BIM+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鳊魚洲長江大橋施工中的應(yīng)用

張翔，連飛，王同民，馬攀

（1.中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北武漢 430050；2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050）

國際上新興的建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)已成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，BIM的應(yīng)用價(jià)值已得到我國政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可［1-2］。BIM以可視化的三維模型為載體，替代傳統(tǒng)的二維CAD圖紙，攜帶豐富的工程信息且信息可動(dòng)態(tài)更新，用于設(shè)計(jì)、建造、管理（DBO）的數(shù)字化方法，在項(xiàng)目建造過程中能顯著提高效率、大量減少風(fēng)險(xiǎn)，降低成本消耗［3］。

自BIM產(chǎn)生以來，與其相關(guān)的研究及應(yīng)用不斷加強(qiáng)［4-5］，各地政策、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也隨之出臺(tái)［6-7］，但在高鐵項(xiàng)目施工中較少通過智能控制與信息化技術(shù)，完全打通模型與其他信息之間的流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工地智慧化。

1 項(xiàng)目概況

鳊魚洲長江大橋是新建安九鐵路關(guān)鍵控制性工程，大橋北出黃梅縣，南入九江市，距離下游已建成通車的九江長江二橋約5.3 km。鳊魚洲長江大橋主航道橋?yàn)殡p塔雙索面混合梁斜拉橋，橋面按四線設(shè)計(jì)（兩線為客運(yùn)專線，兩線為預(yù)留貨運(yùn)線），全長1 320 m（見圖1）。橋梁主跨672 m，為目前我國跨度最大的鐵路鋼箱混合梁斜拉橋；跨中72 m范圍內(nèi)斜拉索交叉布置，為我國首次在350 km/h客運(yùn)專線上采用。大橋具有工法多、結(jié)構(gòu)形式新、結(jié)構(gòu)跨度大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高等特點(diǎn)。

圖1 鳊魚洲長江大橋鳥瞰效果圖

2 軟硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

項(xiàng)目主要采用Bentley MicroStationCE、V8i以及PowerCivil建立主體混凝土結(jié)構(gòu)模型，采用Tekla 2016建立鋼箱梁、棧橋等鋼結(jié)構(gòu)模型［8］，最后由KSJ CSC軟件完成模型管理端的建立和模型導(dǎo)入，模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式為dgn格式。

硬件方面，建立BIM信息化中心，配備多臺(tái)專業(yè)建模計(jì)算機(jī)，主要用于模型建立、修改以及模型端維護(hù)。

BIM模型數(shù)據(jù)及管理過程數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)于阿里云云端，安全等級保護(hù)為二級。BIM模型端需同步模型數(shù)據(jù)和管理信息，網(wǎng)絡(luò)要求相對較高，配置100M帶寬。協(xié)同管理端僅需上傳和讀取管理數(shù)據(jù)，配置20M帶寬。

3 應(yīng)用過程

3.1 實(shí)施路線

研發(fā)出1套BIM管理平臺(tái)，從“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的角度思考研究解決方法，提升工程在設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、物料、現(xiàn)場監(jiān)控等方面的管理效率，將傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅Ｐ蜑檩d體、“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)為手段的施工管理模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、信息共享以及施工管理可視化（見圖2）。

圖2 實(shí)施路線

3.2 模型創(chuàng)建

橋梁BIM總模型包括：地理信息模型、橋梁結(jié)構(gòu)模型、臨時(shí)結(jié)構(gòu)模型。面向不同應(yīng)用深度和需求采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)開展建模工作。

3.2.1 地理信息模型

通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，采集豐富的地物側(cè)面紋理及位置信息。采用Bentley Context Capture軟件進(jìn)行影像處理，建立三維GIS模型。此模型主要用途為掌握主體結(jié)構(gòu)與原始地貌、構(gòu)筑物的相對關(guān)系（見圖3），優(yōu)化臨時(shí)設(shè)施布置和施工方案，平面及高程精度為Ⅰ級。

