彭淼廖小烽

(1.重慶機電控股集團機電工程技術(shù)有限公司，重慶 401123； 2.重慶工業(yè)賦能創(chuàng)新中心有限公司，重慶 401123；3.重慶市筑云科技有限責(zé)任公司，重慶 400042)

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快[1]，我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，截至2019年底，中國內(nèi)地累計有40個城市開通城市軌道交通運營，運營線路達(dá)到6 730.27km，近20 年，中國城市快速軌道交通線路建設(shè)高速發(fā)展[2]。軌道交通建設(shè)工程具有投資大、規(guī)模大、建設(shè)周期長、專業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜等特點，對施工過程中的精細(xì)化管理水平具有較高的要求[3]。為此越來越多城市在軌道交通建設(shè)中引入各種新技術(shù)探索軌道交通的數(shù)字化建造。重慶軌道交通六號線支線二期工程在站后機電工程施工中引入BIM(建筑信息模型Building Information Modeling)技術(shù)、三維掃描、無人機傾斜攝影、MR混合現(xiàn)實、VR虛擬現(xiàn)實、360度全景攝像、數(shù)字化建造平臺，探索以BIM+PM(項目管理Project Management)+IoT(物聯(lián)網(wǎng)Internet of Things)為核心的數(shù)字建造體系，以施工深化、數(shù)字化管控、數(shù)字化交付為管理途徑，以BIM模型為實施基礎(chǔ)，BIM數(shù)字建造平臺為數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)軌道交通站后機電工程數(shù)字化建造的目標(biāo)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

重慶軌道交通六號線支線二期工程坐落于重慶市兩江新區(qū)，線路全長14km，共設(shè)7座車站，一座車輛段(如圖1所示)，建成后將連接國博中心和水土高新園。

圖1 重慶軌道交通六號線支線二期線路圖

1.2 工程特點及難點

軌道交通站后機電工程屬于多專業(yè)、多學(xué)科的復(fù)雜性系統(tǒng)工程，各專業(yè)施工交叉頻繁，施工接口多、雜且管理難度大； 二次深化設(shè)計工作繁重，車站內(nèi)包括設(shè)備區(qū)走道、公共區(qū)、設(shè)備用房等區(qū)域的線管排布、支吊架布置、點位布置等均需要施工單位結(jié)合現(xiàn)場條件進(jìn)行深化設(shè)計； 本項目為線性工程，長達(dá)14km，既有地下線路、站點又有高架線路、站點，現(xiàn)場施工條件受到環(huán)境的影響和限制，在材料設(shè)備運輸?shù)跹b、特有的線性作業(yè)、設(shè)備試運行等方面都需提前謀劃。因此，建立了數(shù)字化建造指揮中心用于輔助現(xiàn)場管理，對所有的地下車站進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)全覆蓋； 實施過程中采用數(shù)字化建造平臺結(jié)合BIM技術(shù)對施工全過程進(jìn)行管控。

2 組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 應(yīng)用目標(biāo)及策劃

重慶軌道交通六號線支線二期工程是重慶國博中心連接水土高新園的重要組成通道，計劃于2020年12月底建成并具備全線試運營條件，工期十分緊張，特別是站后機電工程于2019年11月底才具備部分進(jìn)場條件，存在工期緊、施工條件復(fù)雜、二次深化內(nèi)容多、采購工作量大、安全質(zhì)量風(fēng)險源多、組織協(xié)調(diào)難度高等難點。針對以上項目難點，通過建立設(shè)計階段BIM模型減少圖紙中的錯漏碰缺，提高可實施性； 基于設(shè)計階段BIM模型，開展二次深化設(shè)計以提高深化質(zhì)量和效率； 基于施工階段BIM模型結(jié)合數(shù)字化建造平臺，實現(xiàn)項目進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本目標(biāo)的可視化、指標(biāo)化控制，以數(shù)字化建造管理理念進(jìn)行項目管控。為保證本項目數(shù)字化建造能順利推進(jìn)，結(jié)合項目特點建立了基于數(shù)字化建造的項目管理制度，編制BIM模型創(chuàng)建、深化、編碼標(biāo)準(zhǔn)及手冊； 引入了三維掃描、無人機傾斜攝影、360度全景攝像等技術(shù)，保證了模型與現(xiàn)場實景吻合。

通過流程固化、多層級多部門的全員參與，保證各業(yè)務(wù)部門及人員的使用率，并制定全過程的數(shù)字化建造實施流程(如圖2所示)。

2.2 實施架構(gòu)及部署

項目組建BIM、IT、項目管理復(fù)合型的數(shù)字化實施團隊30余人，由公司級、項目級、研發(fā)團隊、專業(yè)咨詢團隊組成(如圖3所示)； 設(shè)置三級數(shù)字化建造指揮中心分別為公司級、項目級、現(xiàn)場級； 通過各層級的需求調(diào)研自主研發(fā)數(shù)字化建造平臺，形成四個層級架構(gòu)，將BIM模型數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、流程數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與平臺有效串連(如圖4所示)。

