張紅衛(wèi)

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400711)

隨著交通強國、數(shù)字中國等重大戰(zhàn)略的提出,智慧建設(shè)的理念越來越多地體現(xiàn)在我國土木工程的建設(shè)中,各地的工程建設(shè)越來越重視創(chuàng)新、驅(qū)動的概念,朝著融合、發(fā)展的方向轉(zhuǎn)變[1]。目前,我國正處于大力開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的階段,對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度、規(guī)模、質(zhì)量與效益尤為重視。在信息時代,土木工程行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展離不開數(shù)字信息技術(shù),其中,BIM 作為當今智能建造的熱點技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程施工領(lǐng)域。

橋梁工程作為交通運輸?shù)难屎?重要性不言而喻。已有專家學(xué)者對橋梁工程領(lǐng)域的智能建造進行了研究。文武松等[2]以BIM 技術(shù)為載體,完成了數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)集成,從而實現(xiàn)了橋梁施工過程中的數(shù)智化升級與數(shù)字孿生驅(qū)動的橋梁智能建造;搭建智慧工地以提升生產(chǎn)效率,實現(xiàn)了橋梁運營期智慧運維監(jiān)測,最終形成了橋梁智能建造、智慧服務(wù)一體化綜合管理平臺。齊成龍等[3]以杭州灣跨海大橋為工程背景,圍繞方案比選、接口設(shè)計、信息化建設(shè)管理、鋼結(jié)構(gòu)智能建造、智能梁場、裝配式構(gòu)件智能建造等方面,構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境條件下的大跨度鐵路橋梁智能設(shè)計與智能建造體系。楊元元[4]基于BIM 技術(shù),對大型預(yù)制梁場智慧建造模式進行研究,搭建了智慧梁場協(xié)同管理平臺,對我國的裝配式橋梁工程建造新模式的發(fā)展具有深遠意義。此外,楊云英等[5]基于5D BIM 技術(shù)對建筑施工階段的低碳信息集成管理技術(shù)進行探索,提出了6D BIM技術(shù)的概念,并詳細闡述了如何收集低碳信息、建立低碳管理模型,實現(xiàn)了BIM 技術(shù)與低碳建筑之間的聯(lián)動。姜彩琳[6]分析了建筑項目施工階段的成本與碳排放的計算,利用工程計量造價系統(tǒng),構(gòu)建了基于BIM 的施工成本和碳排放計算模型,進而構(gòu)建出了低碳信息集成管理的6D BIM。潘升等[7]以某海外建筑鋼結(jié)構(gòu)工程為例,詳細介紹了3D 模型、4D 進度、5D 成本、6D 構(gòu)件狀態(tài)的應(yīng)用過程,強調(diào)了6D BIM 技術(shù)的高效與可視化管理,突出了6D BIM技術(shù)在工程項目中的優(yōu)勢。

近年來,5D BIM 技術(shù)以其明顯的優(yōu)勢和廣闊的前景被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外建筑工程領(lǐng)域。隨著我國“雙碳”目標和綠色建筑領(lǐng)域發(fā)展要求的提出[8],融入低碳信息集成管理技術(shù)的6D BIM 技術(shù)也誕生了。然而,目前6D BIM 技術(shù)仍處于理論階段,關(guān)于其在工程實際中應(yīng)用的文獻資料很少,且現(xiàn)有文獻大多偏向于對整個建筑工程的碳足跡計算與應(yīng)用研究,基礎(chǔ)設(shè)施碳足跡則相對被忽略。因此,本文依托工程實例,建立雙壁鋼圍堰BIM,對圍堰施工進度與資源消耗進行關(guān)聯(lián)模擬,并確定碳排放測算方法,通過QT Creator 二次開發(fā)碳足跡計算系統(tǒng),建立碳足跡因子數(shù)據(jù)庫,進而實現(xiàn)對雙壁鋼圍堰全生命周期碳排放的實時監(jiān)測與計算。本文完整介紹了6D BIM 在工程各個階段的應(yīng)用及其效果,體現(xiàn)了6D BIM 技術(shù)信息化、可視化、多維化、低碳化和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。

