟施工，随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同。这样项目参建方都能对工程项目的各种问题和情况了如指掌，从而可减少建筑质量问题、安全问题，减少返工和整改。利用BIM技术进行协同，可更加高效地进行信息交互，加快反馈和决策后传达的周转效率。利用模块化的方式，在一个项目的BIM信息建立后，下一个项目可类比地引用，达到知识积累的目的，同样的工作只做一次。施工模拟软件主要是Bentley Navigator。
（3）三维渲染，宣传展示。三维渲染动画，可通过虚拟现实让客户有代入感，给人以真实感和直接的视觉冲击，配合投标演示及施工阶段调整实施方案。建好的BIM模型可以作为二次渲染开发的模型基础，大大提高了三维渲染效果的精度与效率，给业主更为直观的宣传介绍，在投标阶段可以提升中标概率。
（4）知识管理。保存信息模拟过程可以获取施工中不易被积累的知识和技能，使之变为施工单位长期积累的知识库内容。
另外，通过基于BIM的碰撞检测与施工模拟，可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。
1.6.5.5 运维养护阶段应用
2019年10月1日上午，正在全国人民庆祝中华人民共和国成立70周年的时候，台湾宜兰县的南方澳跨海大桥发生了垮塌。南方澳大桥是一座双叉式单拱的钢拱桥，跨越南方澳渔港，主跨140 m，桥宽15 m，于1987年建成。在跨中有一个吊索出现了突然断裂，当一个拱桥的吊索出现断裂时，会伴随着较大的声音，同时原来在吊索中存在的内力会突然释放出来，相当于突然在拱桥上施加一个瞬时的外力。这个瞬时的荷载，会让拱桥产生较大的冲击与振动。如果其他吊索也存在一定的病害，就会被突然拉断。桥面设计时仅考虑悬吊在吊索上。当吊索出现断裂时整个桥面就会出现承载力不足而开裂甚至向下垮塌的现象，随着桥面的向下垮塌，主梁变形进一步加大，在跨中部位出现了非常大的弯矩，最终在跨中形成了一个塑性铰，进而出现桥面折断。
随着桥面的进一步向下垮塌，原来水平的直梁变成了弯曲的曲梁，进而造成桥面系在水平向的长度发生了变化，并将主拱圈拉离了支座，造成主拱圈滑入水中。随着主拱圈的进一步垮塌，整个桥梁落到了海面，出现较大的水花。随着拱桥碰到支撑物（渔船）或海床，桥面系统开始停止运动，但上部的拱圈在巨大的动能作用下继续向下运动，进而将主拱圈的薄弱环节折断。拱桥的吊索，实际上处于很恶劣的工作环境中。当车辆或其他荷载经过时，吊索不仅是承担主拱圈与桥面系的振动，还要承受自身的横向振动。与此同时，由于空气中含有大量的水分（包括部分酸雨），造成吊索及其锚固构件出现腐蚀，实际的使用寿命只有10～20年。桥梁界的同行们通过很多手段可以检测到吊索、拱脚、水下基础、桥面等病害。吊索等各个部位的检测、监测与预防性养护，引起了业界对加快养护工作信息化监测、监控、及时养护管理的高度重视。
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中，在公路建设、路政执法和资产管理方面取得了较好的效果。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，它们采用不同的数据格式和交换格式，这导致数据无法整合到统一的地理数据平台上进行有效共享，从而使得部门之间难以实现高效协同。
高速公路智慧化运营维护是在高速公路重要结构物传统养护管理的基础之上，引入基于BIM的信息化、网络化、参数化的技术手段，建立各管养参与方共享的协同管理平台。其主要思路如下：实现结构物基本数据的继承与共享，结构物信息由设计阶段传递到施工阶段，最终传递到运营阶段；建立协同工作数据库集成各参与方的项目信息，实现数据的共享、传递与操作权限，引入可优化的结构物运营期相关参数。结构物建设、运营、养护等各阶段的信息都需要信息载体，以所建立的BIM模型为载体，对各阶段的信息进行整合形成信息模型。根据所建立的信息模型实现运营阶段的设施设备管理、用户管理、方案优化、养护进度控制、防灾减灾等功能。基于国内外高速公路运营管理的先进经验总结，结合当前BIM的发展趋势，在对公路及其重要控制性工程进行深入研究分析的基础上，构建基于参数化智能技术的高速公路运营管理平台，以优化高速公路的运营管理。其主要内容如下：
（1）国内外高速公路的运营管理方案及平台。
