饒 艦 龔 嘯 王興龍 許龍
(深圳高速工程顧問有限公司,深圳 518000)
近些年,隨著國家政策加大對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”和工程信息化的扶持,全國大部分省份公路交通信息化建設(shè)都以整合規(guī)劃為指導(dǎo),圍繞交通運(yùn)輸部對(duì)信息化建設(shè)提出的總體目標(biāo),積極開展交通信息化建設(shè),信息化平臺(tái)建設(shè)和BIM 等新技術(shù)應(yīng)用的步伐在不斷加快[1,2]。在此背景下,西部某省政府及省交通運(yùn)輸廳出臺(tái)一系列針對(duì)本省高速公路發(fā)展扶持政策,推動(dòng)本省交通運(yùn)輸行業(yè)項(xiàng)目運(yùn)用以BIM 技術(shù)為主,融合當(dāng)前市場先進(jìn)的GIS 技術(shù)[3]、傾斜攝影[4]、VR 技術(shù)[5]、全息投影技術(shù)[6]、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算[7]等,通過調(diào)動(dòng)和整合各種信息與資源,為公眾服務(wù)及行業(yè)治理提供有力支撐,使交通運(yùn)輸變得更加智能化、精細(xì)化和人性化。
本項(xiàng)目為國家高速公路建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目,是西部某省交通突破行動(dòng)的重點(diǎn)工程,局部效果如圖1 所示。項(xiàng)目主線全長196.335km,為雙向四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h,概算批復(fù)金額為121.785 億,2016 年4 月開工建設(shè),截止目前一階段已建成通車,2021 年底全線貫通。項(xiàng)目是深入貫徹落實(shí)國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略、加快“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”黃金段建設(shè)的重要舉措,對(duì)完善國家高速公路網(wǎng)的整體布局,積極發(fā)揮國家高速公路規(guī)模效益,完善區(qū)域路網(wǎng)布局等均具有戰(zhàn)略意義。
圖1 項(xiàng)目局部效果圖
本項(xiàng)目共設(shè)置特大橋3 座,大橋14 座,特長隧道2 座,分離式立交12 座,互通立交6 座,收費(fèi)站5 處以及服務(wù)區(qū)和管理所12 處。項(xiàng)目線路長,跨越溝谷和山脈眾多,設(shè)計(jì)橋梁眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,隧道超長且埋深超大,沿線設(shè)施眾多。項(xiàng)目工程規(guī)模大,線性分布區(qū)域廣,僅土建合同段就分為7 個(gè)。項(xiàng)目涉及主要參建單位多達(dá)30 余家,施工協(xié)調(diào)和信息傳遞與共享難度極大,為工程建設(shè)管理帶來巨大挑戰(zhàn)。
項(xiàng)目包含單洞(右線)4.442km 和單洞(右線)7.527km 的兩座超長雙線分離式隧道,橫穿兩座大山,最大埋深達(dá)530m,地質(zhì)復(fù)雜性和施工難度為項(xiàng)目建設(shè)管理帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。
本項(xiàng)目作為建設(shè)一體化服務(wù)平臺(tái)示范項(xiàng)目,承載著實(shí)現(xiàn)西部某省公路設(shè)施建管養(yǎng)一體化先期試點(diǎn)任務(wù):開發(fā)項(xiàng)目建設(shè)管理信息化服務(wù)平臺(tái),積極推動(dòng)BIM 等新技術(shù)的應(yīng)用,為公路設(shè)施建管養(yǎng)一體化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。
本項(xiàng)目實(shí)施BIM 技術(shù)應(yīng)用的主要原因是提高管理水平和應(yīng)用率:
(1)項(xiàng)目地處西部戈壁沙漠地區(qū),所在地地理位置偏遠(yuǎn),地形、地貌及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,自然環(huán)境惡劣,氣候條件極差。項(xiàng)目橋梁數(shù)量大,隧道超長,施工難度大,風(fēng)險(xiǎn)影響面廣,管理要求高,對(duì)傳統(tǒng)的項(xiàng)目建設(shè)管理方式帶來極大的挑戰(zhàn),業(yè)主期望通過引入BIM技術(shù)等信息化管理手段提高管理效率和水平。
