郁 蔥

(中國土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

BIM(建筑信息模型)是建設(shè)工程及其設(shè)施的物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)[1]，其主體是模型，本質(zhì)是信息[2]。BIM概念雖在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)提出，但直到本世紀(jì)初隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，BIM研究和應(yīng)用才得到突破性發(fā)展。經(jīng)過近20年的發(fā)展，歐美發(fā)達(dá)國家已在BIM技術(shù)應(yīng)用方面取得了領(lǐng)先地位。我國BIM應(yīng)用起步較晚，2008年上海中心項(xiàng)目首次采用BIM技術(shù)。2012年之后，政府部門逐步開始接觸并推廣該技術(shù)，BIM技術(shù)在國內(nèi)得到迅速發(fā)展[3－4]。

對(duì)于建筑行業(yè)來說，BIM是一次真正的信息革命[5]。BIM通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，通過信息有效傳遞、同步更新、資源共享，實(shí)現(xiàn)參與方相互協(xié)調(diào)、施工過程仿真模擬。BIM技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜工程、高層建筑、大體量、大跨度工程，在提高效率、保證質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期等方面發(fā)揮出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，勢(shì)在必行。

2 工程背景

2.1 工程概況

澳氹第四條跨海大橋項(xiàng)目，位于澳門友誼大橋東側(cè)，大橋主線全長3.085 km，其中跨海段長2.86 km，主橋?yàn)?聯(lián)(202.5＋280.0＋202.5)下承式連續(xù)鋼桁梁橋，主梁采用大展翼扁平箱梁，主橋橋面總寬度48.4 m。南引橋?yàn)?6×80＋60)連續(xù)鋼箱梁橋，北引橋?yàn)?4×80)連續(xù)鋼箱梁橋。大橋北側(cè)新填海A區(qū)和港珠澳大橋人工島設(shè)互通立交，包括1條主線橋，4條匝道橋，均為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，共61孔，南側(cè)填海E區(qū)設(shè)1條匝道橋，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

2.2 工程實(shí)施難點(diǎn)

(1)航空、航道限制多。施工區(qū)屬于航空管制區(qū)，航空限高60 m，局部80 m。施工區(qū)有3個(gè)航道，外港和內(nèi)港航道通航繁忙，施工期間需確保其正常通行。

(2)惡劣天氣影響大。澳門屬于臺(tái)風(fēng)高發(fā)地區(qū)，2017年登陸澳門的“天鴿”，最高風(fēng)速達(dá)132 km/h。

(3)環(huán)保要求高。澳門對(duì)環(huán)保要求非常嚴(yán)格，對(duì)空氣污染、海水污染、污水處理、垃圾處理、噪聲和揚(yáng)塵等都有嚴(yán)格的規(guī)定。每月都需提交環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告，環(huán)保局隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)檢查。

(4)施工技術(shù)難度大。海上長大直徑鉆孔樁施工、主橋低樁承臺(tái)施工、互通立交施工組織、鋼箱梁預(yù)制和安裝等技術(shù)難度高，挑戰(zhàn)大。

(5)國際工程管理要求嚴(yán)格。項(xiàng)目需按照國際工程管理模式進(jìn)行管理，執(zhí)行ISO9001貫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，管理規(guī)范、審批嚴(yán)格。文件資料報(bào)批工作量非常大，程序繁瑣，流程復(fù)雜。

3 BIM模型建立

3.1 技術(shù)平臺(tái)

模型創(chuàng)建前根據(jù)建設(shè)工程不同階段、專業(yè)、任務(wù)的要求，對(duì)模型種類、數(shù)量及使用軟件進(jìn)行篩選。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和任務(wù)目標(biāo)，本項(xiàng)目施工階段采用基于工程實(shí)踐的建筑信息模型應(yīng)用方式即P-BIM[6]，選用Autodesk公司BIM系列軟件，包括Revit、Civil 3D、Navisworks、Infraworks等軟件進(jìn)行建模和虛擬仿真演算。