知己知彼，方可运筹帷幄。通过梳理分析国内外高速公路运营管理方案及平台，总结其在机构设置、平台搭建等方面的先进经验，为本课题构建雅康高速公路参数化智能管理运营平台提供逻辑框架设计及系统平台构建等方面的经验借鉴，同时关注其他高速公路运营管理方案和平台的短处或不足，总结错误教训，避免重蹈覆辙。
（2）当前高速公路运营管理的现状及存在的问题。
梳理当前国内高速公路运营管理的主要流程以及内容，并通过调研访谈的方式了解当前国内高速公路运营管理存在的问题，然后对存在的问题进行深入分析；另外，基于文献查阅的方式，把握该领域的先进技术走向，紧跟技术发展趋势，奠定课题研究的现实基础。
（3）高速公路运营管理平台相关的参数化智能技术。
课题依托雅康高速重大节点工程，收集相应工程资料，根据图纸等基本资料建立隧道、桥梁、大型互通等构造物的BIM模型，模型精度等级为LOD4.5。各种构造物包含基本元素，如隧道主要内容包括山体、隧道（隧道入口、隧道洞内、隧道出口）、消防水池、横通道（车行横通道、人行横通道）、隧道竖井、隧道洞口变电所、隧道洞内变电所、隧道洞内救援点、隧道控制柜、应急停车带、通风管道、消防管道、洞内景观带等；机电设备的布置、几何属性、数量等完全参照机电图纸，包括标志类设施。对于设有健康监测装置的构造物，则建立相应的传感器、监测器单元。
（4）参数化智能高速公路运营管理平台设计。
在高速公路重要结构物传统养护管理的基础之上，引入基于BIM的信息化、网络化、参数化的技术手段，建立各管养参与方共享的协同管理平台。具构建思路主要如下：实现结构物基本数据的继承与共享，结构物信息由设计阶段传递到施工阶段，最终传递到运营阶段，建立协同工作数据库集成各参与方的项目信息，实现数据的共享、传递与操作权限，引入可优化的结构物运营期相关参数。结构物建设、运营、养护等各阶段的信息都需要信息载体，以所建立的BIM模型为载体，对各阶段的信息进行整合形成信息模型。根据所建立的信息模型实现运营阶段的设施设备管理、用户管理、方案优化、养护进度控制、防灾减灾等功能。
（5）参数化智能高速公路运营管理平台的应用示范。
依托具体工程，基于结构物运营管理系统框架，完善模型层、数据层相关信息，并建立相应功能模块，通过统一数据格式，实现BIM技术在结构物养护、运营期的参数化智能应用。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。
①空间管理。空间管理主要应用于照明、消防等各系统和设备空间定位，获取各系统和设备空间位置信息，把原来的编号或者文字表示变成三维图形位置，直观形象且方便查找。
②设施管理。设施管理主要包括设施的装修、空间规划和维护操作。美国国家标准与技术协会（NIST）于2004年进行了一次研究，业主和运营商在持续设施运营和维护方面耗费的成本几乎占总成本的三分之二。而BIM技术的特点是，能够提供关于建筑项目的协调一致的、可计算的信息，因此该信息非常值得共享和重复使用，且业主和运营商便可降低由于缺乏互操作性而导致的成本损失。此外，还可对重要设备进行远程控制。
③隐蔽工程管理。在建筑设计阶段会有一些隐蔽的管线信息是施工单位不关注的，或者说这些资料信息可能在某个角落里，只有少数人知道。特别是随着建筑物使用年限的增加，人员更换频繁，这些安全隐患显得日益突出，有时直接酿成悲剧。基于BIM技术的运维可以管理复杂的地下管网，如污水管、排水管、网线、电线以及相关管井，并且可以在图上直接获得相对位置关系，当改建或二次装修的时候可以避开现有管网位置，便于管网维修、更换设备和定位。内部相关人员可以共享这些电子信息，有变化可随时调整，保证信息的完整性和准确性。
④应急管理。基于BIM技术的管理不会有任何盲区。公共建筑、大型建筑和高层建筑等作为人流聚集区域，突发事件的响应能力非常重要。传统的突发事件处理仅仅关注响应和救援，而通过BIM技术的运维管理对突发事件管理包括预防、警报和处理。通过BIM系统我们可以迅速定位设施设备的位置，避免了在浩如烟海的图纸中寻找信息，如果处理不及时，将酿成灾难性事故。
⑤节能减排管理。BIM结合物联网技术的应用，使得日常能源管理监控变得更加方便。安装具有传感功能的电表、水表、煤气表后，可以实现建筑能耗数据的实时采集、传输、初步分析、定时定点上传等基本功能，并具有较强的扩展性。系统还可以实现室内温湿度的远程监测，分析房间内的实时温湿度变化，配合节能运行管理。在管理系统中可以及时收集所有能源信息，并且通过开发的能源管理功能模块，对能源消耗情况进行自动统计分析，比如各区域、各户主的每日用电量、每周用电量等，并对异常能源使用情况进行警告或者标识。