圖2 重慶軌道交通六號線支線二期站后工程數(shù)字化建造實施流程

圖3 團隊架構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

通過BIM+GIS(地理信息系統(tǒng)Geographic Information System)雙引擎技術(shù)與輕量化圖形引擎將BIM模型、GIS模型、傾斜攝影實景模型進(jìn)行數(shù)據(jù)互通、實時聯(lián)動，共形成8大板塊、40余項具體功能應(yīng)用，涵蓋項目進(jìn)度、成本、物資、質(zhì)量、安全、智慧工地等； 通過專線為所有地下車站建立地下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，配備無人機、三維掃描儀、全景相機等硬件設(shè)備及BIM建模、算量、模擬、BIMVR等軟件。

3 實施及應(yīng)用

3.1 模型創(chuàng)建

圖5 模型構(gòu)件現(xiàn)場尺寸復(fù)核

根據(jù)項目實施進(jìn)度需求將模型創(chuàng)建和應(yīng)用劃分為設(shè)計階段模型、管綜深化階段模型、機房深化階段模型、竣工交付模型，每階段模型都需在上一版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化，保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一性及可追溯性。模型創(chuàng)建基于項目編制的實施標(biāo)準(zhǔn)，使用Revit軟件，按照專業(yè)劃分創(chuàng)建建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、精裝模型、機電模型，通過三維掃描儀、無人機傾斜攝影對土建現(xiàn)狀進(jìn)行實景模型搭建。設(shè)備模型構(gòu)件創(chuàng)建基于設(shè)備廠商提供的產(chǎn)品加工圖、產(chǎn)品說明書等資料，建立通用型和特征型設(shè)備族數(shù)據(jù)庫共計45類，約1 220余個，相關(guān)產(chǎn)品到貨后進(jìn)行現(xiàn)場尺寸復(fù)核，以保證模型構(gòu)件與到貨產(chǎn)品的一致性(如圖5所示)。在模型創(chuàng)建過程中嚴(yán)格使用標(biāo)準(zhǔn)文件架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件分類與命名，提前考慮平臺功能實現(xiàn)需求，對模型構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一編碼，管線(管道、橋架、風(fēng)管)按照施工段進(jìn)行分段劃分，確保模型創(chuàng)建深度符合平臺實施需求。

3.2 BIM深化設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用

由于城市軌道交通工程中土建工程與機電工程大多為單獨發(fā)包，在土建施工時預(yù)留的洞口往往和機電施工時實際需求的位置相差甚遠(yuǎn)，本項目通過在施工前采用三維掃描對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)留洞口進(jìn)行復(fù)測，根據(jù)生成的點云模型(如圖6所示)與設(shè)計階段模型對比分析，提前優(yōu)化管線路徑避免結(jié)構(gòu)誤差及減少各類重復(fù)開洞370個。

圖6 車站三維掃描點云模型

開展基于設(shè)計階段的模型評審，同設(shè)計院、監(jiān)理單位、分包單位進(jìn)行模型會審，發(fā)現(xiàn)碰撞、凈高不足等問題186個，提出優(yōu)化方案47項，并將問題匯總記錄形成圖紙會審文件進(jìn)行簽字確認(rèn)，避免因設(shè)計圖紙遺誤造成的返工。

結(jié)合本項目的設(shè)備用房、設(shè)備區(qū)走廊、公共區(qū)等區(qū)域使用綜合支吊架和抗震支吊架的項目需求，開展上述區(qū)域綜合支吊架和抗震支吊架的深化設(shè)計工作，聯(lián)合設(shè)計院及生產(chǎn)廠商，針對綜合支吊架和抗震支吊架的深化周期長、深化質(zhì)量依賴廠商水平、出圖慢等難點，采用BIM技術(shù)進(jìn)行支吊架的深化設(shè)計，首先是基于管綜深化成果在BIM模型中根據(jù)管線布置情況進(jìn)行支吊架布置； 使用廠商受力分析軟件進(jìn)行槽鋼的選型出具計算書； 各分包組織支吊架深化設(shè)計評審，審查各自管線的支架布置是否滿足施工需求； 導(dǎo)出平面、剖面及細(xì)部節(jié)點圖紙和與之匹配的材料清單(如圖7所示)； 采用BIM技術(shù)進(jìn)行支吊架深化設(shè)計，可有效提升深化效率、縮短深化周期，提高深化質(zhì)量，保證深化深度符合現(xiàn)場實施需求。