3.2 模型建立

(1)場(chǎng)地實(shí)景建模

項(xiàng)目引入無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)施工區(qū)地形進(jìn)行信息采集，通過無人機(jī)5個(gè)角度傾斜攝影，生成點(diǎn)云并貼圖，最終生成地表模型。采用GIS＋BIM技術(shù)，將地理分布數(shù)據(jù)和模型有效融合，構(gòu)建一個(gè)具備空間場(chǎng)地實(shí)景的三維工程建設(shè)模型，實(shí)現(xiàn)基于GIS＋BIM的基礎(chǔ)信息化平臺(tái)，為項(xiàng)目提供一個(gè)既可以把控全局又可以精細(xì)管理的技術(shù)平臺(tái)。

(2)三維地質(zhì)建模

通過超前鉆和地勘資料，利用三維建模軟件，將施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)信息數(shù)字化，為鉆孔樁施工提供地質(zhì)信息服務(wù)。

(3)主體結(jié)構(gòu)建模

不同施工階段側(cè)重點(diǎn)會(huì)不同，BIM模型順應(yīng)項(xiàng)目目的和任務(wù)要求，對(duì)模型幾何精度和信息深度進(jìn)行調(diào)整以滿足項(xiàng)目施工需要。本次施工階段模型設(shè)置精度為LOD300[7]，族模型庫分為永久結(jié)構(gòu)、臨時(shí)結(jié)構(gòu)、附屬機(jī)構(gòu)、機(jī)電及臨時(shí)設(shè)備等。通過對(duì)構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)置，大大提高了建模的效率和精度。上部結(jié)構(gòu)由于造型復(fù)雜、異型構(gòu)件多、通用性差，需要對(duì)具體構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模(見圖1)。

圖1 主橋三維模型

(4)臨時(shí)工程、臨時(shí)設(shè)施建模

建立臨時(shí)碼頭、臨時(shí)棧橋、臨時(shí)鉆孔平臺(tái)、鋼圍堰等族模型庫，并對(duì)大型浮吊、鋼圍堰、模板等大型臨時(shí)設(shè)施也建立模型，以便參與仿真模擬和預(yù)拼裝檢查。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

通過3D模型的建立，實(shí)現(xiàn)了圖紙審核、工程量提取、平面圖紙出圖、碰撞檢查、形象進(jìn)度模擬、場(chǎng)地布置優(yōu)化、方案比選、3D可視化技術(shù)交底等常規(guī)性BIM技術(shù)應(yīng)用[8]，除此之外，結(jié)合本項(xiàng)目施工難點(diǎn)開展了BIM創(chuàng)新性技術(shù)應(yīng)用研究。

4.1 互通立交施工組織模擬建造

A區(qū)互通立交包括1條主線橋，4條匝道橋，共61孔，合計(jì)總長2 349.75 m，上部結(jié)構(gòu)全部采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁。在平面上形成相互交叉、立面上三層疊加的立體格局(見圖2)，施工組織非常困難，一方面是結(jié)構(gòu)施工相互影響、相互干擾；另一方面是海上結(jié)構(gòu)施工需要大量的臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)施，包括臨時(shí)棧橋、鉆孔樁平臺(tái)、鋼板樁圍堰、鋼箱梁架設(shè)支架，在保證工期的前提下，盡可能增加臨時(shí)結(jié)構(gòu)的周轉(zhuǎn)次數(shù)，降低工程造價(jià)。

圖2 A區(qū)互通立交三維模型

本次采用BIM模擬技術(shù)，對(duì)施工階段進(jìn)行4D模擬建造，即三維模型加Project計(jì)劃時(shí)間，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)模擬實(shí)際施工，從而確定合理的施工方案指導(dǎo)施工[9]。通過對(duì)五個(gè)批次施工平臺(tái)倒用施工順序模擬，直觀了解施工平臺(tái)倒用的先后順序，優(yōu)化施工方案，縮短架梁浮吊使用時(shí)間。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字建造

(1)建模及碰撞檢查

大橋線形復(fù)雜，借助于CAD三維空間坐標(biāo)，生成3D線模，直接導(dǎo)入BIM軟件，作為實(shí)體建模的控制軸線，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的空間實(shí)體放樣和深化(見圖3)。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