圖3 地理信息模型

3.2.2 橋梁結(jié)構(gòu)模型

項(xiàng)目采用Bentley、Tekla等軟件完成橋梁結(jié)構(gòu)模型建立，等級為LOD200。首先通過Bentley ORD軟件建立軸網(wǎng)線路模型，再采用Bentley CSD參數(shù)化建模方式，建立各個(gè)橋跨通過平縱曲線將其組合，形成橋梁結(jié)構(gòu)模型。在確保模型完整性、美觀性的同時(shí)，保證模型軸網(wǎng)及標(biāo)高的準(zhǔn)確性，將主體模型按照分部分項(xiàng)工程劃分并進(jìn)行EBS編碼［9］賦予結(jié)構(gòu)屬性，真正打通了模型和其他信息的關(guān)聯(lián)和流轉(zhuǎn)。

3.2.3 臨時(shí)結(jié)構(gòu)模型

施工棧橋、平臺(tái)等大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)的模型建立，主要通過Tekla2016完成。建模等級為LOD200，主要用于施工方案的輔助優(yōu)化。將地理信息模型、橋梁結(jié)構(gòu)模型、臨時(shí)結(jié)構(gòu)模型通過基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行匹配組合，形成完整的總裝模型導(dǎo)入BIM模型端進(jìn)行管理，確保BIM應(yīng)用的層次性、協(xié)調(diào)性。

3.3 搭建BIM管理平臺(tái)

采用“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，建立由“BIM模型端”“Web業(yè)務(wù)端”和“APP移動(dòng)端”3個(gè)端口組成的BIM管理平臺(tái)，結(jié)合已有管理體系，依據(jù)建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工各方不同角色設(shè)置不同工作場景。3個(gè)端口各有側(cè)重，但數(shù)據(jù)和信息實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)、互聯(lián)互通（見圖4），充分實(shí)現(xiàn)管理協(xié)同和信息共享。

圖4 平臺(tái)組成及特點(diǎn)

（1）BIM模型端。以可視化模型為載體融合了建設(shè)管理過程數(shù)據(jù)，可對項(xiàng)目各項(xiàng)控制指標(biāo)進(jìn)行宏觀掌握，也能進(jìn)行快速的細(xì)節(jié)了解。

（2）Web業(yè)務(wù)端。按照業(yè)務(wù)管理流程，將設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、物料、現(xiàn)場監(jiān)控等內(nèi)容進(jìn)行協(xié)同操作處理。

（3）APP移動(dòng)端。利用手機(jī)的便攜性，通過移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速采集、錄入以及信息的便捷查閱和處理。

4 應(yīng)用內(nèi)容

4.1 價(jià)值點(diǎn)應(yīng)用

（1）設(shè)計(jì)管理。將二維圖紙、設(shè)計(jì)變更等信息與三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，具備可視化設(shè)計(jì)交底；通過個(gè)人PC、手機(jī)和平板電腦，可方便快速地查閱圖紙、變更信息和相關(guān)影像資料，輔助現(xiàn)場施工。

（2）技術(shù)管理。主要包括：開工報(bào)告、施工組織設(shè)計(jì)、專項(xiàng)施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)交底等技術(shù)資料。實(shí)現(xiàn)線上查閱、審批，在模型端可以根據(jù)部位查看技術(shù)資料。

（3）質(zhì)量管理。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將施工工序流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，內(nèi)置于平臺(tái)中，建立以工序過程為核心的過程控制體系。工序卡控與檢驗(yàn)批相互關(guān)聯(lián)，檢驗(yàn)批合格后才允許進(jìn)入下道工序施工，同時(shí)記錄作業(yè)工序的時(shí)間、責(zé)任人、現(xiàn)場影像資料，完整留存施工過程信息。實(shí)現(xiàn)基于工序的進(jìn)度自動(dòng)關(guān)聯(lián)，工序開始BIM模型上顯示“結(jié)構(gòu)物正在施工”，工序結(jié)束結(jié)構(gòu)物顯示“施工完成”。

BIM平臺(tái)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化檢驗(yàn)批，通過表單化的輸入、常規(guī)信息自動(dòng)填入、手機(jī)APP現(xiàn)場審批等方式，提高檢驗(yàn)批填報(bào)、質(zhì)量驗(yàn)收效率。

