文|萬(wàn)仁威 殷博
延慶冬奧村項(xiàng)目由中建一局華江建設(shè)有限公司承建,位于北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)內(nèi),為高海拔延慶海坨山區(qū),距北京市區(qū)100 公里,是冬奧村高山滑雪項(xiàng)目的舉辦地。本工程為其配套的冬奧村北區(qū),位于一個(gè)多層臺(tái)地古村落區(qū)域,項(xiàng)目施工部分是其中靠北的5 個(gè)建筑組團(tuán),建筑面積58100m2,工程主體為鋼結(jié)構(gòu),總用鋼量為 9400t,施工總工期 733 天(圖1)。
圖1 延慶冬奧村項(xiàng)目效果圖
本項(xiàng)目為高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的奧運(yùn)工程,地理位置特殊,且為中國(guó)首例土地使用權(quán)、總承包建設(shè)權(quán)、賽后運(yùn)營(yíng)權(quán)三合一的招標(biāo)PPP 項(xiàng)目,在冬奧會(huì)結(jié)束后本項(xiàng)目將被改造為一個(gè)滑雪度假酒店,因此項(xiàng)目的BIM 及數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用跨越深化設(shè)計(jì)與施工管理,并需要為后期運(yùn)維階段提供符合要求的模型和數(shù)據(jù)。
團(tuán)隊(duì)根據(jù)本項(xiàng)目各方面情況總結(jié)了工程中四個(gè)方面的重難點(diǎn):
一是高海拔多層臺(tái)地地形:施工場(chǎng)地東西向和南北向均存在30~42m 的高差,山林遍布,土方挖掘、場(chǎng)地規(guī)劃、物資運(yùn)輸、場(chǎng)地安全等高海拔山區(qū)環(huán)境為項(xiàng)目施工帶來(lái)種種困難。
二是奧運(yùn)賽事級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn):舉國(guó)關(guān)注,責(zé)任重大。整體工程必創(chuàng)“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”,最終爭(zhēng)創(chuàng)“魯班獎(jiǎng)”,各項(xiàng)高標(biāo)準(zhǔn)促使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用高效的技術(shù)管理手段全方面提高施工及質(zhì)量水平。
三是綠色奧運(yùn),超低能耗:秉承綠色奧運(yùn)的設(shè)計(jì)理念,第六運(yùn)動(dòng)員組團(tuán)被立項(xiàng)為第二批北京市超低能耗試點(diǎn)建筑。因地處山地,各項(xiàng)指標(biāo)都區(qū)別于常規(guī)地理位置,加之外圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且造型特殊,需要利用新的手段對(duì)超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)的施工選材、工藝和驗(yàn)收進(jìn)行控制。
四是PPP 工程:本項(xiàng)目是中國(guó)首例集土地使用權(quán)、總承包建設(shè)權(quán)、賽后運(yùn)營(yíng)權(quán)三合一的招標(biāo)項(xiàng)目,BIM 管理定位前后延伸,從施工階段、賽事階段及運(yùn)維階段推進(jìn)BIM 在真正意義上的全生命期中的應(yīng)用價(jià)值。
針對(duì)本項(xiàng)目的重難點(diǎn),總結(jié)以下BIM 技術(shù)解決方案的應(yīng)用目標(biāo):
一是多專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化:通過(guò)BIM 相關(guān)設(shè)計(jì)輔助軟件,對(duì)工程機(jī)電安裝、鋼結(jié)構(gòu)、超低能耗等專(zhuān)業(yè)圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì),并以多種可視化的形式提升溝通效率,提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,避免后期施工返工的情況和資源浪費(fèi)。
二是施工管理提升:利用三維掃描技術(shù),快速采集高山場(chǎng)地信息,輔助場(chǎng)地規(guī)劃、土方管理;同時(shí)結(jié)合智慧工地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),從進(jìn)度、勞務(wù)、等方面提高施工管理效率。
三是面向PPP 運(yùn)維的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:為后期搭設(shè)BIM 智能運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行模型和數(shù)據(jù)流程的準(zhǔn)備工作,探索模型交付標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)需求,以便在冬奧會(huì)賽事期間以及改造結(jié)束后對(duì)奧運(yùn)村進(jìn)行智能運(yùn)維管理(表1)。
