蔣鵬程，劉澤宏，莫崇杰，劉占省

(1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510610； 2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0 引言

建筑業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的一部分，直接關(guān)系到大量勞動(dòng)力就業(yè)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展[1]。自2016年《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》印發(fā)以來，以裝配式建筑為代表的新型建筑工業(yè)化快速推進(jìn)，建造水平、建筑品質(zhì)明顯提高。2020年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等九部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》，提出加快信息技術(shù)融合發(fā)展，大力推廣BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展智能建造。Lilia Potseluyko等[2]將建筑信息模型(BIM)和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)木結(jié)構(gòu)自建住宅領(lǐng)域，提供全面的簡(jiǎn)化BIM系統(tǒng)。鄭文陽(yáng)等[3-4]提出BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維掃描技術(shù)、智能裝備和建筑機(jī)器人在土木工程施工中的綜合應(yīng)用。

1 工程概況

新建長(zhǎng)沙西站項(xiàng)目總建筑面積40萬m2，建筑地下2層、地上2層，局部夾層，建筑高度48m。站臺(tái)規(guī)模為12臺(tái)22線，其中含常益長(zhǎng)高鐵場(chǎng)6臺(tái)11線，長(zhǎng)株潭城際場(chǎng)6臺(tái)11線，站臺(tái)長(zhǎng)450m、寬12～18m，該工程主體結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼桁架結(jié)構(gòu)屋蓋的混合框架結(jié)構(gòu)體系。

2 施工難點(diǎn)

1)本工程體量大，工期管理難度較大，施工任務(wù)重，疫情防控形勢(shì)嚴(yán)峻，增加工程進(jìn)度壓力。

2)項(xiàng)目建設(shè)要求高，綜合協(xié)調(diào)及管理各分包單位難度大，難以保證現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

3)基于信息化、BIM技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)難度大，本項(xiàng)目需推廣新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備，將技術(shù)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

4)鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量大，施工穿插管理難度高。

3 基于BIM的智能建造技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用

3.1.1BIM的基礎(chǔ)應(yīng)用

BIM可具體應(yīng)用于模型建立、圖紙會(huì)審、場(chǎng)地布置、方案交底、進(jìn)度管理、砌體排布、深化設(shè)計(jì)、管線綜合中。BIM模型最大的特點(diǎn)是將工程項(xiàng)目所有信息集成在完整模型中，并能很好地兼容其他軟件系統(tǒng)，為工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和信息保障。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段可進(jìn)行模型建立、深化設(shè)計(jì)、管線綜合，在招投標(biāo)階段可統(tǒng)計(jì)工程量，在施工階段可進(jìn)行場(chǎng)地布置、進(jìn)度管理、砌體排布、方案交底等，在建筑全生命期中，BIM可發(fā)揮作用以提高施工效率。

3.1.2基于BIM的施工深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

利用BIM的信息集成、可視化特點(diǎn)，可直接對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行三維深化設(shè)計(jì)，通過基于BIM的深化設(shè)計(jì)后，大大降低專業(yè)間模型設(shè)計(jì)的交錯(cuò)碰撞，同時(shí)可利用BIM模型開展各專業(yè)施工方案、施工順序討論，以便直觀、清晰地發(fā)現(xiàn)施工中可能產(chǎn)生的問題，并提前解決，從而大量減少施工過程中的糾紛、誤差，為數(shù)字化加工、數(shù)字建造打下基礎(chǔ)。BIM深化應(yīng)用如圖1所示。

圖1 BIM深化應(yīng)用

3.1.3基于BIM的混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)包括完成混凝土結(jié)構(gòu)所需的模板、鋼筋及腳手架工作，直接利用BIM進(jìn)行三維深化，本項(xiàng)目存在異形混凝土結(jié)構(gòu)，首先確保模板排架定位準(zhǔn)確、搭設(shè)規(guī)范，因此在設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上需充分利用BIM的信息功能，可很好地表現(xiàn)異形構(gòu)件的幾何屬性特點(diǎn)，且基于BIM的模板定制排布，能精準(zhǔn)出具模板定位和加工圖，保證模板深化設(shè)計(jì)精度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度高度匹配。

在混凝土結(jié)構(gòu)腳手架搭設(shè)方案中，建立腳手架三維BIM模型，利用BIM軟件驗(yàn)算功能，驗(yàn)證腳手架搭設(shè)的可靠性，通過腳手架漫游了解其布置的合理性，最終保證腳手架深化結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。

針對(duì)鋼筋工程三維節(jié)點(diǎn)深化，選取鋼筋節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、排布緊密的區(qū)域，建立鋼筋BIM模型，明確鋼筋具體走向、位置，從模型角度不發(fā)生碰撞，并依照深化模型出具鋼筋下料圖，提出鋼筋加工精度標(biāo)準(zhǔn)，保證鋼筋加工質(zhì)量、安裝效果。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