通過碰撞校核，檢查零件間是否有碰撞情況，及時(shí)作出修訂，杜絕傳統(tǒng)平面CAD放樣引起的不能發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。此過程中可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計(jì)中的問題，在真實(shí)建造施工前消除了各類碰撞問題，減少了返工，縮短了工期，節(jié)約了成本。

(2)出圖及生成報(bào)表

通過三維模型自動(dòng)生成功能，圖紙與模型自動(dòng)關(guān)聯(lián)，所有模型修改后，圖紙自動(dòng)更新，包含主視圖、俯視圖、剖視圖、節(jié)點(diǎn)大樣、焊縫、零件定位尺寸、材料表等。

各類報(bào)表(如構(gòu)件清單、材料清單、圖紙清單等)可通過模型自動(dòng)生成，軟件自帶的模板編輯功能，能夠根據(jù)使用者的實(shí)際需要定制生產(chǎn)報(bào)表的資料類型，高效、準(zhǔn)確。

(3)數(shù)控機(jī)床加工下料及機(jī)器人焊接

通過BIM資料資訊模型，提取其中零件資訊，發(fā)送到指定的數(shù)控機(jī)床下料，數(shù)控機(jī)床可將已完成零件信息自動(dòng)錄入生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

針對(duì)焊接現(xiàn)場(chǎng)管理推出的綜合化焊機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊接參數(shù)在線控制、分析，可以協(xié)助生產(chǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品焊接質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。

(4)二維碼信息管理

可利用互聯(lián)網(wǎng)及二維碼信息，使相關(guān)管理人員快速獲取鋼構(gòu)件生產(chǎn)狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)更新到數(shù)據(jù)庫，避免信息反饋中的錯(cuò)誤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

(5)三維激光掃描儀檢測(cè)

采用三維激光掃描儀掃描桿件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，逆向建模，和精細(xì)化模型進(jìn)行對(duì)比，尋找加工誤差、制定改進(jìn)措施，提高加工質(zhì)量。

4.3 主橋上部結(jié)構(gòu)模擬拼裝

(1)主橋邊跨4節(jié)段架設(shè)

重點(diǎn)進(jìn)行大型浮吊架站位、路徑等參數(shù)的選擇，防止安裝過程中操作不當(dāng)帶來的碰撞損害，加快施工進(jìn)度，減少對(duì)航道通航的影響[10]。具體工序包括浮吊就位起吊→落梁(調(diào)整鋼梁位置及高程)→臨時(shí)連接→梁段間焊接→活動(dòng)支座處設(shè)置鋼梁縱向約束→臨時(shí)墩頂安裝鋼梁接引緩沖裝置、鋼梁三向位移調(diào)整設(shè)備(見圖4)。

圖4 主橋邊跨模擬拼裝

(2)主橋中跨橋面架梁吊機(jī)節(jié)段虛擬拼裝

船將鋼梁運(yùn)至架梁吊機(jī)下方(就位)→架梁吊機(jī)起吊鋼梁→精確調(diào)整位置→臨時(shí)連接→節(jié)段焊接→跨中合龍段。

(3)主橋合龍段動(dòng)態(tài)模擬

利用過渡墩及主墩墩頂設(shè)備微調(diào)合龍口姿態(tài)；鋼梁合龍段船運(yùn)至架梁吊機(jī)下方，兩臺(tái)架梁吊機(jī)抬吊合龍段至梁段面基本齊平；利用頂拉裝置精確調(diào)整合龍口的相對(duì)位置，按照“鋼箱梁→上弦桿→斜腹桿”的順序，臨時(shí)鎖定合龍口，進(jìn)行合龍口焊接；解除支座縱向約束。

(4)2 200 t浮吊鋼箱梁吊裝施工模擬

在航空限高60 m的虛擬環(huán)境下對(duì)2 200 t浮吊的鋼箱梁吊裝進(jìn)行施工模擬(BIM＋CAE)，對(duì)浮吊L臂架進(jìn)行變幅操作模擬，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

5 BIM＋可視化智慧工地

5.1 BIM＋PM實(shí)現(xiàn)可視化、移動(dòng)化項(xiàng)目管理

BIM和PM的集成應(yīng)用為項(xiàng)目管理提供可視化的管理手段[11]，基于BIM技術(shù)的施工管理平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)4D進(jìn)度、安全質(zhì)量和文檔可視化管理。

