趙建豪，秦 斌，鄔德宇

(1.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

航道整治工程具有施工工期長、影響因素多等特點，并存在返工成本高、質(zhì)量溯源難、管控難度大等問題。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和航運需求的日益增長，內(nèi)河航道整治工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、工程構(gòu)筑物更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的實施方法已不能滿足施工管理、強度和精度的要求，亟需向可視化、信息化、智慧化發(fā)展[1-2]。

BIM 技術(shù)因具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等優(yōu)勢而逐漸深入到各個工程領(lǐng)域，顯著提高了工程質(zhì)量和投資效益[3]。而已有BIM 技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用多集中在設(shè)計階段[4-7]，并主要從正向設(shè)計、工程量計算、構(gòu)筑物創(chuàng)建、可視化交底、施工進(jìn)度和工藝模擬等方面進(jìn)行應(yīng)用，增強了施工人員對擬建工程的整體認(rèn)知，極大地方便了施工前期工作的開展，但對施工階段的全過程管控還有待深入結(jié)合。為此，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為主的智慧工地管理平臺應(yīng)運而生，通過對施工生產(chǎn)、技術(shù)管理等過程加以改造，提升施工現(xiàn)場的管理效率、工作效率和決策能力[8]。但相較于房建領(lǐng)域，內(nèi)河航道整治工程具有長線型、多區(qū)域、隱蔽工程多的特點，因此如何結(jié)合工程需求和BIM 技術(shù)的全生命周期性[9]，在管理平臺中將BIM 技術(shù)與施工管控進(jìn)行全面融合，是實現(xiàn)內(nèi)河航道整治工程智慧化建設(shè)的重點。

本文以京杭運河長江口門段航道整治工程為例，首先通過可視化編程和實景模型技術(shù)實現(xiàn)施工BIM 模型深化創(chuàng)建、復(fù)雜航道模型構(gòu)建和多源模型輕量化集成等應(yīng)用，為施工階段提供精準(zhǔn)BIM 數(shù)據(jù)；并將BIM 技術(shù)與智慧工地平臺相結(jié)合，集成應(yīng)用于內(nèi)河航道施工全過程管控，實現(xiàn)了混凝土質(zhì)量溯源、灌注樁智能化管控、工序線上報驗、施工過程實時管理等創(chuàng)新應(yīng)用。

1 工程概況

京杭運河長江口門段航道整治工程位于長江和京杭運河兩條水道交匯處，項目起自施橋船閘止于六圩長江口，全長5.37 km，施工內(nèi)容為灌注樁加鋼板樁承臺式護(hù)岸、格賓生態(tài)護(hù)岸、水下航道疏浚等工程(圖1)，具有施工管控難度大、安全環(huán)保壓力大、征地拆遷難度大、質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)高的特點。工程著重解決灌注樁施工過程管控、護(hù)岸工序報驗、混凝土質(zhì)量溯源、施工過程實時管理和拆遷統(tǒng)計等難題，通過智能化管控方式指導(dǎo)工程項目建設(shè)。

圖1 整治工程分布

2 施工階段BIM 技術(shù)深化應(yīng)用

2.1 BIM 模型劃分

以往BIM 模型的創(chuàng)建多在設(shè)計階段，主要依據(jù)設(shè)計思路和工程需求開展，但要實現(xiàn)BIM 模型的全生命周期應(yīng)用，更好地實現(xiàn)工程量統(tǒng)計、施工模擬、施工過程BIM 管控等功能，還需結(jié)合施工進(jìn)度計劃和施工工藝進(jìn)行BIM 模型的二次深化，以真正符合施工階段的應(yīng)用需求。

項目根據(jù)工程劃分原則和施工進(jìn)度計劃進(jìn)行了施工BIM 模型的命名和劃分，該過程遵循唯一性、簡明性、完整性等基本原則，利用文字、字母、數(shù)字進(jìn)行一定規(guī)律的排列對BIM 構(gòu)件進(jìn)行命名(圖2)，同時通過Dynamo 可視化編程，添加各個構(gòu)件ID 進(jìn)行唯一性標(biāo)識、添加坐標(biāo)信息以準(zhǔn)確定位，方便后續(xù)工序報驗、施工智能化管控。