（4）安全管理。安全檢查可通過手機(jī)APP發(fā)起，發(fā)起后模型中會(huì)提示具體的工程部位以及存在的安全質(zhì)量問題，并推送至相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行整改，同時(shí)完整記錄問題出現(xiàn)和整改的過程以及時(shí)間、部位、內(nèi)容、參與人，實(shí)現(xiàn)過程可追溯，并對發(fā)生的問題進(jìn)行分析，指導(dǎo)管理側(cè)重點(diǎn)。

（5）計(jì)劃進(jìn)度管理。通過線上工序卡控及檢驗(yàn)批的填寫情況，實(shí)時(shí)自動(dòng)反映出每個(gè)分部分項(xiàng)工程的施工狀態(tài)，通過與在Web業(yè)務(wù)端上傳的施工計(jì)劃自動(dòng)進(jìn)行對比，更加直觀地反映出每個(gè)分部分項(xiàng)工程提前、正常、滯后等施工狀態(tài)。可對滯后工點(diǎn)的具體情況進(jìn)行分析討論，找出滯后原因，指導(dǎo)后續(xù)施工。

（6）物資管理?；趯?shí)際物資管理模式，按照從材料進(jìn)場到用于施工部位等7個(gè)步驟，以二維碼為載體進(jìn)行信息化流轉(zhuǎn)，記錄與保存物資流轉(zhuǎn)過程中的信息，最終與模型結(jié)合，幫助管理者全面掌握物資使用情況。通過信息化手段，為物資管理提供支撐，最終實(shí)現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)物的相互追溯。

（7）現(xiàn)場監(jiān)控。支持隨時(shí)抽查全部視頻監(jiān)控資源，實(shí)現(xiàn)管理的高度集中化，做到管控一體集中處理。平臺(tái)支持分布式部署，當(dāng)系統(tǒng)容量較大時(shí)，能夠有效降低局部服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)

4.2.1 河床實(shí)時(shí)沖刷監(jiān)測管理

長江九江段水流急、沖刷嚴(yán)重。為此建立河床沖刷監(jiān)控模型，將棧橋、平臺(tái)模型與原始河床匹配后嵌入BIM平臺(tái)中，由設(shè)置好的自動(dòng)監(jiān)測裝置定期將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，自動(dòng)生成實(shí)際河床線，并直觀地展示初始河床與當(dāng)前河床、當(dāng)前河床與鋼管樁基礎(chǔ)的標(biāo)高關(guān)系，自動(dòng)計(jì)算出沖刷值（見圖5）。通過設(shè)定沖刷預(yù)警值，在超限時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出警示，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，并推送至相關(guān)責(zé)任人，提示采取相應(yīng)措施，確保設(shè)施安全。

對獲得國家馳名商標(biāo)、省市知名商標(biāo)等各項(xiàng)有關(guān)品牌品質(zhì)獎(jiǎng)項(xiàng)的企業(yè)進(jìn)行表彰，采取各種方式鼓勵(lì)企業(yè)建立鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)品牌建設(shè)。應(yīng)用電子商務(wù)開拓市場，并設(shè)置不同的獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 河床沖刷監(jiān)控

4.2.2 地質(zhì)建模

本橋地質(zhì)復(fù)雜，溶洞發(fā)育，對鉆孔施工造成較多不確定性因素。為此，以地質(zhì)勘探鉆孔柱狀圖為基礎(chǔ)，結(jié)合地下電磁波三維CT物探，采集地下復(fù)雜巖溶性狀，分析并建立了三維地質(zhì)模型（見圖6），直觀反映出各墩位地質(zhì)分層及溶洞大體分布情況。通過三維地質(zhì)模型，準(zhǔn)確地揭示了N15#墩復(fù)雜溶洞與樁基之間的相對關(guān)系，將原本置于巖溶頂板的樁基加深至穿透溶腔進(jìn)入穩(wěn)定持力層，輔助設(shè)計(jì)，提高了結(jié)構(gòu)安全度；施工過程中，通過BIM技術(shù)搭建的N15#墩三維地質(zhì)模型，極大提高了三維可視化交底與信息分享交流的便捷程度，精確地確定巖溶預(yù)處理方案。優(yōu)化過程中的成孔工藝，降低成孔過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證安全施工及主體結(jié)構(gòu)安全。