(2)BIM 技術(shù)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用已逐漸從部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)向全國范圍輻射。項(xiàng)目所在省份亟需借助優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目資源來提升BIM 技術(shù)的應(yīng)用率,擴(kuò)大BIM 技術(shù)應(yīng)用成果,力求通過本項(xiàng)目推動(dòng)全省范圍內(nèi)BIM 技術(shù)和信息化管理平臺(tái)的應(yīng)用。
利用BIM 技術(shù)在高速公路項(xiàng)目應(yīng)用中的最新成果,將BIM 技術(shù)與建設(shè)管理平臺(tái)、企業(yè)信息化系統(tǒng)等有效整合,貫穿于項(xiàng)目一體化管理流程中,進(jìn)一步提升建設(shè)管理與運(yùn)維養(yǎng)護(hù)的全過程、全業(yè)務(wù)、全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)繼承與應(yīng)用范圍及深度。
通過數(shù)據(jù)、系統(tǒng)及應(yīng)用的集成,實(shí)現(xiàn)BIM 與業(yè)務(wù)的深度融合,質(zhì)量、進(jìn)度、安全和計(jì)量等方面的管理效率提升,節(jié)約項(xiàng)目成本,加快施工進(jìn)度。以建設(shè)期為基礎(chǔ),統(tǒng)籌建設(shè)管理、運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)管理三方面的數(shù)據(jù),確保高效的數(shù)據(jù)繼承,實(shí)現(xiàn)建管養(yǎng)全部數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ),提高數(shù)據(jù)共享交換能力和使用效率發(fā)揮各自優(yōu)勢,拓展應(yīng)用領(lǐng)域,從而提高用戶決策效率、降低工程建設(shè)成本,為用戶提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化,二次開發(fā)等全方位一體化的云服務(wù),探索新一代信息技術(shù)(全息投影、激光點(diǎn)云、VR 應(yīng)用等)在高速公路項(xiàng)目建設(shè)管理中的應(yīng)用。
本項(xiàng)目配備是滿足BIM 應(yīng)用必須的軟硬件,具體如下:
(1) 軟件方面: 利用MicroStation、Revit、Civil3D 完成土建、機(jī)電、交安及管線等進(jìn)行BIM 建模[8,9];利用OBM(OpenBridge Modeler)、ORD(OpenRoads Designer)進(jìn)行模型深化設(shè)計(jì);利用NAVISWORKS 進(jìn)行模型碰撞檢查[10];利用SuperMap iServer[11]和本司開發(fā)的模型檢查、掛接和發(fā)布工具,采用Ajax 異步技術(shù)發(fā)布模型,同時(shí)執(zhí)行本司輕量化工具優(yōu)化模型數(shù)據(jù),如圖2~ 圖3 所示。采用高性能的3DGIS 技術(shù)渲染引擎處理GIS 數(shù)據(jù),其可同時(shí)加載諸如衛(wèi)星影像、傾斜攝影、BIM 模型、CAD 圖紙以及點(diǎn)云等GIS 和BIM 數(shù)據(jù);
圖2 兩路徑BIM 模型信息掛接與發(fā)布部分流程示例
圖3 BIM 模型掛接信息檢查示例
(2)硬件方面:配置有高性能計(jì)算機(jī)、專用云服務(wù)器、圖形工作站、數(shù)據(jù)中心、VR 眼鏡、全息金字塔展示柜等硬件設(shè)施。
結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)制定了實(shí)施方案,對(duì)建模精度、模型融合、應(yīng)用范圍及團(tuán)隊(duì)都進(jìn)行了約定,包括如下:
(1)建模范圍及精度。全線特大橋、大橋以及隧道的建模精度為LOD3.0;全線中橋、小橋、涵洞、道路、邊坡防護(hù)設(shè)施、交安設(shè)施等的建模精度為LOD1.0;
(2)模型融合。由于線路超長,BIM 建模工程量巨大,采用了多個(gè)團(tuán)隊(duì)同步推進(jìn)的方式加快建模進(jìn)度。不同團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了不同的建模軟件,要考慮BIM 模型格式轉(zhuǎn)換及融合問題以及與GIS 數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型融合的問題,要對(duì)計(jì)量等主要業(yè)務(wù)板塊的建設(shè)管理應(yīng)用以及對(duì)“BIM+”模式進(jìn)行BIM 擴(kuò)展應(yīng)用;