圖2 BIM 模型劃分規(guī)則

2.2 BIM 模型的創(chuàng)建及應(yīng)用

內(nèi)河航道工程BIM 模型創(chuàng)建多集中在護(hù)岸[10]、樁基、地形和航道等結(jié)構(gòu)上。針對航道施工樁基數(shù)量多、護(hù)岸走勢復(fù)雜的難點，通過Dynamo 可視化編程，解決了復(fù)雜護(hù)岸前沿線中的樁模型放置問題，實現(xiàn)沿特定角度、特定間距、特定路徑下的鋼板樁、灌注樁模型自動放置，具有放置精度高、間隔排列準(zhǔn)確、搭接緊密且連續(xù)的優(yōu)點(圖3)。

圖3 采用Dynamo 自動放置樁模型

針對航道斷面結(jié)構(gòu)多、各過渡段銜接不明確的難題，采用部件編輯器建立了標(biāo)準(zhǔn)航道部件，通過自動找尋護(hù)岸邊界和高程信息對航道進(jìn)行精確建模，用于施工疏挖技術(shù)交底；通過Civil 3D 建立三角網(wǎng)格體積曲面，進(jìn)行土石方量計算，直觀展現(xiàn)三維土石方量分布情況(圖4)，相對于傳統(tǒng)的斷面法，其計算效率和精度均有所提高[11]。

圖4 三維土石方量計算

基于施工BIM 模型，實現(xiàn)了施工圖紙的三維化表達(dá)(圖5)，通過提前優(yōu)化施工方案和結(jié)構(gòu)布置，降低施工返工風(fēng)險；同時采用VR 設(shè)備并結(jié)合Fuzor 軟件進(jìn)行沉浸式體驗，直觀展示工程重難點，對施工人員進(jìn)行可視化技術(shù)交底。

圖5 施工圖紙三維表達(dá)

2.3 多源模型輕量化集成及應(yīng)用

針對征地拆遷難度大、場地配置規(guī)劃難的問題，項目使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過控制點布設(shè)、測區(qū)航線規(guī)劃獲取數(shù)據(jù)，通過空中三角測量解算、控制點設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，創(chuàng)建了施工區(qū)域?qū)嵕澳Ｐ蚚12-13]，為區(qū)域拆遷、場地布置、工程量核算提供數(shù)據(jù)支持。

以往研究中在BIM 模型與三維實景模型融合時存在坐標(biāo)信息不統(tǒng)一、模型體量大、匹配效果不佳等問題[14]。項目基于國產(chǎn)BIM 引擎Black Hole 建立BIM 輕量化平臺，使用Worm Hole Editor編輯器對實景模型進(jìn)行二次優(yōu)化和單體化，解決了模型空洞、變形扭曲、模型懸浮等問題；并采用Raster Tools 將GIS 底圖進(jìn)行坐標(biāo)定位，通過WMTS 地圖服務(wù)坐標(biāo)系對各源文件進(jìn)行定位整合，最終將BIM 模型、GIS 底圖、實景模型相融合，實現(xiàn)網(wǎng)頁端多源模型的集成(圖6)，為施工智能化管控提供數(shù)據(jù)支持。

圖6 網(wǎng)頁端多源模型集成

通過多源模型的輕量化集成實現(xiàn)以下應(yīng)用:1)實現(xiàn)施工現(xiàn)場全要素信息三維可視化，可對施工場地進(jìn)行快速布置，有利于管理人員綜合評估施工條件，制定有針對性的資源調(diào)度與配置方案；2)針對目前航道工程房屋拆遷采用的實地測量方法，可通過輕量化平臺對拆遷面積、層數(shù)、結(jié)構(gòu)及擬建工程部位進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計；3)可直觀簡潔地點擊每個BIM 模型構(gòu)件，便于技術(shù)人員快速查看。