圖6 局部三維地質(zhì)建模

4.3 新技術(shù)探索

（1）VR虛擬現(xiàn)實(shí)?；陧?xiàng)目建立的BIM模型，構(gòu)建實(shí)際施工場景，利用VR設(shè)備將整個(gè)施工場景形象地展示在眼前，可以清晰直觀地了解工程的結(jié)構(gòu)特征，還可體驗(yàn)高空墜落、觸電傷害等模擬情景，提高安全意識(shí)（見圖7）。

圖7 VR體驗(yàn)

（2）大數(shù)據(jù)。項(xiàng)目整個(gè)建造過程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、物料等要素已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理、收集，為下一步大數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

4.4 竣工階段應(yīng)用

（1）竣工模型與資料。通過項(xiàng)目建設(shè)過程的數(shù)據(jù)積累與BIM模型綁定，最終建立BIM竣工模型，在竣工模型中能夠完整地體現(xiàn)建設(shè)過程的所有資料、參建人員、材料使用等綜合信息，為整體交竣工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)通過云端自動(dòng)歸集項(xiàng)目各類原始數(shù)據(jù)，如混凝土、鋼筋等資源消耗指標(biāo)，與竣工資料共同組成項(xiàng)目大數(shù)據(jù)庫，為后期在其他項(xiàng)目經(jīng)營中提供類似工程參考數(shù)據(jù)。

5 取得成效

5.1 深化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工

圖8 模型檢查

（2）根據(jù)優(yōu)化方案調(diào)整最終模型指導(dǎo)施工。為便于現(xiàn)場技術(shù)、施工人員全面了解施工構(gòu)件，減少因?qū)υO(shè)計(jì)缺乏了解而產(chǎn)生的返工現(xiàn)象，在施工前利用建立的棧橋、平臺(tái)和鋼筋BIM模型進(jìn)行詳細(xì)的可視化交底（見圖9），使相關(guān)人員深入了解各項(xiàng)工序、構(gòu)件之間的銜接關(guān)系，如局部平面、剖面以及三維視圖等，輔助指導(dǎo)施工。

圖9 可視化交底

5.2 搭建數(shù)字工地

安九鐵路鳊魚洲長江大橋以BIM模型為管理載體，將BIM技術(shù)與信息化管理緊密結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目三維可視化、信息化、精細(xì)化綜合管理，還打通各個(gè)業(yè)務(wù)之間、各個(gè)參與單位之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，解決信息孤島，搭建“數(shù)字工地”。

（1）信息展現(xiàn)可視化。將傳統(tǒng)的平面信息管理模式以三維BIM模型為載體，實(shí)現(xiàn)可視化管理。通過對大橋施工過程中信息的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)打通、整合，滲透到施工各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理上的透明化與可視化。

（2）業(yè)務(wù)管理數(shù)字化。將項(xiàng)目管理的各項(xiàng)職能，如安全管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理等綜合起來，采用數(shù)字化的表達(dá)信息，對工作效率、資源、成本等各方面有廣闊的優(yōu)化空間，推動(dòng)工程項(xiàng)目管理水平不斷提高。

（3）過程控制智能化。探索信息化與機(jī)械化的融合，將施工設(shè)備進(jìn)行信息化、智能化改造，努力減少人為因素的介入，提高施工效率與施工安全性。

（4）指揮決策智能化。通過對項(xiàng)目施工過程數(shù)據(jù)的積累，并加以分析和處理，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理提供決策依據(jù)。

6 結(jié)束語

通過“BIM+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)在鳊魚洲長江大橋施工中的應(yīng)用，有效避免了傳統(tǒng)二維圖紙的錯(cuò)漏碰缺問題，減少現(xiàn)場返工；通過BIM平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同工作，提高建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工各方工作效率，節(jié)約工程建設(shè)時(shí)間；作為物資采購和編制施工計(jì)劃的依據(jù)，提高物資管理水平，減少了材料浪費(fèi)。

該技術(shù)體現(xiàn)全員參與的特點(diǎn)，建立各方協(xié)同管理體系，實(shí)現(xiàn)信息共享，以及對項(xiàng)目建設(shè)的全過程把控，可為其他類似項(xiàng)目提供借鑒。