向衛(wèi)國 常 海 李瑞雨 許 哲 黃子暉

(1.深圳市前海建設投資控股集團有限公司，深圳 518000； 2.深圳市前海數(shù)字城市科技有限公司，深圳 518000)

引言

隨著社會需求、經濟發(fā)展和科技進步，近年來國內諸如奧運會場館工程、世博會園區(qū)工程、新城區(qū)市政工程等區(qū)域性、群體性、復雜性工程日益增多，呈現(xiàn)出“集群”的系統(tǒng)工程特性。特別是以雄安新區(qū)、深圳前海為代表的國家級戰(zhàn)略平臺，其市政工程建設規(guī)模體量、標準水平、質量品質以及作為先行示范所面臨的短時間群體項目集中開發(fā)挑戰(zhàn)都是前所未有的。這類市政工程項目功能特性顯著、類型眾多、組織管理模式相近，項目相互關聯(lián)并構成系統(tǒng)，屬于新城區(qū)集群市政工程[1]。然而，傳統(tǒng)工程在實施過程中的管理模式在信息溝通的方式中存在落后、過程、組織管理割裂等問題，在新城區(qū)將制約集群市政工程整體目標的實現(xiàn)。有必要基于工程建設項目集成管理理論結合BIM的關鍵技術，探索集群項目基于BIM技術的管理模式，助力城市片區(qū)集群市政工程建設管理向著數(shù)字化、集成化、智慧化的方向發(fā)展。

1 項目背景及概況

1.1 前海規(guī)劃與集群市政工程建設情況

前海深港現(xiàn)代服務業(yè)合作區(qū)(下文中簡稱“前海合作區(qū)”“前海”)在2000年之前是灘涂、濱海海域和基圍，經過十余年的填海造地形成的陸域面積約15km2，現(xiàn)位于珠江入海口的東岸、深圳南山半島的西側。前海區(qū)位如圖1所示。前海合作區(qū)規(guī)劃桂灣、前灣、媽灣三個片區(qū)，總建設規(guī)模約2 600萬m2，建設投資約3 898億元。前海開發(fā)建設面臨質量標準要求高、規(guī)模體量大、項目種類多、工期緊、強度大等問題。需要總體統(tǒng)籌前海市政基礎設施項目的全面實施，既要加快在建項目的實施，又要考慮新項目在后續(xù)開展的過程中與區(qū)域內建設項目之間產生的矛盾和沖突等問題。2012至2016年前海在建設模式經歷了多種嘗試，在總結以往的經驗基礎上，分析及研究前海作為新城區(qū)集群市政工程的特點及難點，提出針對集群類工程項目的集成管理方法。

圖1 前海區(qū)位圖

1.2 前海集群市政工程項目實施面臨的挑戰(zhàn)

1990年，我國科學家錢學森[2]提出綜合集成管理的方法，其本質是構建新的系統(tǒng)用于指導被管理的復雜系統(tǒng)工程。前海合作區(qū)集群市政工程的系統(tǒng)復雜，新系統(tǒng)的解決方法可以提供借鑒。通過建立起“事理”系統(tǒng)來用于管理，再創(chuàng)建“人理”系統(tǒng)來用于協(xié)調事理系統(tǒng)，從而有效解決工程面臨的“物理”問題，最終形成“人理—物理—事理”的系統(tǒng)集成。

(1)“人理”方面。前海開發(fā)建設的主體是人，建設過程涉及實施主體眾多，包括管理局、前海建投、地鐵集團、招商自貿，以及各個參建單位；

(2)“物理”方面。前海各類市政項目之間、與周邊地塊單元的開發(fā)項目之間縱橫交錯，面臨著大量的空間體系接口沖突和不協(xié)調情況；

(3)“事理”方面。使用傳統(tǒng)的二維圖紙溝通造成各參建方間信息的割裂，迫切需要采用統(tǒng)一的管控方式和信息集成方法。

1.3 前海集群市政工程項目集成管理BIM技術應用模式

集群項目集成化管理借鑒了綜合集成相關理論與制造業(yè)集成思想，以項目管理為目標的核心，通過集成管理思想來全面分析研究前海作為新城區(qū)集群市政工程的特點和項目管理面臨的“人理、物理、事理”挑戰(zhàn)，通過引入BIM技術等相關信息化技術的應用，實現(xiàn)集群項目管理的信息集成、過程集成及組織集成。

(1)基于BIM技術的組織集成應對“人理”挑戰(zhàn)。BIM技術是標準化關系型數(shù)據庫、采用參數(shù)化驅動來創(chuàng)建的信息模型，全專業(yè)工程信息模型將改善以往的組織模式，為集群項目跨組織、跨地塊的高效溝通創(chuàng)造條件；