1 6D BIM 技術(shù)路線介紹

6D BIM 技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 6D BIM 技術(shù)路線

2 3D BIM 的建立與轉(zhuǎn)換

2.1 BIM 的建立

根據(jù)雙壁鋼圍堰的設(shè)計圖紙和參數(shù),利用Revit軟件建立三維模型,精確反映鋼圍堰單元構(gòu)件的定位及尺寸[9],通過可視化效果模擬其預(yù)拼裝過程。建立模型時,先建立各節(jié)段單元件的三維族庫,然后將單元件進行組拼,雙壁鋼圍堰及施工平臺模型如圖2 所示。

圖2 雙壁鋼圍堰及施工平臺模型

將Revit 3D 模型導(dǎo)入Navisworks 軟件進行碰撞檢測,快速查找出模型各單元件的碰撞點,并出具碰撞檢測報告[10]。根據(jù)報告結(jié)果,不斷對雙壁鋼圍堰的設(shè)計方案進行優(yōu)化,解決了傳統(tǒng)的二維CAD(計算機輔助設(shè)計)圖紙無法避免錯、漏、碰這一問題[11]。

2.2 Revit-Midas Civil 模型轉(zhuǎn)換

Midas Civil 作為通用的空間有限元分析軟件,廣泛適用于橋梁、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑等土木工程領(lǐng)域[12],尤其針對橋梁結(jié)構(gòu),在建模、分析、后處理、設(shè)計等方面提供了很多便捷的功能[13]。然而,利用Revit 軟件建立的3D 模型無法直接轉(zhuǎn)換到Midas Civil 軟件中進行結(jié)構(gòu)分析。針對這一問題,本文基于Revit 平臺的Revit API(應(yīng)用程序接口)技術(shù),借助Visual Studio 平臺上的C#語言,實現(xiàn)Revit 模型信息提取程序的二次開發(fā),獲取Revit 雙壁鋼圍堰模型所含的幾何參數(shù)、彈性模量、泊松比等模型信息,利用C#語言編寫MCT 文件并生成接口程序。MCT 文件作為Midas Civil 的數(shù)據(jù)文件,包含建模時模型所需的所有信息;把該接口放置于Revit軟件中,在交互的GUI(graphical user interface,圖形用戶界面)上即可實現(xiàn)模型由Revit 到Midas Civil的直接轉(zhuǎn)換。

將生成的MCT 文件導(dǎo)入Midas Civil 中,能夠準確地將Revit 模型信息傳遞到有限元模型中,并對該模型進行相應(yīng)的有限元計算。雙壁鋼圍堰模型轉(zhuǎn)換效果如圖3 所示。

圖3 雙壁鋼圍堰模型轉(zhuǎn)換效果

3 BIM 關(guān)聯(lián)模擬

3.1 BIM 施工模擬

運用Fuzor 軟件完成雙壁鋼圍堰建造過程的4D BIM 模擬,與項目時間表相關(guān)聯(lián),按照工程施工進度計劃進行施工過程模擬。真實還原施工建造順序,實時監(jiān)控模擬施工建造過程并制成動畫進行展示[14],讓相關(guān)人員更加直觀地查看建造進展;并根據(jù)施工過程模擬動畫,反復(fù)優(yōu)化,最終確定雙壁鋼圍堰的現(xiàn)場施工步驟。圍堰施工模擬進度動畫效果如圖4 所示。

圖4 圍堰施工模擬進度動畫效果

3.2 泥漿可視化動態(tài)模擬

為詳細了解圍堰底部的情況,在圍堰吸泥下沉的過程中,安排專業(yè)人員利用測繩測量圍堰內(nèi)的水深,并將每日的測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理。圍堰每日吸泥量如表1 所示。

表1 圍堰每日吸泥量 (m3)

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù),利用BIM 軟件進行地形圖三維影像模擬成像,使圍堰內(nèi)的泥土清理情況和剩余工程量情況一目了然[15]。BIM 地形三維影像如圖5 所示。

