張 超

基于4D-BIM的曲港高速公路質(zhì)量與安全研究

張 超

(河北曲港高速公路開發(fā)有限公司，河北 保定 073000)

為增強高速公路施工質(zhì)量安全管理水平，將4D與BIM (4D-BIM)技術(shù)應(yīng)用于項目施工的實際管理過程中，開發(fā)了基于BIM的曲港(河北曲陽至黃驊港)高速公路建設(shè)管理系統(tǒng)。在高速公路工程中，進(jìn)行了施工安全與質(zhì)量監(jiān)控及分析，并應(yīng)用了4D-BIM時變結(jié)構(gòu)安全分析系統(tǒng)。引入物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)、數(shù)字監(jiān)測等技術(shù)，對重點橋梁施工安全進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)施工的數(shù)字化管理，從而提升公路工程質(zhì)量安全管理水平。為BIM在高速公路工程質(zhì)量安全管理中的應(yīng)用提供了方法和實例，對深化施工階段BIM應(yīng)用具有重要價值。

BIM；4D-CAD；公路工程；質(zhì)量管理；安全管理

曲陽至黃驊港(曲港)高速公路是河北省“東出西聯(lián)”的高速通道之一。項目建成后，將成為我國西部地區(qū)以及河北省北部地區(qū)能源物資出海的集疏運快速通道。同時曲港高速有效串聯(lián)京昆高速、京港澳高速、規(guī)劃津石高速、大廣高速、京臺高速、京滬高速、長深高速等多條國家高速公路，是多條縱向國高的橫向聯(lián)絡(luò)線，該工程是河北省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。

本文以曲港高速公路項目為對象，在其建設(shè)和施工管理階段中引入BIM (building information model)技術(shù)和4D時變結(jié)構(gòu)安全分析技術(shù)，研究了BIM與4D技術(shù)在高速公路施工安全管理中的應(yīng)用。曲港高速公路作為重點控制性工程，質(zhì)量要求高，安全問題涉及范圍廣。采用先進(jìn)的4D技術(shù)和BIM技術(shù)相結(jié)合(4D-BIM)，在施工階段，提供了基于BIM的工程項目集成管理的相關(guān)功能，支持多工程領(lǐng)域、多應(yīng)用方、多專業(yè)的協(xié)同工作與動態(tài)管理。為了確保曲港高速公路項目施工的質(zhì)量安全、管理高效、優(yōu)質(zhì)順利地進(jìn)行，4D-BIM對項目施工質(zhì)量安全管理過程進(jìn)行科學(xué)的管理。

4D-CAD是基于4 dimension (4D)模型的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，其是在3D模型的基礎(chǔ)上，附加時間因素，將模型的形成過程以動態(tài)的3D方式表現(xiàn)出來的圖像化模型[1]。4D模型是一種可視的媒介，使用戶看到物體變化過程的圖形模擬，對整個形象變化過程進(jìn)行自動優(yōu)化和控制。目前，4D已逐步應(yīng)用到建筑施工模擬[2-3]、施工動態(tài)管理、大型公共建筑[4]等。BIM技術(shù)已逐步成熟，再配合4D技術(shù)則為實現(xiàn)建設(shè)項目動態(tài)化、集成化和可視化管理提供了新的途徑和方法[5]。最近有文獻(xiàn)討論了4D-BIM軟件在施工中的深度應(yīng)用[6]，說明4D也逐步成為施工管理的常規(guī)手段。

1 公路項目4D-BIM支撐技術(shù)

針對現(xiàn)代化復(fù)雜高速公路項目的特點，結(jié)合現(xiàn)場施工的具體需求，應(yīng)用4D-BIM的主要思想，將BIM系統(tǒng)與現(xiàn)場信息流無縫集成，本文提出了基于BIM的高速公路質(zhì)量安全管理全套支撐技術(shù)，如圖1所示。該技術(shù)集成多種數(shù)據(jù)源，以高速公路4D信息模型為基礎(chǔ)，形成4D管理功能，支持質(zhì)量管理和安全管理內(nèi)容。其技術(shù)具有如下特點：