(2)基于BIM技術的過程集成應對“物理”挑戰(zhàn)。BIM模型可貫穿全生命周期各階段，不同階段的各參建方將應用同一套模型進行協(xié)作，將有效避免全過程信息在不同階段出現(xiàn)斷層；

(3)基于BIM技術的信息集成應對“事理”挑戰(zhàn)。BIM模型的背后具有龐大的數(shù)據庫，同時可以掛接不同項目、不同階段、多參建方在建設過程輸入大量的信息。搭建BIM建設管理平臺將進一步集成各參建方對工程進度、質量、安全等要素的管控和調度。

綜上，實現(xiàn)前海合作區(qū)集群市政工程項目集成管理的方式是，基于BIM技術重新構建了組織集成、信息集成和過程集成，從而使集群項目的各項管控要素形成了有機的整體，這種優(yōu)勢是單項目管理所不具備的。

2 前海集群市政工程項目集成管理BIM技術應用

基于BIM技術實現(xiàn)新城區(qū)集群類市政工程項目的組織集成、過程集成和信息集成，分別通過BIM模型創(chuàng)建整合、BIM模型及其應用和搭建基于BIM的建管平臺來實現(xiàn)。

2.1 基于BIM的組織集成

虛擬組織和虛擬建設理論是BIM技術在組織集成上的重要體現(xiàn)，具體包含創(chuàng)建規(guī)劃信息模型，有效保障規(guī)劃管理的組織統(tǒng)籌和落地； 創(chuàng)建地理信息模型，促進跨地理空間項目的組織實施和管理； 創(chuàng)建地質模型，有利于在復雜地質條件下工程風險的研判； 創(chuàng)建及整合各類設施項目BIM模型，形成片區(qū)城市級模型； 最后將基礎模型、BIM模型整合為城市級模型，為組織的集成化提供可視化模擬仿真環(huán)境。

2.1.1 基礎模型創(chuàng)建

(1)大重疊率的地理模型創(chuàng)建

利用無人機對前海合作區(qū)進行傾斜攝影數(shù)據采集，確定坐標系環(huán)境，對影像數(shù)據、空三數(shù)據進行處理，經過匹配瓦片大小、區(qū)域范圍等參數(shù)，利用ContextCaptureCenter全自動實景建模軟件生成高分辨率傾斜攝影三維模型，通過動態(tài)單體化技術完成標準性建筑物單體化處理，再利用Bentley和主流3D GIS平臺完成模型整合和網絡輕量發(fā)布。模型效果如圖2所示。地理模型具有真實的三維數(shù)據信息，可進行任意截面剖切查看、面積量測、距離量測等。

圖2 前海傾斜攝影實景三維模型圖

(2)分區(qū)塊建模的地質模型創(chuàng)建

通過收集規(guī)劃勘察資料和地塊詳細勘察資料，利用三維勘察設計系統(tǒng)GeoStation，依照前海地質地層劃分標準，實現(xiàn)地質資料快速入庫，通過巖土體全自動建模、半自動建模、分區(qū)塊建模[3]、巖土界面生成等工具構建覆蓋相應區(qū)域的三維地質模型。模型范圍涵蓋桂灣、前灣和媽灣三個片區(qū)，模型信息包括地層(完整層、尖滅層)、鉆孔、地表水等內容。如圖4所示。三維地質模型可用于幾何查詢、地質分析、基于CAE的一體化分析。

圖3 地質區(qū)塊劃分

圖4 前海完整地質模型

(3)前海多層級規(guī)劃混合建模

前海規(guī)劃包含了綜合、單元、專項等多項不同層級的規(guī)劃，根據規(guī)劃資料，通過Autodesk Revit、Bentley MicroStation等主流的BIM建模軟件創(chuàng)建規(guī)劃信息模型[4]，包含了地面、景觀、道路、橋梁、河道、公園、規(guī)劃建筑、單元地塊等模型。如圖5所示。規(guī)劃信息模型可以用于各專項規(guī)劃的不協(xié)調檢查，統(tǒng)籌梳理不同層級規(guī)劃之間的錯漏碰缺，促進各規(guī)劃的順暢銜接。

圖5 規(guī)劃信息模型

2.1.2 基于統(tǒng)一標準的工程BIM模型創(chuàng)建

前海集群市政工程各階段BIM模型[5]采用Bentley、Revit、SketchUp、Rhino、CATIA、SolidWorks等主流的BIM建模軟件創(chuàng)建，范圍同樣覆蓋了前海合作區(qū)桂灣片區(qū)、前灣片區(qū)與媽灣片區(qū)，包括區(qū)域全部市政工程項目資料數(shù)據整理、創(chuàng)建模型、整合模型數(shù)據及動態(tài)更新。嚴格按照前海制定的BIM相關標準要求進行建模，部分模型見圖6-圖8所示。