3 BIM+智慧工地在航道整治工程中的應(yīng)用

智慧工地平臺基于物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)的軟硬件優(yōu)勢，針對施工現(xiàn)場管理特點，實現(xiàn)人員考勤、車輛識別、施工質(zhì)量安全管理、現(xiàn)場監(jiān)控和機(jī)械設(shè)備監(jiān)測等功能，并在房建市政等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，但受限于航道整治工程施工特點，已有通用化功能并不滿足水運施工的開展。本節(jié)基于施工BIM 模型和智慧工地管理平臺，解決航道工程中大體量混凝土澆筑、長線型施工過程管控、隱蔽工程工序報驗、施工及監(jiān)測數(shù)據(jù)管理等典型難題。

3.1 混凝土動態(tài)管控

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時傳輸原材料數(shù)據(jù)，管理平臺依據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，并生成原材料統(tǒng)計報表，供管理人員總體把控，實現(xiàn)材料來源的動態(tài)管理；基于智慧工地平臺，通過對原材料入倉配比、拌和時間、試驗檢測等信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，從源頭上加強了拌和數(shù)據(jù)收集，實現(xiàn)了拌和過程的實時管控。

通過將每倉混凝土與運輸車輛綁定聯(lián)動，可查詢該運輸車輛的接料時長、接料強度、接料量、澆筑部位等信息，并實時獲取車輛的運輸軌跡，確保在接料、運輸中信息的準(zhǔn)確性和可溯性；同時將每倉混凝土用量與施工BIM 模型中的澆筑部位進(jìn)行綁定聯(lián)動，確保各倉混凝土與所澆筑部位的精準(zhǔn)匹配，減少因人工調(diào)配錯誤導(dǎo)致澆筑位置不符，并可自動統(tǒng)計出料與入倉澆筑的間隔時間，確?；炷潦冀K處于最佳狀態(tài)(圖7)。

圖7 混凝土動態(tài)管控

3.2 施工過程實時管控

針對長線型航道整治工程現(xiàn)場管控難的問題，通過AI 智能抓拍、電子圍欄、手持人員門禁、單兵記錄儀、智能安全帽等手段，實現(xiàn)對現(xiàn)場分散人員的動態(tài)管理；通過移動布控球、定位、傳感裝置等對工程車輛、機(jī)械、挖泥船等設(shè)備實時監(jiān)管，實現(xiàn)“云監(jiān)工”；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自動對揚塵、噪音、氣象等參數(shù)進(jìn)行采集、存儲、分析，揚塵超標(biāo)自動啟動噴霧降塵，實現(xiàn)環(huán)保自動化管理；施工人員使用手機(jī)APP 對工程質(zhì)量、安全進(jìn)行“隨手拍”，可進(jìn)行定期巡查與安全質(zhì)量監(jiān)督，數(shù)字化賦能航道整治工程智慧建設(shè)(圖8)。

圖8 施工過程實時管控

3.3 施工階段協(xié)同管理

在基于BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升航道整治工程的信息化、智慧化管理水平，各參建方基于智慧工地平臺和手機(jī)APP 進(jìn)行施工線上協(xié)同管理。平臺涵蓋通知公告、科技創(chuàng)新、黨政廉潔、班組管理、檔案管理、設(shè)備管理、合同管理、應(yīng)急管理等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享、資料查詢有序、線上審批操作，提升了參建各方管理效率(圖9)。針對航道整治工程安全管理難的問題，平臺實現(xiàn)了風(fēng)險源點管控、安全教育、安全考試等功能加強人員培訓(xùn)，提高了質(zhì)量安全管理水平。

圖9 施工協(xié)同管理

3.4 施工工序線上報驗

航道整治工程中隱蔽部位較多，針對施工工序的質(zhì)量控制要點，如何利用先進(jìn)的管理手段和管理辦法加強對工序質(zhì)量的控制與管理是有效提升施工質(zhì)量水平的重要方式。

項目結(jié)合施工需求，通過管理平臺對報驗流程、單元劃分進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，將BIM 模型信息與BIM 輕量化平臺和智慧工地管理平臺相關(guān)聯(lián)(圖10)，最后利用手機(jī)APP 在施工現(xiàn)場對隱蔽工程進(jìn)行線上報驗，實現(xiàn)圖片、視頻在線上傳，檢測表格在線填寫，報驗位置自動記錄等功能，報驗全過程線上操作，提高了施工信息化水平。