3.1.4基于BIM的機(jī)電深化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)種類繁多，強(qiáng)弱電、給排水、通風(fēng)空調(diào)、鐵路四電等20多個(gè)系統(tǒng)匯聚其中，因此直接基于各專業(yè)機(jī)電模型進(jìn)行機(jī)電深化設(shè)計(jì)，將機(jī)電BIM模型通過鏈接和中心模型集成等形式，對(duì)機(jī)電BIM模型內(nèi)管線、橋架、風(fēng)管進(jìn)行精準(zhǔn)切分，對(duì)機(jī)電設(shè)備末端依照產(chǎn)品采購(gòu)?fù)庑纬叽?建立LOD500級(jí)別的BIM模型，優(yōu)化連接頭位置，減少非標(biāo)尺寸，便于機(jī)電預(yù)制化加工。

在BIM模型中深化機(jī)電管線附屬支吊架，定義管線支吊架位置、連接形式、具體尺寸，利用BIM力學(xué)計(jì)算功能進(jìn)行深化校核，保證機(jī)電深化支吊架安全可靠，同時(shí)與建筑、結(jié)構(gòu)模型鏈接，提前做好基于BIM模型的預(yù)留孔洞自動(dòng)化設(shè)計(jì)，避免二維設(shè)計(jì)導(dǎo)致的錯(cuò)開、漏開及二次堵洞弊病，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.1.5基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)工程深化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，按照主體結(jié)構(gòu)類型，鋼結(jié)構(gòu)主要涉及鋼管混凝土柱鋼管、型鋼混凝土梁的型鋼、鋼結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)、東西站房基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換梁。主體結(jié)構(gòu)主要跨度為20.5，21.5m，鋼結(jié)構(gòu)整體深化設(shè)計(jì)和加工難度大，因此采用BIM對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，包括鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式、吊裝位置、吊裝措施等，可避免傳統(tǒng)二維鋼結(jié)構(gòu)深化對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)表達(dá)不直觀、鋼結(jié)構(gòu)加工精度誤差的現(xiàn)象發(fā)生，提高整體鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)水平，為鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化加工和現(xiàn)場(chǎng)拼裝質(zhì)量打下基礎(chǔ)。

3.2 BIM+技術(shù)的應(yīng)用

智能建造中BIM是基礎(chǔ)，其他技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要以BIM做支撐[5]。本項(xiàng)目結(jié)合BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、5G技術(shù)、三維掃描技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、放樣機(jī)器人技術(shù)等智能化技術(shù)，大大提高智慧工地的數(shù)字化、模型化、信息化應(yīng)用[6-7]。

3.2.1BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

將BIM與物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)建造各環(huán)節(jié)的信息流閉環(huán)，有機(jī)結(jié)合虛擬數(shù)字化管理與現(xiàn)實(shí)硬件。應(yīng)用BIM和IoT技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)、材料質(zhì)量和物資設(shè)備管理，應(yīng)用監(jiān)控器、傳感器及RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的采集，采用RFID技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

3.2.2BIM+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

BIM結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)集成應(yīng)用，輔助項(xiàng)目生產(chǎn)成本管控。通過結(jié)合BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，施工前進(jìn)行虛擬場(chǎng)景、施工成本、施工進(jìn)度、復(fù)雜局部施工方案的模擬及交互式場(chǎng)景漫游，通過模擬工程整個(gè)建造過程，施工前即可確定施工方案的可行性及合理性，減少或避免設(shè)計(jì)中存在的大多數(shù)錯(cuò)誤，生成相應(yīng)的采購(gòu)方案和財(cái)務(wù)費(fèi)用，高效改進(jìn)施工方案。

3.2.3BIM+5G技術(shù)

基于BIM+5G全業(yè)務(wù)數(shù)字化管理模式應(yīng)用，通過搭建5G基站，采用基于5G技術(shù)的BIM+智慧工地管理平臺(tái)，進(jìn)行項(xiàng)目整體智慧建造協(xié)同管理，利用5G技術(shù)的高速率與低時(shí)延特性，以BIM模型為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)模型與現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的全業(yè)務(wù)數(shù)字化管理模式。

3.2.4BIM+三維掃描技術(shù)

在工程結(jié)構(gòu)封頂、機(jī)電安裝、精裝修階段，挑選重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用三維激光技術(shù)，在機(jī)電安裝階段全方位精細(xì)測(cè)量梁、板、柱等位置，將建筑體1∶1三維點(diǎn)云模型導(dǎo)入BIM模型，進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)、點(diǎn)云模型、BIM模型碰撞檢測(cè)，對(duì)比階段性施工誤差，提高測(cè)量復(fù)核工作效率及準(zhǔn)確性，提高施工過程的精細(xì)化管理能力，同時(shí)為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。BIM+三維掃描應(yīng)用如圖3所示。

圖3 BIM+三維掃描應(yīng)用

3.2.5BIM+無人機(jī)技術(shù)

通過全景航拍巡檢技術(shù)記錄和監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)全局，輔助場(chǎng)地策劃、管理，實(shí)現(xiàn)安全隱患巡檢與排查。將BIM模型與傾斜攝影逆向重構(gòu)地形模型，開展土方平衡、調(diào)整三維場(chǎng)布模型動(dòng)態(tài)，進(jìn)行進(jìn)度檢查、安全隱患排查等應(yīng)用。BIM+無人機(jī)應(yīng)用如圖4所示。