(1) 適應(yīng)公路項目異時空的各參與方。由于高速公路線路很長，各參與方通常不可能經(jīng)常會面并舉行傳統(tǒng)的管理會議。而采用BIM技術(shù)就可以通過信息化平臺上為異地分布的業(yè)主、工程總承包、施工項目部等應(yīng)用主體提供完整的應(yīng)用流程[7]。最終在實現(xiàn)總體目標(biāo)時，滿足所有時空的實際需要。

(2) 實現(xiàn)公路項目的集成動態(tài)管理。通過建立基于實際安全監(jiān)測和質(zhì)量數(shù)據(jù)的BIM信息模型，將建筑物及其施工現(xiàn)場三維模型同施工質(zhì)量、安全及場地信息集成為一體。然后連接BIM具有的多層次線路管理技術(shù)，實現(xiàn)了高度集成化的4D管理、實時控制和動態(tài)模擬。

本系統(tǒng)主要包含3個部分(圖1右側(cè))：①CS系統(tǒng)：部署中心服務(wù)器、BIM管理平臺及BIM數(shù)據(jù)庫，直接操作BIM模型，實時信息反饋各種項目管理業(yè)務(wù)；②BS系統(tǒng)：通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)錄入、信息查詢、模型瀏覽及項目綜合管理業(yè)務(wù)；③MS系統(tǒng)：利用移動端APP實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)控、質(zhì)檢圖釘?shù)纫苿討?yīng)用業(yè)務(wù)；利用手機微信實現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全的數(shù)據(jù)采集與信息填報。

圖1 高速公路4D-BIM技術(shù)結(jié)構(gòu)

2 4D質(zhì)量管理與安全監(jiān)測

2.1 4D動態(tài)質(zhì)量管理

本文采用基于BIM的動態(tài)時間與位置的施工現(xiàn)場質(zhì)量與安全管理流程，并且結(jié)合4D功能實現(xiàn)一定的動態(tài)性。傳統(tǒng)的工地質(zhì)量管理期望能夠發(fā)現(xiàn)在施工過程中并未納入考慮過的潛在質(zhì)量或安全問題[8]，在建設(shè)工地中，所有與此相關(guān)的人均可發(fā)現(xiàn)并提交這些問題[9]。而BIM平臺自然提供了完成質(zhì)量管理的功能流程。

該流程始于用戶對工地中某部位的安全或質(zhì)量疑惑。之后用戶通過交互式定位進(jìn)行問題的定位，并檢查4D模型的關(guān)聯(lián)信息和歷史狀態(tài)，并創(chuàng)建一個任務(wù)[10]，最終將其標(biāo)記在BIM平臺中。一般管理過程在問題解決并檢查無誤后，還需要進(jìn)行歸檔處理[11]。4D技術(shù)不但實現(xiàn)靜態(tài)的存儲，更將時變模型與質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)，支持高效直觀的查看、搜索和分類匯總，這是傳統(tǒng)手段所不及的。

2.2 4D安全監(jiān)測

針對項目安全管理的需求，特別是高速公路橋梁的施工期結(jié)構(gòu)安全，本項目應(yīng)用了基于4D的施工安全管理系統(tǒng)，在BIM平臺上進(jìn)行施工期建筑結(jié)構(gòu)安全分析。此外，采用4D技術(shù)加入時間維度，就可根據(jù)不同時間加入項目的各分包單位提供跨時間的應(yīng)用支持。首先，需要將結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，以形成完整的BIM安全管理的數(shù)據(jù)[12]。圖1中，4D時變安全分析模型將模型信息與時變結(jié)構(gòu)安全分析模型集合成一體，應(yīng)用于時變結(jié)構(gòu)安全分析的子信息模型中。結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的基本架構(gòu)包括：核心的4D信息模型、主導(dǎo)的4D管理及目的的時變結(jié)構(gòu)安全分析。