本項目有地下受限空間的作業(yè)工序，因此對作業(yè)過程中會產(chǎn)生煙塵、火花、噪聲的作業(yè)有嚴(yán)格要求，如切割、焊接等。對此，針對工程中工藝相對較成熟固化的風(fēng)管制作安裝工藝，采用BIM技術(shù)進(jìn)行預(yù)制加工，首先是基于管綜深化成果，結(jié)合工廠預(yù)制模數(shù)及現(xiàn)場施工需要、材料運輸?shù)?，對模型進(jìn)行裝配式拆分及深化； 預(yù)制裝配深化完成后，輸出裝配式預(yù)制深化圖紙及加工料單，提交工廠預(yù)制加工； 工廠基于BIM料單進(jìn)行管道加工，運輸至現(xiàn)場經(jīng)過質(zhì)檢后一次性安裝到位，避免現(xiàn)場二次加工(如圖8所示)； 采用BIM技術(shù)進(jìn)行風(fēng)管預(yù)制加工，可有效提升預(yù)制加工圖的精度和制作效率，預(yù)制裝配率可達(dá)到80%以上。BIM技術(shù)與工廠化預(yù)制加工、現(xiàn)場模塊化安裝的有機結(jié)合[4]，有助于整體安裝質(zhì)量的控制，同時又縮短施工工期和節(jié)約施工成本。

圖7 導(dǎo)出支吊架圖紙及材料明細(xì)表

圖8 導(dǎo)出風(fēng)管預(yù)制材料表

通過BIM模型建立虛擬建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)[5]結(jié)合可視化軟件與之融合，模擬站內(nèi)視頻監(jiān)控攝像機視角范圍，提前優(yōu)化攝像機安裝位置、視角角度及與其他各設(shè)備點位之間的位置關(guān)系，避免監(jiān)控死角和占位(如圖9所示)。

在三維虛擬樣板間的基礎(chǔ)上引入了人機交互式操作理念，用3D模型展示結(jié)構(gòu)構(gòu)造，用靜態(tài)4D模擬施工工藝流程[6]，在關(guān)鍵工藝、工序部位將作業(yè)指導(dǎo)書、設(shè)計說明、圖集、規(guī)范條例、實物照片等與模型綁定鏈接，確保作業(yè)人員能充分理解設(shè)計意圖、操作要點及誤差范圍(如圖10所示)。

3.3 基于數(shù)字化建造平臺的項目管控

重慶軌道交通六號線支線二期站后機電工程總承包的項目管理，基于一體化數(shù)字建造的管控思路，全線采用自主研發(fā)的數(shù)字化建造平臺，建立 BIM+PM+IoT集成應(yīng)用。

基于IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字化建造平臺的集成，將環(huán)境監(jiān)測、實名制、監(jiān)控等現(xiàn)場智慧物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)無縫對接到數(shù)字化建造平臺，實現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)對接、遠(yuǎn)程管理及控制。同時將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備位置信息、分布情況集成到以BIM+GIS模型為元數(shù)據(jù)的中控臺，實現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)的三維可視化監(jiān)管。采用人工智能(AI)識別技術(shù)利用現(xiàn)場布置的攝像頭進(jìn)行風(fēng)險源的自動識別和報警(如圖11所示)，監(jiān)管人員可通過現(xiàn)場布置的揚聲器及時制止不安全行為，提升物聯(lián)設(shè)備的智能化控制。

圖10 交互式三維虛擬樣板間

圖11 AI危險源識別

充分利用一碼多用體系，在施工前將BIM輕量化模型分區(qū)分段引入數(shù)字化建造平臺生成二維碼，實現(xiàn)施工技術(shù)方案交底和模型實時在線查閱，加強管理人員和施工班組對設(shè)計意圖的準(zhǔn)確理解。同時，構(gòu)建一碼多用體系，即一個二維碼承載技術(shù)交底、質(zhì)檢狀態(tài)輸入、過程信息錄入、定點電子巡更等多方位應(yīng)用(如圖12所示)。

圖12 二維碼交底

通過定時定點使用手持式三維掃描儀、360度全景攝像技術(shù)等，將現(xiàn)場實體的實施現(xiàn)狀及時反饋至數(shù)字化建造指揮中心； 另一方面定人定崗，利用MR混合現(xiàn)實技術(shù)，將模型帶入施工現(xiàn)場，對施工現(xiàn)場實體現(xiàn)狀進(jìn)行點對點、面對面的進(jìn)度、質(zhì)量復(fù)核； 形成由現(xiàn)場反饋中心、中心指導(dǎo)現(xiàn)場兩維一體的數(shù)字化協(xié)同聯(lián)動機制(如圖13所示)。