表1 冬奧村數(shù)字技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容
針對(duì)以上項(xiàng)目需要攻克的技術(shù)、管理及業(yè)務(wù)上的難點(diǎn),項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)策劃了一系列應(yīng)用實(shí)施方案。
在人力組織架構(gòu)方面,作為冬奧PPP 工程,本項(xiàng)目的BIM 及數(shù)字化技術(shù)的實(shí)施包含中建一局項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)及PPP 管理單位——國(guó)家高山滑雪有限公司。形成以業(yè)主需求為導(dǎo)向, 總包過(guò)程實(shí)施為基礎(chǔ)的多方協(xié)作BIM 管理模式(圖2)。
圖2 項(xiàng)目組織架構(gòu)圖
表2 冬奧村數(shù)字技術(shù)應(yīng)用軟、硬件一覽表
本工程的模型標(biāo)準(zhǔn)按照《中建一局工程施工BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。智慧工地建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參考《北京市智慧工地技術(shù)規(guī)程》DB11/T 1710—2019 執(zhí)行。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在前期針對(duì)項(xiàng)目全體成員進(jìn)行了BIM 技術(shù)基礎(chǔ)理論、智慧工地實(shí)施方案的內(nèi)部培訓(xùn),并邀請(qǐng)各軟、硬件廠商針對(duì)不同崗位進(jìn)行BIM 相關(guān)軟件和智慧工地平臺(tái)模塊的操作培訓(xùn)。
本工程的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用主要圍繞特殊山地地形場(chǎng)地管理、優(yōu)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制以及BIM+物聯(lián)網(wǎng)提升施工管理效率三個(gè)方面。
(1)特殊山地地形場(chǎng)地管理
本工程位于海坨山高海拔臺(tái)地,地形層疊錯(cuò)落,團(tuán)隊(duì)從特殊地形的部署規(guī)劃、土方成本及場(chǎng)地安全角度進(jìn)行了數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用。
高海拔山地地形數(shù)字化應(yīng)用:由于冬奧會(huì)高山滑雪賽區(qū)地形特殊,為高海拔的山地及多層臺(tái)地地形,傳統(tǒng)的GPS 場(chǎng)地測(cè)繪精度低,操作危險(xiǎn)且耗時(shí)較長(zhǎng),因此團(tuán)隊(duì)額外采用了三維掃描的方式來(lái)獲取整個(gè)場(chǎng)地的精準(zhǔn)模型。
首先是通過(guò)多點(diǎn)設(shè)站,利用三維掃描儀對(duì)開(kāi)挖前后的基坑土方進(jìn)行掃描,完成了精度2mm 以?xún)?nèi)的施工場(chǎng)地點(diǎn)云模型,并與土方方格網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及地勘報(bào)告進(jìn)行校核,完成最終的場(chǎng)地?cái)?shù)字化模型,整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程用時(shí)3 天,大幅提升了測(cè)量效率。
之后再將三維點(diǎn)云模型導(dǎo)入Revit 中進(jìn)行逆向建模,形成了場(chǎng)地的實(shí)體BIM 模型,縮短了大量場(chǎng)地建模時(shí)間,再對(duì)其按施工計(jì)劃分階段進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)、生活區(qū)規(guī)劃等場(chǎng)地三維可視化動(dòng)態(tài)規(guī)劃工作,幫助團(tuán)隊(duì)更高效準(zhǔn)確地完成高山場(chǎng)地的場(chǎng)地規(guī)劃和模擬工作(圖3)。
圖3 BIM 三維場(chǎng)地布置規(guī)劃
山地土方算量:使用傳統(tǒng)的GPS+方格網(wǎng)對(duì)高山臺(tái)地地形進(jìn)行土方量計(jì)算難以得到足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),因此團(tuán)隊(duì)將該點(diǎn)云模型逆向建模后與最終基坑BIM 模型進(jìn)行核減處理,用于土方量的精準(zhǔn)把控。
土方算量中,對(duì)于三維掃描和BIM 的數(shù)據(jù)目前還比較謹(jǐn)慎,目前方格網(wǎng)數(shù)據(jù)仍是主要的土方工程成本的審核依據(jù),因此利用好BIM 技術(shù)來(lái)進(jìn)行精細(xì)化管理和成本結(jié)算創(chuàng)效就有了較大的潛力。