圖6 市政道路、隧道市政基礎設施模型

圖7 橋梁三維模型

圖8 市政管廊模型

2.1.3 模型整合

前海新城區(qū)開發(fā)建設既要總體統(tǒng)籌區(qū)域規(guī)劃、項目設計和施工落地，還要總體統(tǒng)籌各項目間空間接口協(xié)調和建設時序，這就涉及到將上述地理信息模型、三維地質模型、規(guī)劃信息模型以及各單體項目設計階段及施工階段的BIM模型進行整合[6]，通過不同軟件之間的模型轉換以及BIM與GIS的模型轉換技術，可以完成不同BIM模型之間的數(shù)據格式轉換，最終統(tǒng)一轉換為.dgn格式在同一坐標系下基于Microstation軟件完成整合，建立起前海片區(qū)的城市級BIM模型。整合模型主要包含工作：規(guī)劃模型與建筑方案設計模型的整合、各關聯(lián)項目相關模型間的整合、單體項目BIM模型與基礎模型間的整合[7-8]。如圖9-10所示。

圖9 方案設計模型與原有規(guī)劃模型整合

圖10 地質模型與傾斜攝影模型疊加

2.2 基于BIM的過程集成

2.2.1 縱向過程集成

(1)基于BIM的三維圖紙會審。通過對各專業(yè)BIM的整合模型來校核各專業(yè)間大豎向上和總平面的一致性、物理空間沖突、排布管線、凈空及預留預埋等情況。

(2)基于BIM的施工深化設計。具體包含了基于BIM的市政道路、景觀園林、橋梁結構、地下管網、鋼結構、盾構管片等專業(yè)的深化。

(3)基于BIM的道路交通疏解。在BIM模型上疊加整合地理信息模型，對施工過程交通走向、疏解方案、管線遷改及其保護過程進行模擬，對交通疏解方案進行優(yōu)化。

(5)基于BIM的施工場地布置。按照統(tǒng)一標準創(chuàng)建施工機械設備、臨時設施等模型庫，建立施工組織場地布置模型，基于模型和工程組織實際對場地布置進行預演分析。

(6)基于BIM的施工方案模擬。根據施工組織方案基于BIM模型開展方案模擬分析、對比優(yōu)化，結合實際需要輸出模擬、技術交底動畫視頻，促進資源合理配置。

(7)大型設備運輸路徑方案模擬。建立運輸設備需要的總裝BIM模型，錄入附加信息，對設備檢修路徑及安裝檢修空間等進行模擬，優(yōu)化施工場地和設備進場組織實施方案。

(8)景觀BIM應用。創(chuàng)建項目所需的植物和小品等BIM模型庫，結合地理信息模型整合建立項目場地模型，根據項目需求布置植物和小品，優(yōu)化景觀排布等并對模型進行總裝與渲染，開展日照、四季、視域等分析。

(9)基于BIM的城市風貌展示及規(guī)劃核查。通過前海規(guī)劃信息模型和各項目BIM模型創(chuàng)建整合，對區(qū)內市政道路、過街天橋、景觀橋、水環(huán)境、景觀園林、空中步道、地下通道、城市軌道交通、地下設施模型、市政管網等，開展設計成果與規(guī)劃的合規(guī)性檢查，輔助規(guī)劃統(tǒng)籌和協(xié)調。同時可以多角度展示前海未來城市面貌和海上天際線輪廓，開展視域、通視等分析，在城市規(guī)劃建設的過程中提供直觀和科學的決策支撐。

(10)建筑多方案對比?？梢愿鶕枰獙⒍鄠€已出讓地塊的不同建筑方案同時與周邊項目模型進行精準的整合，并與整個區(qū)域三大基礎模型進行總裝，通過GIS軟件來實現(xiàn)多屏的展示與聯(lián)動，通過VR和AR等技術來開展多方位、多視角展示分析，從前海整體風貌來選擇最優(yōu)建筑方案。

2.2.2 橫向過程集成

(1)基于BIM的接口協(xié)調。創(chuàng)建關聯(lián)項目接口模型，對各接口施工場地邊界、交叉施工組織進行校核，避免發(fā)生場地空間上的沖突，當出現(xiàn)偏差的先行施工部位，其對后續(xù)施工部位的影響可提前預判。接口協(xié)調成果詳見圖11。