圖5 BIM 地形三維影像

4 5D 資源消耗模型

5D BIM 在4D BIM 的基礎(chǔ)上增加了資源消耗維度。根據(jù)雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的特點,將其資源消耗劃分為建材制造、建材運輸和建設(shè)施工3 個階段。建立資源消耗計算模型。

4.1 建材制造階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰采用分塊加工、現(xiàn)場拼裝的制造方式,包含外壁板、水平桿、豎肋、外環(huán)肋等Q235B 型鋼構(gòu)件。建材制造階段的資源消耗模型為

式中,Z1為建材制造階段的資源消耗量,kg;n為材料總件數(shù),件;Ci為第i種材料的質(zhì)量,kg。

4.2 建材運輸階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰在建材運輸階段產(chǎn)生的資源消耗主要來源于交通運輸工具的能源消耗。該階段的資源消耗模型為

式中,Z2為建材運輸階段資源消耗量,kg;Ki為第i種材料的運輸距離,km。

4.3 建設(shè)施工階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰在建設(shè)施工階段涉及的模塊較多,但本文僅研究雙壁鋼圍堰本身,不將鋼護筒及鉆孔平臺等輔助設(shè)施的資源消耗計入其中。因此本階段的資源消耗主要來自各機械設(shè)備的使用過程。建設(shè)施工階段的資源消耗模型為

式中,Z3為建設(shè)施工階段資源消耗量,kg;Hi為第i種機械設(shè)備每小時消耗能源量;Ti為第i種機械設(shè)備使用的時間,h。

由此可以得出雙壁鋼圍堰各個階段的資源消耗量及消耗總量。

4.4 5D 資源消耗信息錄入

基于“BIM+項目管理”的智能建造管理與創(chuàng)新模式,以Navisworks 軟件為載體,導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息,使資源消耗智能化、可視化;結(jié)合廣聯(lián)達BIM5D 平臺,關(guān)聯(lián)構(gòu)件、物資等信息清單,實時錄入、更新每天的施工進度,工作人員可通過手機端App 等便捷方式隨時查看,快速了解現(xiàn)場施工信息。以上操作為雙壁鋼圍堰的6D BIM 技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

5 6D BIM——雙壁鋼圍堰碳足跡計算模型及應(yīng)用

5.1 “雙碳”目標

雙壁鋼圍堰是我國深水基礎(chǔ)施工中的常用結(jié)構(gòu)。在雙壁鋼圍堰的生產(chǎn)和施工中,不論是鋼材生產(chǎn)過程還是圍堰組裝焊接過程,都會排放大量的二氧化碳氣體,導(dǎo)致碳排放量增加。

基于6D BIM 技術(shù),結(jié)合5D BIM 提供的各階段資源消耗信息,以建筑全生命周期視角綜合進行碳排放考量。雙壁鋼圍堰降碳路徑如圖6 所示。

圖6 雙壁鋼圍堰降碳路徑

5.2 基于BIM 的建筑工程量轉(zhuǎn)化與計算

通過Revit 軟件所計算出的工程量數(shù)據(jù)一般按照分部分項工程進行分類統(tǒng)計,這樣統(tǒng)計不僅會使各分項工程的工程量的定額單位不一致,且只能提供項目基礎(chǔ)工程量,不能提供材料、人工和機械臺班等的用量,導(dǎo)致碳足跡計算參數(shù)不完整。

依據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016 年印發(fā)的《裝配式建筑工程消耗量定額》(建標[2016]291 號),將各分項工程量轉(zhuǎn)換為各材料和機械臺班消耗量,以定額為中間轉(zhuǎn)換物,參與到工程消耗量統(tǒng)計中,以便快速統(tǒng)計工程消耗量。工程消耗量統(tǒng)計框架如圖7 所示。

圖7 工程消耗量統(tǒng)計框架

5.3 碳排放測算方法

目前,碳排放測算的方法主要是全生命周期評價。LCA 是一種對產(chǎn)品、工藝或者活動“從搖籃到墳?zāi)埂比^程中消耗的資源和潛在的環(huán)境影響進行評價的工具,包括原材料的開采與加工,產(chǎn)品制造、運輸、使用、維護直至廢棄處置的全過程[16]。