山地基坑放坡的情況在臺(tái)地交接部分需要特殊處理,在BIM 建模時(shí)也特別考慮了這個(gè)部分,最終由技術(shù)和商務(wù)人員將BIM+三維點(diǎn)云的計(jì)算結(jié)果作為總包的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)量(圖4)。
圖4 在 Revit 中進(jìn)行土方計(jì)算
團(tuán)隊(duì)將三維掃描與BIM 出的量作為土方實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)量與土方各工程下游企業(yè)交接,并將該量作為總包內(nèi)控的標(biāo)準(zhǔn)量,大幅提升了總包的土方成本管控精度。
永久性高邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng):項(xiàng)目的北側(cè)有一條長(zhǎng)約120m 的永久性高邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu),是保證冬奧區(qū)域土地安全的重要屏障,但由于山地、大風(fēng)、暴雨、大雪等極端天氣比較多,第三方檢測(cè)單位無(wú)法隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而這個(gè)時(shí)候往往也是事故發(fā)生的時(shí)候。
因此,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用了一套針對(duì)高邊坡應(yīng)力安全的監(jiān)控系統(tǒng),在工程最北側(cè)危險(xiǎn)系數(shù)最大的永久性高邊坡結(jié)構(gòu)中,每間隔30m 布設(shè)測(cè)斜傳感器、位移傳感器和高精度靜力水準(zhǔn)儀(圖5),加之遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊,形成自動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng),并且將該系統(tǒng)與項(xiàng)目智慧工地平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng),讓管理人員能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)電腦端和手機(jī)端查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并接收?qǐng)?bào)警信息,為施工和冬奧村的后期使用提供了重要安全保障。
圖5 高邊坡監(jiān)測(cè)傳感器定期檢查
(2)BIM+ 智慧工地技術(shù)在PPP 工程管理中的運(yùn)用
BIM 模型和數(shù)據(jù)面向全生命期:PPP 工程數(shù)字化應(yīng)用最重要的基礎(chǔ)就是整個(gè)生命期模型和數(shù)據(jù)的傳遞,具體每個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),下一個(gè)階段需要接收的數(shù)據(jù),以及最終會(huì)形成的成果,圍繞冬奧村的項(xiàng)目需求,團(tuán)隊(duì)對(duì)各階段都進(jìn)行了規(guī)劃和梳理,并形成了一個(gè)全過(guò)程的模型和數(shù)據(jù)管理計(jì)劃。圖6所示的傳遞流程圖包含了各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到最終商業(yè)運(yùn)維的所有數(shù)據(jù)大類(lèi)內(nèi)容,這種面向全生命期的 Open-BIM 管理流程對(duì) PPP 工程能夠產(chǎn)生巨大的效益。
圖6 全生命期模型和數(shù)據(jù)傳遞示意
在模型的使用上,團(tuán)隊(duì)也以PPP 項(xiàng)目管理的模式為基礎(chǔ),把模型作為設(shè)計(jì)、業(yè)主、分包進(jìn)行技術(shù)溝通的重要依據(jù)和形式,還聯(lián)合外部技術(shù)團(tuán)隊(duì)僅用時(shí)一天通過(guò)Unity 制作了BIM+VR 機(jī)房沉浸式會(huì)議室,并進(jìn)行了一次機(jī)房深化協(xié)調(diào)內(nèi)部會(huì)議的嘗試,由于目前硬件成本較高,未進(jìn)行大范圍使用,但其體感效果真實(shí)、不受地域限制、數(shù)據(jù)記錄便捷的特點(diǎn)得到了多方的肯定,在一些重要工程技術(shù)方案論證和特殊精裝設(shè)計(jì)協(xié)同會(huì)議中有很大的應(yīng)用潛力。
為提升工程交付質(zhì)量,在二次結(jié)構(gòu)完工的部位使用了可以現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集并與BIM比對(duì)分析的新一代點(diǎn)云處理技術(shù),該技術(shù)能夠直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作平板進(jìn)行點(diǎn)云自動(dòng)拼接,在現(xiàn)場(chǎng)就可以檢查比對(duì)多個(gè)部位的施工偏差,相較于傳統(tǒng)掃描技術(shù)的質(zhì)量對(duì)比,節(jié)省了80%的后期操作時(shí)間。