圖11 接口協(xié)調 BIM 模型細部

(2)基于BIM的城市片區(qū)“生長”模擬。利用前海城市級BIM模型創(chuàng)建整合，開展城市片區(qū)“生長”過程模擬，優(yōu)化單元規(guī)劃建設總體建設時序統(tǒng)籌和接口協(xié)調。

(3)城市片區(qū)地下空間分析。利用整合的前海區(qū)域地下空間模型，對總體規(guī)劃之間、各專業(yè)之間以及專項與專業(yè)規(guī)劃之間的沖突進行核查，實現(xiàn)地下工程中各片區(qū)間、各項目間的綜合分析與協(xié)調。成果詳見圖12。

圖12 地下空間與地上建筑及設施關系

2.3 基于BIM的信息集成

搭建基于BIM的建設管理平臺是實現(xiàn)前海集群市政工程項目信息集成的主要體現(xiàn)。平臺為各參建方提供統(tǒng)一的信息入口，基于項目BIM模型載體集成各階段信息，促進各參建方信息共享，強化各方溝通協(xié)調[9]。平臺開發(fā)運用BIM+GIS等關鍵信息技術，采用統(tǒng)一的B/S和C/S混合模式，利用Restful標準化接口來開展的微服務作為服務主線，建立系統(tǒng)總體架構[10]。平臺中的項目群功能主要結合了項目群管理信息與項目群BIM模型總裝共享[11]，通過工作流實現(xiàn)任務下達、進度監(jiān)控和資源調度，包括總控平臺、總體進度、質量、安全管理、綜合展示等模塊。

(1)項目群總控臺

依托項目群BIM模型建立的前海區(qū)域“數(shù)字沙盤”與建設管理平臺緊密融合，對各項目群工程數(shù)據信息進行精確策劃、總體統(tǒng)籌，在建設過程中及時發(fā)現(xiàn)項目群的各類項目問題，并提出相應的整改措施，為項目群的科學管理提供數(shù)據支持、輔助決策。如圖13所示。

圖13 項目群總控看板

(2)綜合展示

依托地理、地質和規(guī)劃三大基礎模型以及各類設施BIM模型的創(chuàng)建整合模型，可對工程項目內外部及周邊項目、周邊環(huán)境作全方位多角度展示查看[12]。將BIM模型與各項數(shù)據掛接可用于展示項目整體情況、空間分布、項目間關聯(lián)等信息?；A模型展示區(qū)域三維規(guī)劃信息模型、地理信息模型、三維地質模型等內容。如圖14。

圖14 三維規(guī)劃模型

(3)質量管理

質量管理模塊將深度分析大型群體工程中影響質量的各種因素，并通過對其控制和調整使總體工程質量保持在良性區(qū)間。項目群質量管理模塊和單體項目質量管理模塊保持銜接和數(shù)據互通，對各類關鍵質量數(shù)據進行統(tǒng)籌分析管控，最終項目群將形成全面、清晰、實時的質量分析報告，供項目管理人員查看。

(4)安全管理

項目群安全管理模塊按照事前預防、事中控制、事后反饋原則，做到與單體項目的安全管理模塊保持銜接和數(shù)據互通，安全隱患和數(shù)據實時匯總更新，同時進行全面分析，確保各項目的安全隱患及時得到傳達和處理，實現(xiàn)項目群安全隱患的實時預警、安全指數(shù)趨向平穩(wěn)。

(5)進度管理

項目群的總體進度管理實施管理的重要內容、是動態(tài)的控制過程。該模塊和單體項目的進度管理模塊相掛接和數(shù)據互通，在項目群的實施過程中可對進度信息進行分析，自動解析進度問題，數(shù)據可以實時、動態(tài)傳遞，對進度問題及時預警，總體把控項目群進度。

3 結論

對深圳前海合作區(qū)的規(guī)劃建設和群體性工程項目建設特點和難點開展深入研究，基于綜合集成法和集成管理思想對工程實施過程中所面臨的“人理”、“物理”、“事理”挑戰(zhàn)進行分析。在準確把握前海合作區(qū)集群市政工程概念下，結合BIM等關鍵技術的應用，前海在國內首次開展了區(qū)域性城市規(guī)劃信息、地理信息和三維地質三大基礎模型的創(chuàng)建，同時開展各類集群市政、房屋建筑工程的模型創(chuàng)建整合和應用。在前海開發(fā)建設全過程中搭建了基于BIM的建設管理平臺，開展了基于BIM的設計施工一體化應用工作?？傮w構建了前海集群市政工程項目在BIM技術支撐下信息集成、過程集成、組織集成和集成管理模式，有力促進了前海整體基礎設施建設工程項目整體目標的實現(xiàn)。