(3)團(tuán)隊(duì)組織。設(shè)置項(xiàng)目公司為管理組,平臺(tái)單位為實(shí)施組,施工監(jiān)理等單位為應(yīng)用組的三級(jí)管控梯隊(duì)。每級(jí)均按照單位設(shè)置BIM 負(fù)責(zé)人和組員,其中平臺(tái)單位設(shè)置BIM 總工、BIM 建模工程師、BIM 應(yīng)用工程師、BIM 運(yùn)維工程師等崗位支撐項(xiàng)目的整體BIM 技術(shù)應(yīng)用,項(xiàng)目局部BIM 模型如圖4 所示。
按照項(xiàng)目級(jí)或合同段級(jí)工程劃分(單位——分部——分項(xiàng)),將工程實(shí)體拆分成項(xiàng)目業(yè)務(wù)管理與BIM模型應(yīng)用適宜顆粒度,通過工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與BIM 模型關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)基于BIM 三維模型的施工生產(chǎn)協(xié)同管理。
本項(xiàng)目基于BIM 進(jìn)行質(zhì)量管理控制主要體現(xiàn)在圖紙信息獲取便捷性,質(zhì)量隱患閉環(huán)整改控制及質(zhì)檢信息(數(shù)據(jù)、流程、報(bào)表等)可追溯性。
(1)BIM 模型與建設(shè)管理平臺(tái)質(zhì)量管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通,點(diǎn)擊模型構(gòu)件可直接查看對(duì)應(yīng)構(gòu)件的質(zhì)量信息,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理三維可視化;同時(shí),通過掃描BIM 模型構(gòu)件唯一編碼生成的二維碼,可現(xiàn)場錄入質(zhì)量管理數(shù)據(jù),其自動(dòng)關(guān)聯(lián)到BIM 模型構(gòu)件。雙向的數(shù)據(jù)互通,確保質(zhì)量精確控制;
(2)在BIM 模型構(gòu)件上查閱施工圖紙,將工程實(shí)際情況與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行可視化對(duì)比、分析、糾偏,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙錯(cuò)、漏、碰、缺問題;
(3)在BIM 模型上記錄質(zhì)量巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題,并相應(yīng)觸發(fā)整改單等一系列流程,整改完成由監(jiān)理確認(rèn)后,整改流程方可閉合,從而完整記錄質(zhì)量問題及處理情況,如圖5 所示。
基于BIM 的4D 進(jìn)度控制的三大核心功能是進(jìn)度計(jì)劃編制、實(shí)際進(jìn)度管理、進(jìn)度偏差分析。
(1)基于BIM 編制項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃。通過在BIM三維模型上模擬計(jì)劃進(jìn)度,用以分析和調(diào)整并最終確定最佳的進(jìn)度計(jì)劃,確保資源合理配置;
(2)跟蹤項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展。通過管理平臺(tái)以橫道圖加BIM 模型三維可視化的形式,直觀查看項(xiàng)目的進(jìn)展?fàn)顟B(tài),包括實(shí)際的與目標(biāo)的對(duì)比橫道圖以及里程碑計(jì)劃、一級(jí)計(jì)劃、二級(jí)或更細(xì)致的多層計(jì)劃的跟蹤對(duì)比展示,并以三維的形式直觀展現(xiàn);
(3)進(jìn)度對(duì)比分析。通過實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度對(duì)比分析,輸出進(jìn)度偏差數(shù)據(jù)并直觀呈現(xiàn)在BIM 模型上,并對(duì)超出預(yù)警閾值的部位進(jìn)行預(yù)警提醒,指導(dǎo)施工管理人員進(jìn)行進(jìn)度糾偏,如圖6 所示。
圖6 基于BIM 的4D 進(jìn)度管控
安全管理作為高速公路項(xiàng)目管理中的重中之重,BIM 應(yīng)用使得安全管理模式發(fā)生重大變革,本項(xiàng)目在安全智能管控中應(yīng)用點(diǎn)較為豐富。
(1)安全隱患一張圖管控。安全隱患實(shí)時(shí)錄入平臺(tái),通過記錄坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)在GIS+BIM 的三維場景中展示隱患點(diǎn)的分布,查閱隱患屬性信息,以及相應(yīng)專項(xiàng)處置方案;