冬奧村秉承綠色奧運(yùn)的設(shè)計(jì)理念,要求其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)員組團(tuán)最終以超低能耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè),團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)校準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)員房間,通過(guò)對(duì)其裝修做法、墻面、樓地面、門(mén)窗材料進(jìn)行模擬,通過(guò)Revit 進(jìn)行綜合的能耗參數(shù)的計(jì)算,選擇既滿(mǎn)足北京市超低能耗標(biāo)準(zhǔn),又符合成本、工期以及施工條件要求的工藝及材料清單,節(jié)省大量施工方案的編制論證時(shí)間,樣板的建設(shè)工期提前了3 天。
智慧平臺(tái)提升管理效率:為了提高項(xiàng)目的協(xié)調(diào)管理能力,保證冬奧會(huì)硬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)度,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了基于BIM 和多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智慧工地平臺(tái),除了將永久性高邊坡監(jiān)控系統(tǒng)接入平臺(tái)外,還主要包括以下三個(gè)方面(圖7)。
圖7 BIM5D+智慧工地?cái)?shù)據(jù)決策系統(tǒng)
一是生產(chǎn)大數(shù)據(jù)處理。首先在勞務(wù)方面,團(tuán)隊(duì)考慮各組團(tuán)施工隊(duì)伍的人數(shù)較為分散,同時(shí)工地存在夜間施工、山林臨區(qū)防火、安全巡視的要求,團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勞務(wù)人員,尤其是施工周期較長(zhǎng)的鋼結(jié)構(gòu)、市政分包的勞務(wù)人員,采用了智能勞務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)物聯(lián)感應(yīng)能夠在三維BIM 地圖上,直觀顯示現(xiàn)場(chǎng)勞務(wù)的分布情況,提升團(tuán)隊(duì)對(duì)于山區(qū)施工勞務(wù)人員的管理效率。
二是AI 視頻全天候監(jiān)控。由于冬奧工程現(xiàn)場(chǎng)是與生活區(qū)分離的,且施工現(xiàn)場(chǎng)高差較大,因此現(xiàn)場(chǎng)布控了30 余個(gè)監(jiān)控視頻,并將所有視頻監(jiān)控都?xì)w集到智慧工地平臺(tái)之中,利用現(xiàn)場(chǎng)三維地圖隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)查看現(xiàn)場(chǎng)情況,同時(shí)通過(guò)AI 圖像識(shí)別程序,將現(xiàn)場(chǎng)未佩戴安全帽、反光衣、防疫口罩的情況自動(dòng)識(shí)別并儲(chǔ)存,作為團(tuán)隊(duì)分包安全管理問(wèn)責(zé)的重要依據(jù),提升施工人員安全意識(shí)(圖8)。
圖8 智慧工地 AI 視頻監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)端截圖
三是物聯(lián)網(wǎng)施工數(shù)據(jù)采集。將高邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、視頻安全監(jiān)控、勞務(wù)管理、質(zhì)量安全等數(shù)據(jù),錄入BIM 智慧工地系統(tǒng)中的項(xiàng)目報(bào)表模板,通過(guò)自動(dòng)處理以上物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)的后臺(tái)中心,將公司的技術(shù)質(zhì)量項(xiàng)目管理章程移植到平臺(tái)中,讓智慧工地直接導(dǎo)出可存檔的報(bào)表,改善了現(xiàn)場(chǎng)管理人員填寫(xiě)各類(lèi)生產(chǎn)報(bào)表的情況,提升了項(xiàng)目的報(bào)表整理效率。
(3)優(yōu)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量控制
首先施工總包直接接收了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方基于BIM 的設(shè)計(jì)模型和出圖,并能夠直接交付加工廠,根據(jù)冬奧村流水施工進(jìn)度進(jìn)行快速工業(yè)化排產(chǎn)。
為保證結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量避免鋼結(jié)構(gòu)后期開(kāi)洞,團(tuán)隊(duì)也針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)電交叉的部位進(jìn)行了基于BIM的三維深化交底出圖,避免機(jī)電安裝出現(xiàn)碰撞開(kāi)洞和返工的情況。