使用基于過程法的全生命周期評價法計算碳排放量,基本原理為碳排放量=各項碳排放指標×指標相應(yīng)的碳排放因子。

由于雙壁鋼圍堰后期需拆除,為臨時性建筑,不考慮運營維護階段,因此只需界定其生產(chǎn)、運輸、施工3 個階段的典型活動碳排放構(gòu)成和碳排放核算范圍,并建立材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、技術(shù)、工藝、施工組織管理與碳排放映射關(guān)聯(lián)方法[17]。通過BIM 計量軟件結(jié)合工程定額,得到各階段碳排放指標。

生產(chǎn)階段的計算模型為

式中,E1為材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量,t;Qi為第i種材料的消耗量,kg;μi為第i種材料的生產(chǎn)折損率,%;Fi為第i種材料的碳足跡因子,kg CO2/單位。

運輸階段的計算模型為

式中,E2為材料運輸階段產(chǎn)生的碳排放量,t;Di為第i種材料的運距,km;Gi為第i種材料運輸車型每千米的碳足跡因子,kg CO2/km。

施工階段的計算模型為

式中,E3為材料施工階段產(chǎn)生的碳排放量,t;Mi為第i種機械臺班總量,臺班;Ki為第i種機械每臺班碳足跡因子,kg CO2/臺班;Pi為人工工日總數(shù),工日;Li為每工日人工碳足跡因子,kg CO2/工日。

根據(jù)式(6)可計算得出雙壁鋼圍堰生產(chǎn)施工過程各個階段的碳排放量。求和后便可得到整體的碳排放,其計算模型為

5.4 QT Creator 碳足跡計算系統(tǒng)

基于C++語言,采用全生命周期測算法,對QT Creator 集成開發(fā)平臺進行二次開發(fā),開發(fā)的碳足跡計算系統(tǒng)如圖8 所示。

圖8 碳足跡計算系統(tǒng)

通過分析建筑物化過程各階段碳足跡的來源,建立基于BIM 的建筑物化碳足跡計算模型,進行消耗量轉(zhuǎn)化計算。

對雙壁鋼圍堰碳排放進行計算,得出3 個階段的碳排放量分別為:203.342 t、4.256 t 和8.753 t。分析得出材料生產(chǎn)階段的碳排放量最大。

根據(jù)建立的碳排放數(shù)學(xué)計算模型,同步計算各階段的碳排放量。以此為依據(jù)驗證QT Creator 碳足跡計算系統(tǒng)的準確性,對比發(fā)現(xiàn),QT Creator 碳足跡計算系統(tǒng)計算得出的碳排放量與通過數(shù)學(xué)計算模型直接計算結(jié)果一致,確認該系統(tǒng)精準高效。

6 結(jié)論

本文將6D BIM 技術(shù)融合應(yīng)用于雙壁鋼圍堰的設(shè)計和施工中。建立3D BIM 模型,并通過C#語言將模型轉(zhuǎn)換到Midas Civil 中進行有限元分析,同時將有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。此操作無須人工過度干預(yù),簡單方便,打破了不同階段數(shù)據(jù)傳遞困難的壁壘,有效縮短了設(shè)計階段的工期。

(1) 基于“BIM+項目管理”的智能建管新模式,實現(xiàn)4D BIM 的施工進度可視化、施工動態(tài)模擬。在4D BIM 的基礎(chǔ)上,融入5D 資源消耗,建立資源消耗模型,實現(xiàn)各參建方在施工全過程中的協(xié)同管理。并通過計算得出結(jié)論:建材生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的資源消耗最多。為碳排量計算奠定基礎(chǔ)。

(2) 開發(fā)基于BIM 的碳足跡計算系統(tǒng),建立碳足跡因子數(shù)據(jù)庫,對材料生產(chǎn)、運輸以及主體施工階段的碳足跡進行計算。結(jié)果表明:材料生產(chǎn)階段的碳排放量最大,可通過優(yōu)化設(shè)計圖紙、利用BIM技術(shù)減少碰撞等降低返工率,減少用鋼量,或?qū)ふ倚碌木G色材料進行替代。