(2)安全隱患三維數(shù)據(jù)管理。將安全隱患點(diǎn)通過工程劃分關(guān)聯(lián)至BIM 模型構(gòu)件上,利用平臺(tái)移動(dòng)端APP 進(jìn)行拍照取證、錄入信息,并在模型中標(biāo)注位置,動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)體構(gòu)件上的施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn);
(3)安全交通疏解方案論證。運(yùn)用搭建的BIM+GIS 三維應(yīng)用場景,在其中展示線路位置、走向及尺寸信息,同時(shí)展示與既有線路、周邊建筑物等的空間位置關(guān)系、跨線形式、既有交通情況等,運(yùn)用算法和大數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行安全交通疏解方案論證,實(shí)現(xiàn)交通疏解方案比選和最優(yōu)化;
(4)安全監(jiān)控管理。在BIM 應(yīng)用中整合視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),對(duì)施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)調(diào)取,監(jiān)控現(xiàn)場施工情況,實(shí)現(xiàn)安全在線巡查。同時(shí),可安裝AI 視頻監(jiān)控對(duì)安全行為或狀態(tài)進(jìn)行智能判定,平臺(tái)自動(dòng)判別安全隱患并記錄,在GIS+BIM 三維場景中呈現(xiàn),如圖7所示。
圖7 基于BIM 的安全智能管控
隨著BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)于BIM 技術(shù)在項(xiàng)目預(yù)算或資金成本方面的應(yīng)用研究,已有學(xué)者涉足[12]。但計(jì)量支付涉及的數(shù)據(jù)敏感性高,數(shù)據(jù)管理比其他業(yè)務(wù)更為嚴(yán)格,當(dāng)前BIM 技術(shù)方面的應(yīng)用點(diǎn)較為局限。
本文采用如下方式實(shí)現(xiàn)基于BIM 的計(jì)量支付管理:
(1)制定基于BIM 的計(jì)量支付管理辦法,明確計(jì)量支付審核流程和應(yīng)用范圍等;
(2)應(yīng)用BIM 算量工具進(jìn)行算量并用于輔助計(jì)量[13],實(shí)現(xiàn)橋梁和隧道二襯混凝土方量的快速計(jì)量;
(3)基于計(jì)量支付數(shù)據(jù)庫,將工程量計(jì)價(jià)信息綁定到BIM 構(gòu)件,應(yīng)用Restful 或Web Services 技術(shù),統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)BIM 模型與建管平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通,計(jì)量支付管理三維可視化,如圖8 所示。
圖8 計(jì)量數(shù)據(jù)三維可視化
虛擬漫游以BIM 模型(疊加GIS 或?qū)嵕埃┐罱ǖ娜S場景為基礎(chǔ),利用視角移動(dòng),沿預(yù)設(shè)路徑漫游,使用戶在項(xiàng)目虛擬三維場景中體驗(yàn)身臨其境的沉浸感[14],具有與環(huán)境完善的交互能力,在場景中體驗(yàn)工程建成后的效果。
本項(xiàng)目搭建的BIM+GIS 三維應(yīng)用場景支持項(xiàng)目全路段BIM 模型漫游,支持漫游路徑的預(yù)設(shè)、自定義、編輯和刪除等,支持漫游過程中暫停、播放、停止,支持漫游播放速度的切換調(diào)整,支持視角高度、視角方向的調(diào)節(jié)。用戶通過預(yù)設(shè)漫游路徑,在三維場景中實(shí)現(xiàn)任意角度、方向、走勢的虛擬漫游,如圖9 所示。
圖9 三維場景漫游
基于鋼筋級(jí)BIM 模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)物各構(gòu)件諸如鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道、型鋼、預(yù)埋件等的碰撞檢查,記錄碰撞問題、形成碰撞問題報(bào)告,并據(jù)此制定解決方案以快速處理問題,將碰撞問題及處理結(jié)果錄入平臺(tái),結(jié)合BIM 模型構(gòu)件查閱相關(guān)信息。
本項(xiàng)目完成1 座特大橋2 座大橋共計(jì)16 跨連續(xù)鋼構(gòu)梁段鋼筋BIM 模型建模,如圖10 所示。通過將MicroStation 建模的BIM 模型轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入NAVISWORKS 中進(jìn)行鋼筋碰撞檢測,共計(jì)檢查二百多處鋼束與鋼束碰撞點(diǎn)和五百余個(gè)鋼束與主筋或預(yù)埋件的碰撞點(diǎn),輸出碰撞報(bào)告(如圖11 所示)提交至設(shè)計(jì)院,業(yè)主專門就輸出的碰撞問題召開了專題會(huì),對(duì)碰撞問題進(jìn)行研討并集中給出解決方案,主要是設(shè)計(jì)調(diào)整、施工措施處理兩種。