在高速公路橋梁的安全監(jiān)測中，較為關(guān)鍵的應(yīng)用點是從4D信息模型中獲取的信息，并結(jié)合設(shè)計規(guī)范的荷載取值，采用隨機模擬，自動形成結(jié)構(gòu)分析所需的分析模型、抗力隨機過程以及荷載效應(yīng)隨機過程，從而計算對應(yīng)時點結(jié)構(gòu)安全性能指標(biāo)的分析方法。將4D管理與時變結(jié)構(gòu)安全分析等其他多方應(yīng)用結(jié)合起來，為其應(yīng)用提供統(tǒng)一的信息獲取源。同時也是對4D信息模型的有效擴充與改進(jìn)，支持設(shè)計、施工和結(jié)構(gòu)信息在信息模型中的統(tǒng)一管理與應(yīng)用，可為施工項目進(jìn)行的時變結(jié)構(gòu)安全動態(tài)分析提供信息支持。

3 應(yīng)用實例

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況概述

曲港高速公路沿線大型橋梁較多，工程量大、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大，并且路線交叉、房建工程等單點工程眾多，對精細(xì)化施工安全管理要求高。項目建設(shè)對當(dāng)?shù)卦械缆返挠绊戄^大，施工前需要進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、協(xié)調(diào)，對施工組織設(shè)計高，尤其是新建道路與老路交叉和干擾路段，施工期間需要保障舊路的暢通，盡量減少對當(dāng)?shù)亟煌ǖ挠绊懀瑫r避免當(dāng)?shù)亟煌ㄓ绊懯┕ぐ踩ｍ椖繛榈湫偷拈L線高速公路工程，多點、多專業(yè)同時施工，施工信息采集地理跨度大、信息類別眾多、信息流大，質(zhì)量安全管理檢測數(shù)據(jù)信息量巨大。

在質(zhì)量管理方面，用戶在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與安全問題時，可利用移動端交互式定位、捕捉問題構(gòu)件并填報問題。在BIM平臺的計算機客戶端可查看到問題的位置與詳細(xì)情況，同時查看到項目管理系統(tǒng)中的處理流程。

(1) 質(zhì)量安全問題填報。利用移動端，現(xiàn)場人員將施工現(xiàn)場的各種情況拍下來，標(biāo)注位置、問題性質(zhì)等各種屬性，實時上傳到BIM服務(wù)器，并與BIM模型相關(guān)聯(lián)，發(fā)起整改流程。并將含時間屬性的動態(tài)信息存儲至4D-BIM數(shù)據(jù)庫；

(2) 問題查詢和處理。在移動端、網(wǎng)頁端和PC端能夠查詢并處理問題，整改完成閉合；

(3) 自動生成質(zhì)量巡檢報告。自動生成質(zhì)量安全整改通知單；

(4) 質(zhì)量安全問題與BIM模型關(guān)聯(lián)。通過圖釘，將問題和模型構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，支持4D時間維度上的綜合查詢。

在橋梁安全管理方面，本項目實現(xiàn)了將監(jiān)測點位置直觀展示在模型上，單擊監(jiān)測點圖釘可以查看該點的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，網(wǎng)頁端設(shè)定閾值，對問題數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。建立與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，可在模型中增加視頻監(jiān)測點位置，并對比現(xiàn)場監(jiān)控圖像與模型(圖2)。

圖2 BIM安全監(jiān)測平臺

3.2 橋梁施工安全管理

將4D技術(shù)的橋梁時變安全監(jiān)測試點應(yīng)用于曲港高速跨京廣鐵路大橋。本項目引入物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)、數(shù)字監(jiān)測等技術(shù)，在BIM與GIS集成的基礎(chǔ)上對重點橋梁施工安全進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的施工的數(shù)字化管理。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字監(jiān)測信息，實現(xiàn)了橋梁BIM中構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全信息與橋梁數(shù)字監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成方法與技術(shù)，實現(xiàn)橋梁施工安全管理。針對結(jié)構(gòu)安全，進(jìn)行實時的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，同時在BIM數(shù)據(jù)庫中，通過與結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)的對比，判斷目前的結(jié)構(gòu)受力情況是否符合要求。從而保證了施工過程中的結(jié)構(gòu)安全，為施工效率提升提供有力支持。由于加入了4D信息，分析的結(jié)果可存于BIM平臺的三維模型中，按時間組成圖形顯示監(jiān)測信息，隨時進(jìn)行播放，為管理人員提供直觀方便的視圖。

