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大型基础设施建设项目BIM技术驱动智慧建造

来源:BIM中国网

——以宁波舟山港主通道公路工程第DSSG02标段为例

马啸雨1,金杨硕1,曹海清2

(1.天津天河云筑工科技有限公司 2.中建桥梁有限公司)

0 前言

近年来,伴随着国家及各地方政府部门的大力推动[1],BIM技术在建设项目中的应用已有较多成熟的案例,其作为工程新兴技术正真切的改变着这个庞大而传统的行业,尽管BIM尚有不足之处,但历史的车轮不会倒退,在不置可否的趋势下,如何深入挖掘BIM在数字化、可视化、集成化三个方面的优势,融合在工程一线发挥实效实用价值[2],是一个重要的议题。本文选取宁波舟山港主通道公路工程作为大型基础设计建设项目的案例,试图分析工程新兴技术迭代升级与工程管理范式革新背景下,大型基建项目智慧建造的发力点。

1 项目概况

宁波舟山港主通道公路工程,是贯彻落实国家“一带一路”计划与区域一体化发展的核心工程。该工程起始于富翅岛,经舟山岛、长白岛,止于岱山岛西端,主线全长27.969km,工程包含2座隧道、5处互通立交、3座斜拉桥、跨越5条航道、连接5个岛屿,项目总投资168亿元人民币,建成后将成为世界最长的连岛高速公路和最大的跨海桥梁群。

图1 项目主通航孔桥概览图

该项目的建成将终结岱山不通高速公路的历史,联通岱山岛与舟山岛,实现岱山人民多年的“登陆梦”,舟岱区域的交通往来时间将节省一半,进一步完善宁波舟山港综合交通网络。除此之外,宁波舟山港主通道更大的建设意义在于,作为国家战略的交通配套项目,是宁波舟山港的重要陆路集疏运通道,将保障舟山江海联运服务中心和自由贸易港区建设,助推舟山产业发展。

从远期来看,宁波舟山港主通道还是舟山本岛至上海北向大通道的重要组成部分,将为舟山北接上海,融入长三角地区乃至环太平洋交通圈、经济圈和生活圈奠定基础。

2 BIM应用背景

本工程为深海区域跨海桥梁建设工程,国内该类型工程可借鉴施工经验较少。从技术角度来看,超长水下钻孔桩施工、超长斜插钢管桩插打、超大海上承台钢筋预制吊装、复杂多曲面混凝土变形控制、连续钢箱梁吊装等诸多技术难点,使得施工单位面临着较大技术困难;从生产角度看,108m长钢管桩、119m长海上钻孔灌注桩、160m高索塔、30m*25m*4.5m的混凝土承台均打破了施工单位生产记录,挑战生产作业极限;从管理角度看,施工海域作业环境恶劣,频繁遭受极端灾害天气影响,海上施工作业年有效时间仅为计划工期的60%,海上施工交叉作业频繁,作业线长、水下管线众多、通航环境复杂,运输及资源调配难度极高,这也极度考验着施工组织管理水平。从风险角度看,海上施工作业面狭窄,风浪侵袭频繁,人员作业安全风险相对较高。

面临诸多困难与挑战,项目部在施工前期果断成立了一支专业的“地面BIM团队”,以期解决以上难题。所谓“地面BIM团队”指由天津天河云筑工科技有限公司与中建桥梁有限公司联合成立,依托天河筑工丰富的基础设施项目BIM技术实施经验,依托中建桥梁积淀的先进桥梁施工能力,共同抽调骨干成员联合攻关,与项目信息部门在工程一线,遇见问题、分析问题、提出方案、制定方案、实施操作的“地面”BIM应用团队,将BIM技术应用融合在既有的方案必选流程中,杜绝BIM应用的“悬空”。

图2 海上施工现场

3 BIM解决方案

软件应用方面,团队灵活选取多款Bentley软件,如Microstation、LumenRT、Navigator以及Prostructure等,主要用于BIM模型的创建与优化分析;平台与硬件方面,选取Sass部署的BIM协同管理平台、长航时无人机、手簿测量控制器、基站安全帽定位等,用于现场管理;可视化交底方面,针对关键工艺进行全面细致的交底,对关键的施工方案尤其是大型船舶的作业进行前置化、可视化的交底;模型应用方面,所有用于指导施工的模型均进行二维码轻量化处理,不依靠任何专业App即可快速流畅的检索模型三维信息,降低一线模型接入的门槛。


图3 BIM协同工作流程图

3.1 模型搭建

BIM模型的精细化程度、细节层次深度、信息承载准确度仍然是BIM技术应用最为重要的环节,根据不同的使用功能采用合理的方式建立BIM模型是很有必要的,项目BIM团队分别基于设计图纸建立初始设计模型,基于优化需求建立分析模型,并建立了参数模型、实景模型等多种信息模型,在项目实施过程中不断深化修正模型,形成精细化BIM模型,结合施工实际需求建立了多层级模型库体系,便于快速调取BIM模型及信息。建模过程中及时开展图纸错漏检查、构件碰撞检查、预留洞口检查等工作,整理并汇总生成《图纸问题报告》、《碰撞检查报告》等,前置化解决施工问题,提高设计图纸可靠性,避免返工。