圖10 橋梁連續(xù)鋼構(gòu)梁端鋼筋BIM 模型
圖11 碰撞報(bào)告
全息投影技術(shù)亦稱虛擬成像技術(shù),是利用干涉、衍射和分光鏡成像原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。利用全息投影技術(shù)制造可將三維畫面懸浮在柜體實(shí)景中的半空中成像系統(tǒng)。系統(tǒng)由柜體、分光鏡,視頻播放設(shè)備組成,通過拍攝或錄制的三維模型動(dòng)態(tài)影像并疊加進(jìn)三維場景中,呈現(xiàn)3D 幻影立體效果,給人以視覺上的沖擊,具有強(qiáng)烈的縱深感。
本項(xiàng)目基于某大橋橋跨結(jié)構(gòu)——波形腹板鋼箱梁BIM 模型,制作波形腹板鋼箱梁拼裝3D 視頻,利用搭載全息幻影成像系統(tǒng)的全息金字塔展示柜呈現(xiàn)箱梁拼裝的3D 幻影立體效果,做到拼裝的每一步驟清晰可見,為BIM+全息投影的應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),如圖12 所示。
圖12 鋼箱梁拼裝全息投影
運(yùn)用BIM 模型實(shí)現(xiàn)三維可視化技術(shù)交底,直觀呈現(xiàn)擬施工的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物各構(gòu)件的施工順序和施工方案,同時(shí)明晰施工技術(shù)要求,讓技術(shù)交底走向三維化、可視化、智能化[15]。
以本項(xiàng)目特長隧道二襯施工為例,運(yùn)用BIM 模型進(jìn)行兩種二襯專項(xiàng)施工方案的虛擬施工分析。二襯模筑施工工藝相同,不同之處體現(xiàn)在二襯注漿回填工藝上,包括二襯臺(tái)車脫模后注漿和帶模注漿兩種。其中帶模注漿即在未脫模情況下,通過改造的二襯臺(tái)車注漿裝置對(duì)二襯拱頂進(jìn)行注漿。經(jīng)過模擬施工方案并比選,發(fā)現(xiàn)帶模注漿方案施工效果更佳,有效減少了隧道二次襯砌背部脫空數(shù)量,降低施工缺陷,適當(dāng)增加施工效率。
完成施工方案比選后,對(duì)隧道二襯虛擬施工進(jìn)行技術(shù)交底三維模擬,如圖13 所示,明晰施工要點(diǎn)和控制參數(shù),給施工人員進(jìn)行可視化交底,加快方案熟悉程度,做到施工前有的放矢,確保施工質(zhì)量與安全。
圖13 隧道二襯帶模注漿虛擬施工
基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎技術(shù)來承載BIM 模型及其數(shù)據(jù),將BIM 模型在VR 環(huán)境中展示,管理人員在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中身臨其境的進(jìn)行模型漫游體驗(yàn),查看BIM 模型中的各類屬性信息,在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行安全施工教育、危險(xiǎn)源體驗(yàn)、安全生產(chǎn)培訓(xùn),如圖14 所示。
圖14 VR 安全體驗(yàn)
本文詳述了BIM 技術(shù)在某高速公路項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用的成果,通過研發(fā)信息化集成服務(wù)平臺(tái)開展BIM 應(yīng)用,推動(dòng)BIM 技術(shù)在高速公路項(xiàng)目施工管理中的發(fā)展。在某高速公路項(xiàng)目建設(shè)中,BIM 技術(shù)應(yīng)用加快了部分階段的施工進(jìn)度,節(jié)約了項(xiàng)目的直接成本和管理成本,精細(xì)化管控提升了工程施工質(zhì)量,極大地降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn),減少了安全事故的發(fā)生,綜合提升了項(xiàng)目的管理精細(xì)化程度和管理效率,為項(xiàng)目成功實(shí)施提供有力支撐。
項(xiàng)目以BIM 技術(shù)為核心的多種新技術(shù)融合應(yīng)用,積極推動(dòng)了BIM 技術(shù)以及GIS 技術(shù)、全息投影、VR等新技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用落地,豐富了信息技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度,并在項(xiàng)目實(shí)踐中享受技術(shù)的優(yōu)越性,為其他同類高速公路項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用提供范例。