3.3 質(zhì)量安全問題多平臺應(yīng)用

3.3.1 微信端管理

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)質(zhì)量安全問題，直接在微信端上傳圖片，填寫問題的描述和整改要求，發(fā)送給整改人；整改人實時在微信端收到整改通知，整改完成，回復(fù)整改情況以及整改后的照片；發(fā)起人收到整改完成通知，并對整改情況進(jìn)行驗收，驗收通過形成閉環(huán)(圖3)。填報的數(shù)據(jù)實時反饋到客戶端，并生成日報、周報和月報。

3.3.2 網(wǎng)頁端管理

網(wǎng)頁端實時同步所有微信端填報的問題，包括所填報的質(zhì)量和安全問題，并對所有的問題數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯(圖4)；可以微信形式直接向現(xiàn)場人員發(fā)送整改通知或驗收通知；并按照項目整改通知單的格式自動將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，生成word格式的整改通知單(圖5)。

圖3 微信端填報

圖4 質(zhì)量問題網(wǎng)頁端填報

圖5 網(wǎng)頁端質(zhì)量安全問題整改單生成

3.3.3 PC端管理

PC端實現(xiàn)了同步質(zhì)量安全問題的所有數(shù)據(jù)傳至BIM平臺，并且以多種形式展現(xiàn)。圖6左框為相關(guān)質(zhì)量問題的列表，單擊某個問題右側(cè)即可看到此問題的所有數(shù)據(jù)和經(jīng)辦流程(圖6右)。每個問題均以圖釘?shù)姆绞綊旖拥綄?yīng)的模型上，同時高亮顯示該問題關(guān)聯(lián)的構(gòu)件，實現(xiàn)三維模型中的查看(圖6中)。豐富的信息結(jié)合可視化BIM的展現(xiàn)，令所有問題詳情及對應(yīng)發(fā)生的部位一目了然，方便現(xiàn)場管理人員處理。

圖6 PC端質(zhì)量安全問題標(biāo)示

4 結(jié)束語

針對高速公路的工程特點，綜合應(yīng)用BIM和4D技術(shù)，研究了施工安全與質(zhì)量監(jiān)控及分析技術(shù)，介紹了4D-BIM時變結(jié)構(gòu)安全分析系統(tǒng)和了基于BIM的曲港高速公路建設(shè)管理系統(tǒng)的架構(gòu)和功能。實際工程應(yīng)用表明，將4D-CAD技術(shù)和BIM有機結(jié)合并引入工程施工質(zhì)量安全管理和安全監(jiān)測之中，可以有效提高施工現(xiàn)場質(zhì)量安全問題的整改效率，優(yōu)化質(zhì)量安全管理流程。研究成果為施工提供了新的安全技術(shù)和質(zhì)量安全管理工具，對于提高高速公路施工質(zhì)量管理和安全管理水平，具有理論創(chuàng)新意義以及對同類工程的參考價值。

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4D-BIM Based Quality and Safety Management for Qugang Highway

ZHANG Chao

(Hebei Qugang Expressway Development Company, Baoding Hebei 073000, China)

In order to improve the construction quality and safety management level of Qugang highway, this paper utilized 4D-BIM technology in a highway construction project. Construction safety and quality monitoring and analysis were carried out in highway quality and safety management, and a 4D-BIM time-varying structural safety analysis system was applied. This study introduces technologies such as the Internet of things, intelligent sensing technology, and digital monitoring to dynamically monitor the construction safety of key bridges and realize digital management of construction based on the Internet of things, thus improving the quality and safety management level of highway construction. This study provides methods and examples for the application of BIM in the quality and safety management of road construction, and is of great value for deepening the application of BIM in the construction phase.

BIM; 4D-CAD; road construction; quality management; safety management

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040778

A

2095-302X(2019)04-0778-05

2019-01-16；

定稿日期：2019-04-22

張 超(1979-)，男，河北泊頭人，高級工程師，本科。主要研究方向為交通土建工程。E-mail：1090992297@qq.com