為了提升現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工安裝的效率,團(tuán)隊(duì)向重要的安裝節(jié)點(diǎn)通過(guò)二維碼的形式進(jìn)行了可視化的張貼交底,張貼在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的位置供安裝工人隨時(shí)查看。
在施工現(xiàn)場(chǎng)影響鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和進(jìn)度有另一個(gè)關(guān)鍵因素就是鋼構(gòu)件的吊裝,而在高海拔山地的冬奧區(qū)域施工,為了保證吊裝安全施工,同時(shí)考慮山上的風(fēng)力較大以及風(fēng)荷載的影響,團(tuán)隊(duì)采用了塔吊制動(dòng)系統(tǒng)(圖9)。
圖9 智慧工地塔吊監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)端
團(tuán)隊(duì)將塔吊制動(dòng)系統(tǒng)與BIM 場(chǎng)地模型進(jìn)行掛接,由于山地風(fēng)荷載強(qiáng)勁,曾發(fā)生過(guò)多次誤報(bào)警并強(qiáng)制制動(dòng)的情況,反而給現(xiàn)場(chǎng)正常施工造成了障礙,因此團(tuán)隊(duì)聯(lián)合塔吊公司、制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)人員一起專(zhuān)門(mén)針對(duì)塔吊的構(gòu)件吊重進(jìn)行了校核,并對(duì)制動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了調(diào)試。
通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)全流程的數(shù)字化管控,本項(xiàng)目成為首個(gè)結(jié)構(gòu)封頂?shù)亩瑠W運(yùn)動(dòng)員公寓,本工程也榮獲了2020年中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量金獎(jiǎng)。
數(shù)字化土方工程成本管控技術(shù)應(yīng)用效益顯著。團(tuán)隊(duì)對(duì)比了方格網(wǎng)與三維掃描+BIM 在山地地形建筑土方測(cè)繪中的功效,三維掃描+BIM 在人工、工期、精度、操作安全方面都有著巨大的優(yōu)勢(shì),而最終的技術(shù)也減少了20%的土方成本。但該項(xiàng)應(yīng)用也存在一些問(wèn)題。比如在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)土方測(cè)量軟件如南方Cass、Arcgis 與Revit 之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)交換且較為困難,從Revit 要導(dǎo)出5×5方格網(wǎng)坐標(biāo),需要用虛擬參照平面功能畫(huà)出所有測(cè)繪點(diǎn),在通過(guò)CAD 進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)注讀取導(dǎo)出文本,再導(dǎo)入其他軟件(圖10)。
圖10 三維掃描土方測(cè)算與傳統(tǒng)土方測(cè)算工效對(duì)比
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋越來(lái)越廣,以上類(lèi)似的問(wèn)題還是持續(xù)凸顯,但我們認(rèn)為基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)進(jìn)行工程管理將是未來(lái)工程管理的必然趨勢(shì),相信通過(guò)大量工程的應(yīng)用實(shí)踐以及行業(yè)大數(shù)據(jù)意識(shí)的提升,將引發(fā)建筑行業(yè)的一系列智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型(表3)。
表3 冬奧村智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)總結(jié)表
目前項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)聯(lián)合成本工程師總結(jié)了一套基于BIM 和三維掃描技術(shù)的土方成本管控指引,計(jì)劃在其他新開(kāi)項(xiàng)目中進(jìn)行推廣。
施工模型數(shù)據(jù)按照運(yùn)維需求進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和更改,形成可交付的竣工模型,為接入后期運(yùn)維系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)。
同時(shí),智慧工地在施工階段所形成的數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也將編入延慶冬奧村綜合施工技術(shù)課題報(bào)告中,形成企業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)資料。