圖13 數(shù)字化建造指揮中心

打通BIM模型與算量的數(shù)據(jù)壁壘，提高工程造價算量的工作效率和確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性； 同時打通了BIM數(shù)據(jù)在數(shù)字建造平臺各個功能板塊之間的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)互聯(lián)等綜合應(yīng)用，實現(xiàn)基于BIM的信息化平臺深度融合(如圖14所示)。

圖14 數(shù)據(jù)互連

圖15 進(jìn)度管理流程

基于 BIM 與工程數(shù)據(jù)的進(jìn)度管理實施[7]，將BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(工程量)與進(jìn)度計劃百分比深度掛接，支撐項目進(jìn)度計劃的編排、控制和糾偏； 同時采用施工現(xiàn)場日志編寫、數(shù)據(jù)填報進(jìn)行進(jìn)度提取，定時定點利用三維掃描、全景攝像進(jìn)行進(jìn)度復(fù)核，平臺支持偏差分析、輔助決策，達(dá)到進(jìn)度糾偏，實現(xiàn)整體進(jìn)度控制(如圖15所示)。

在質(zhì)量安全管理方面，PDCA安全隱患整改追溯機制與基于數(shù)字化建造平臺安全巡檢整改模塊深度融合，實現(xiàn)對項目安全隱患類型的時空分析和對安全管理人員的績效考核[8]，通過人員分工、區(qū)域化管理流程，提高現(xiàn)場施工管理效率，做到了各類施工隱患及時上報； 通過對后臺數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計分析，按日、周、月、季顯示各作業(yè)隊伍運行情況、現(xiàn)場人員管控情況、問題頻發(fā)部位等等(如圖16所示)。

圖16 質(zhì)量安全巡檢統(tǒng)計分析

在物資管理方面，數(shù)字化建造平臺包括供應(yīng)商管理、物資分類、用料申請、材料入庫、材料出庫、庫存管理、物資估算和退庫申請等板塊[9]，實現(xiàn)物資全流程的線上操作(如圖17所示)，利用構(gòu)件編碼及二維碼獲取物資數(shù)據(jù)(如圖18所示)，動態(tài)更新物資情況，將物資成本、投資產(chǎn)出比、安裝進(jìn)度與工程量掛接，有效串連了物資、工程、調(diào)度等各部門。

圖17 物資全流程

4 實施效益及總結(jié)

圖18 導(dǎo)出申請表

基于BIM技術(shù)和數(shù)字建造化平臺的深度應(yīng)用，經(jīng)測算，已產(chǎn)生成本節(jié)約類經(jīng)濟效益460余萬元(如表1所示)，施工現(xiàn)場質(zhì)量安全管理效果顯著，未發(fā)生因技術(shù)問題和管理問題帶來的返工浪費和工期影響； 數(shù)字平臺各板塊共計產(chǎn)生管理數(shù)據(jù)10萬余條，項目管理中的成本管控、施工工期、

表1 效益測算表

質(zhì)量安全等各方面取得較大提升； 對公司推進(jìn)精細(xì)化管理和提升建筑企業(yè)誠信綜合評價，發(fā)揮了重要的作用。

本項目研發(fā)了基于BIM的軌道機電數(shù)字建造平臺，實現(xiàn)以下技術(shù)融合及應(yīng)用創(chuàng)新：

(1)實現(xiàn)BIM平臺與項目管理流程的深度融合，建立一套基于BIM的數(shù)字建造體系，實現(xiàn)傳統(tǒng)項目管理流程向數(shù)字化管理流程的轉(zhuǎn)型。

(2)深度推進(jìn)二維碼融合技術(shù)，定制化研發(fā)一體化二維碼系統(tǒng)。一個二維碼解決技術(shù)交底、定點巡檢、BIM圖模查看、設(shè)備管理、進(jìn)度信息反饋等綜合應(yīng)用，實現(xiàn)一碼多用。

(3)研發(fā)了基于BIM軌道機電工程設(shè)備編碼體系，基于編碼體系實現(xiàn)基BIM模型構(gòu)件與平臺物資數(shù)據(jù)、工程計量數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的連接，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)庫集成化管理。

(4)新技術(shù)與BIM技術(shù)融合，項目深度推進(jìn)三維掃描技術(shù)、全景直播技術(shù)、MR技術(shù)、預(yù)制裝配技術(shù)、AI數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)在現(xiàn)場的落地應(yīng)用。

我們將持續(xù)推進(jìn)以BIM模型為核心的數(shù)字化建造平臺建設(shè)，將先進(jìn)技術(shù)手段與軌道交通工程實施緊密結(jié)合，使軌道交通工程建設(shè)踏上智能化、智慧化管理的新征途[10]。