图4 BIM模型库及文件体系

图5 精细化建模及参数化应用流程

3.2 方案验证

以承台钢筋为例,本工程海上承台钢筋为环氧钢筋,原计划采取工人现场绑扎,但海上施工作业面狭窄,风浪大,钢筋绑扎施工安全风险高,为此施工单位需要验证工厂预制承台钢筋笼,运输至现场整体吊装的施工方案可行性,希望以此代替人工绑扎施工。本工程利用Microstation建立精细化承台钢筋笼模型,将模型导入Navigator后,模拟工厂预制钢筋笼海上整体吊装过程,优化运输路线及吊装方案。并通过不断调节钢筋笼的下放高度,利用Navigator中的碰撞检查功能查找不同下放高度钢筋碰撞情况,导出碰撞报告并给出相应的作业指导意见。通过以上方式,每个钢筋笼平均发现钢筋碰撞达21处,为吊装过程中的钢筋碰撞提供相应的操作方案,前置化推演,减少现场因不可预见问题而造成的工期延误。

图6 Navigator预制钢筋笼吊装模拟施工界面

图7 钢筋笼下放过程碰撞检查界面

3.3下料指导

本工程钢筋设计图纸精度不足,工人无法根据图纸开展钢筋下料工作。技术人员通过汇总图纸、现场数据、标准、施工方案等资料,利用Prostructure建立精细化承台钢筋三维模型,通过参数设置使得钢筋保护层厚度、钢筋搭接以及布置间距均满足设计及施工要求,然后利用Prostructure导出钢筋明细表功能,自动导出每根钢筋下料长度,施工工人根据明细表开展钢筋下料工作。通过查看BIM模型,能够清楚知道每一根钢筋位置及间距,精确指导工人制作钢筋笼。

图8 双哑铃承台Prostructure钢筋模型

图9 钢筋明细表

3.4 协同工作

基于BIM技术的施工现场协同管理,一般是基于施工准备阶段完成的施工作业模型,配合选用合适的施工管理软件进行,这不仅是一种可视化的媒介,而且能对整个施工过程进行优化和控制。这样有利于提前发现并解决工程项目中的潜在问题,减少施工过程中的不确定性和风险。同时,按照施工顺序和流程模拟施工过程,可以对工期进行精确的计算、规划和控制,也可以对人、机、料、法等施工资源统筹调度、优化配置,实现对工程施工过程交互式的可视化和信息化管理。

本业主方亦搭建了鲁班BIM协同管理平台用于现场管理,集成工程各参与方与各阶段资料,实现资料共享与协同工作。现场工人利用手机app收集现场施工信息,然后上传至云端,项目管理人员通过协同平台获取现场数据,基于这些数据制定施工计划,并将BIM模型、施工图纸、施工方案以及施工动画等传送至云端,现场工人利用手机查看相应资料,从而正确开展现场作业。施工形象进度、施工关键节点、施工质量问题等信息均可通过现场拍照(或录像)及文字描述(或语音描述)的方式上传至云端,供项目相关参与方调取及应用。

图10 BIM协同平台界面

3.5 轻量化应用

利用three.js技术,实现BIM模型的网页端浏览,并通建立网页端3D作业指导书指导现场施工。技术人员首先将BIM模型转化为three.js平台所需格式,然后通过后台上传相应模型,最后根据不同需求为模型添加施工信息并设置信息在网页端的展示形式。现场工人利用手机App(如微信、QQ等)扫描二维码或登录模型库即可直接查看BIM模型,并通过简单操作获取施工信息。另一方面技术人员将本工程的施工技术交底、安全交底、施工方案等文件上传至云端并关联唯一二维码,施工现场通过手机app(如微信、QQ等)扫描二维码即可查看相应资料,实现施工现场的BIM轻量化应用。

图11 three.js应用界面

3.6 无人机应用

本工程海上作业线长,海上施工油污监控极为困难,通过为无人机设定自动巡航路线,无人机定期对施工区域进行航拍,巡航过程中实时回传航拍画面,一旦发现施工油污泄漏点,立刻指挥人员前往污染区域进行处理。无人机航拍获取的高清图片经过MATLAB处理,可生成油污扩散轨迹模型,该模型可用于预测未来油污扩散范围,辅助快速制定油污处理方案。

图12 无人机自动巡航监测海上油污泄露

图13 线性施工无人机自动巡检

4 总结

本工程截止目前通过BIM应用发现图纸问题120处、碰撞点624处,已完工程避免无效成本百万余元,采用施工可视化交底的辅助手段抢回因台风天气造成的工期延误,通过施工方案模拟,减少了一半的方案论证时间,通过网页端的3D作业指导书帮助现场施工人员更好的了解图纸设计意图,提高现场施工效率与质量,减少钢筋笼返工,利用BIM技术避免了大量涉及变更,在有效的工作时间内提高了施工工作效率。

宁波舟山港主通道项目BIM解决方案从提高设计可靠性、降低施工质量安全风险,优化施工流程缩短工期,交付数字化资产等方面,实现了大型基础设施建设项目成本节约、质量提高、资产增值,进而提高投资回报率。

由于工程建设项目具有设计单一性、施工单件性、组织管理一次性,尚难以形成统一的BIM技术应用实施方案、管理制度与标准,更难以形成通用型软件解决所有问题,但并不妨碍BIM技术数字化、可视化、集成化三大特性在工程一线发挥作用,产生实际价值。

图14 BIM技术驱动智慧建造循环图

我们始终坚信以BIM技术为代表的工程新兴技术迭代升级,将使得工程专业分工内服务功能得到持续优化,进而革新并重塑工程管理传统模式,流程内的工作模式亦会出现新的变化,这样的正向循环即会叩开以项目目标为指导、以现场问题为根本、以BIM工具为抓手的,大型基础设施建设项目智慧建造大门。

参考文献:

[1]马啸雨.BIM促进造价咨询计量及核对业务的创新模式研究[D].天津理工大学,2017.

[2]吴付标.助推BIM进入全连接时代——对话Bentley创始人兼首席技术官Keith Bentley[J].中国勘察设计,2018,7:76-79.


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