圖10 施工工序報驗管理

工序報驗具有如下特點:1)將模型ID 作為報驗信息傳遞的依據(jù)，實現(xiàn)報驗部位與BIM 模型動態(tài)關(guān)聯(lián)，報驗結(jié)果可與BIM 輕量化平臺進(jìn)行實時聯(lián)動；2)通過BIM 模型顏色區(qū)分，直觀展現(xiàn)已完工和未完工段的所在位置，便于對施工進(jìn)度進(jìn)行總體把控；3)通過點選平臺各個構(gòu)件，可顯示工程部位、工序信息、責(zé)任人員和澆筑信息，提高質(zhì)量管控和溯源能力；4)通過拖拽時間進(jìn)度線，可直觀查看施工先后順序，方便管理人員進(jìn)行進(jìn)度規(guī)劃。相較于傳統(tǒng)的4D 施工進(jìn)度模擬，該技術(shù)具有實時性、可溯性、自動性的優(yōu)點，真正實現(xiàn)了BIM 模型在施工階段質(zhì)量、進(jìn)度管控中的融合應(yīng)用。

3.5 施工數(shù)據(jù)實時管理

灌注樁須在施工現(xiàn)場短時間內(nèi)連續(xù)完成，作為隱蔽工程其施工質(zhì)量較難監(jiān)測。首先采用Revit和Dynamo 精確創(chuàng)建施工BIM 模型并添加施工信息，上傳至管理平臺作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；并基于北斗導(dǎo)航的載波相位差分定位技術(shù)[15]，實現(xiàn)對打樁位置的自動定位與導(dǎo)航，將打樁坐標(biāo)與平臺模型信息進(jìn)行比對，以精確控制鉆孔誤差；通過接觸式儀器組合法和諧振音叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，運用物聯(lián)網(wǎng)手段將成孔檢測、泥漿監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳至管理平臺進(jìn)行整理分析，實現(xiàn)對灌注樁施工全過程智能化管控(圖11)[16]。

圖11 灌注樁智能化管控

針對工程鋼筋、混凝土用量大，試驗檢測效率低等問題，基于管理平臺、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對混凝土抗折抗壓、鋼筋力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測、自動上傳、分析整理、待辦信息自動推送等功能(圖12)，試驗數(shù)據(jù)全程可查，確保試驗、檢測全過程可追溯，保障工程材料質(zhì)量安全。

圖12 試驗監(jiān)測過程管控

4 結(jié)論

1)為了實現(xiàn)BIM 技術(shù)與施工管控的融合，須結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境因素、施工進(jìn)度和施工工藝對BIM模型進(jìn)行二次深化；在航道整治工程中，使用可視化編程能較好地完成施工BIM 模型深化創(chuàng)建、復(fù)雜航道模型構(gòu)建和航道土石方量計算。

2)通過輕量化BIM 管理平臺，可將BIM 模型、GIS 底圖、實景模型相融合，實現(xiàn)施工現(xiàn)場全要素信息三維可視化，為施工場地快速布置、房屋拆遷統(tǒng)計和BIM 模型信息查詢提供數(shù)據(jù)支持。

3)結(jié)合施工BIM 模型及管理平臺，可對混凝土材料來源、拌和、運送、澆筑全過程進(jìn)行實時管控，提升混凝土質(zhì)量溯源能力。

4)基于移動互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對分散人員、施工機(jī)械、固定監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行動態(tài)管控；可依據(jù)航道整治工程特點和管理需求，將管理平臺從物聯(lián)網(wǎng)端向線上協(xié)同管理端進(jìn)行擴(kuò)展，實現(xiàn)工程智慧化綜合管理。

5)基于BIM 模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，并將模型信息與管理平臺關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對隱蔽工程線上工序報驗，提高施工信息化水平。

6)基于管理平臺、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)對混凝土、鋼筋試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測、自動上傳、分析整理等功能，保障檢測全過程可追溯。