(1)4D BIM進(jìn)度管理

將Project計(jì)劃與3D模型關(guān)聯(lián)，將“人、材、機(jī)”根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分配到具體施工部位，通過手機(jī)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行填報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的全過程動(dòng)態(tài)管理，可直觀反映出整個(gè)橋梁的施工過程和形象進(jìn)度，幫助項(xiàng)目管理人員合理制訂施工計(jì)劃、優(yōu)化使用施工資源。

(2)安全質(zhì)量管理

通過手機(jī)端實(shí)時(shí)將問題描述和整改要求以及相應(yīng)的圖片發(fā)送給整改人，整改人收到通知后及時(shí)安排整改，并將整改情況在手機(jī)上回復(fù)給檢查人以便驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了問題記錄和整改通知的流轉(zhuǎn)。通過圖釘與模型發(fā)生關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)字化管理。

(3)文檔管理

施工過程的檔案資料管理將施工圖、施工方案、技術(shù)交底等資料與BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)施工資料的有序存儲(chǔ)和快速查詢。施工資料可以是文檔、圖形、圖像、視頻等多種形式，按專業(yè)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)竣工材料數(shù)字化交付。

5.2 BIM＋I(xiàn)OT實(shí)現(xiàn)智能化項(xiàng)目管理

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)智能終端等信息技術(shù)的發(fā)展，項(xiàng)目管理目前已經(jīng)逐漸從信息化向數(shù)字智能化發(fā)展[12]，智慧工地逐漸在建筑行業(yè)中推廣開來。項(xiàng)目通過閘機(jī)、智能安全帽、云管家、智能監(jiān)控等設(shè)備的植入及“互聯(lián)”，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，再與BIM平臺(tái)整合，在虛擬世界中植入智能感應(yīng)物，打造BIM＋智慧工地。

(1)人臉識(shí)別閘機(jī)＋車輛管理系統(tǒng)。

在工地出入口安裝了人臉識(shí)別＋體溫檢測(cè)一體閘機(jī)，實(shí)現(xiàn)勞務(wù)人員實(shí)名制管理。

同樣在出入口安裝車輛管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)識(shí)別、車輛拍照留存、車輛進(jìn)出記錄。

(2)智能安全帽。

進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)人員全部佩帶智能安全帽，可以實(shí)現(xiàn)功能包括:GPS定位、碰撞報(bào)警檢測(cè)、跌落報(bào)警檢測(cè)、脫帽檢測(cè)、電子圍欄、軌跡回放，實(shí)現(xiàn)安全報(bào)警智能化(見圖5)。

圖5 智能安全帽定位及軌跡回放

(3)在主要設(shè)備上安裝云管家，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備定位、狀態(tài)實(shí)時(shí)分析、臺(tái)班自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、工作軌跡回放、電子圍欄考勤、工作效率分析等功能。

(4)智能視頻監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)施工部位都布置了智能視頻監(jiān)控，并將鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制廠的監(jiān)控視頻接入BIM系統(tǒng)中，做到現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控?zé)o死角?？蓪?shí)現(xiàn)安全帽檢測(cè)、反光衣檢測(cè)、人員越界、人員聚集等報(bào)警功能。

6 結(jié)束語

本次BIM技術(shù)在澳氹四橋項(xiàng)目的應(yīng)用，在參數(shù)化建模、數(shù)字模擬建造以及BIM＋輔助項(xiàng)目管理方面做出了有益探索，并取得好的成效。通過對(duì)互通立交架梁模擬施工，優(yōu)化了施工計(jì)劃，減少了鉆孔鋼平臺(tái)數(shù)量；模擬2 200 t浮吊主橋鋼箱梁架設(shè)，實(shí)現(xiàn)浮吊一次性吊裝到位；現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)現(xiàn)了可視化、智能化、移動(dòng)辦公化；智能安全帽、云管家和智能監(jiān)控設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員不當(dāng)行為和設(shè)備不當(dāng)操作進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，減少了安全事故的發(fā)生。通過本次BIM技術(shù)應(yīng)用，在助力跨海大橋及澳門建筑業(yè)數(shù)字化建設(shè)方面發(fā)揮了積極作用。