圖4 BIM+無人機(jī)應(yīng)用

3.2.6BIM+放線機(jī)器人

施工中利用BIM與智能機(jī)器人集成應(yīng)用，通過整合軟件、硬件，將BIM模型通過平板電腦帶至現(xiàn)場(chǎng)，直接利用模型中的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能型全站儀進(jìn)行點(diǎn)放樣，同時(shí)使用360°棱鏡反向獲取點(diǎn)的空間坐標(biāo)，可大幅改變?cè)棘F(xiàn)場(chǎng)采用拉尺放線和輸入坐標(biāo)的方式。二者集成應(yīng)用，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪所得的建造結(jié)構(gòu)信息與模型數(shù)據(jù)，核對(duì)施工環(huán)境與BIM模型間的偏差，為機(jī)電、精裝、幕墻等專業(yè)深化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.3 BIM技術(shù)全生命期鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)

本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量大，施工穿插管理難度大，利用BIM開發(fā)基于BIM+GIS的鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺(tái)。該平臺(tái)架構(gòu)以主數(shù)據(jù)的核心，通過網(wǎng)頁(yè)交互端、移動(dòng)APP端，利用數(shù)據(jù)接口自動(dòng)抓取鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)分包ERP系統(tǒng)信息，集成現(xiàn)有各信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

平臺(tái)依托每根構(gòu)件模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息、加工信息、施工信息的全部階段集成，能夠以階段信息驅(qū)動(dòng)BIM模型顯示，信息關(guān)聯(lián)到模型外，還有數(shù)據(jù)分析功能，能讓信息驅(qū)動(dòng)BIM模型顯示或隱藏，讓分析結(jié)果一目了然，達(dá)到智慧管理與決策的目的。

利用移動(dòng)端APP作為前端操作入口，同步網(wǎng)頁(yè)在輕量化平臺(tái)上查看鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)BIM模型，開展環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)卡控和信息的添加，與生產(chǎn)管理無縫融合，進(jìn)行深化、更新、維護(hù)，并管理、協(xié)調(diào)、整合專業(yè)承包單位的BIM工作。通過智能建造自動(dòng)分析、控制聯(lián)動(dòng)技術(shù)，結(jié)合智慧工地綜合管控、鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)智能套料、鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)、鋼結(jié)構(gòu)智能焊接、鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝等應(yīng)用，開展全生命周期鋼結(jié)構(gòu)管理應(yīng)用。

3.4 BIM技術(shù)綜合應(yīng)用效果分析

利用BIM技術(shù)可確立工程技術(shù)規(guī)范、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程、施工管理，對(duì)工程信息進(jìn)行匯總，分析工程偏差，進(jìn)一步提高工程質(zhì)量，建立工程BIM實(shí)施體系，提升項(xiàng)目精細(xì)化管理水平，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)共享模型信息，達(dá)到同步更新，以解決各專業(yè)、各分包商的協(xié)同問題，提高管理效率。

將BIM模型結(jié)合便攜式移動(dòng)終端設(shè)備與相關(guān)配套軟件，提高工效，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全管理，有效控制施工成本，實(shí)現(xiàn)全過程造價(jià)管理。通過項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)現(xiàn)施工階段各參與方BIM數(shù)據(jù)共享，使溝通更便捷、協(xié)作更緊密、管理更有效。

在施工階段發(fā)揮BIM技術(shù)三維可視化、虛擬仿真、信息協(xié)同等功能，通過土建算量、三維模型技術(shù)交底等，更直觀地反映施工過程中遇到的技術(shù)問題，借助BIM將復(fù)雜工程可視化，利用三維模型模擬施工過程，使各專業(yè)協(xié)同工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整設(shè)計(jì)以降低風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施施工總承包BIM管理，加強(qiáng)項(xiàng)目策劃能力，提高信息溝通效率，增強(qiáng)項(xiàng)目過程管控能力，提升項(xiàng)目精細(xì)化管理水平，實(shí)現(xiàn)實(shí)體工程與數(shù)字工程同步驗(yàn)收，為物業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)服務(wù)提供幫助，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)收益最大化。

BIM技術(shù)可廣泛應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目全周期不同階段，推動(dòng)智能建造快速發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益及廣闊的市場(chǎng)前景[8]。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點(diǎn)。本文借助長(zhǎng)沙西站及其相關(guān)工程，總結(jié)BIM技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用、深化設(shè)計(jì)應(yīng)用，通過結(jié)合BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、5G技術(shù)、三維掃描技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、放樣機(jī)器人技術(shù)等智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程建造智能化，同時(shí)建立BIM技術(shù)全生命期鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，總結(jié)BIM技術(shù)應(yīng)用在大型綜合交通樞紐工程中的效果，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)數(shù)字化、智能化管理，提升項(xiàng)目進(jìn)度、節(jié)約工期與成本。在未來的土木工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、管理運(yùn)維中，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的工程創(chuàng)新應(yīng)用將發(fā)揮更大作用，推進(jìn)我國(guó)土木行業(yè)智能化發(fā)展。