基于BIM技術(shù)的高速公路施工進(jìn)度管理實(shí)施框架研究*

楊軍紅，陳寶光，陳國龍，楊 旭

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048； 2.長沙中交京緯工程技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000； 3.北京中交京緯公路造價(jià)技術(shù)有限公司，北京 100025)

0 引言

在追求綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的今天，高速公路的設(shè)計(jì)和建設(shè)必須有更大的競(jìng)爭(zhēng)力才能滿足市場(chǎng)需求[1]。因此，降低成本和縮短工期尤為重要。近年來，BIM技術(shù)打破建筑領(lǐng)域傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理運(yùn)行模式，推動(dòng)進(jìn)度管理改革進(jìn)程[2]。傳統(tǒng)的項(xiàng)目進(jìn)度管理方式依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、工程定額等資料，結(jié)合項(xiàng)目管理者的經(jīng)驗(yàn)，使用虛構(gòu)的方法編制項(xiàng)目進(jìn)度表。傳統(tǒng)的項(xiàng)目進(jìn)度管理主要表現(xiàn)在二維層面上，進(jìn)度計(jì)劃和模型彼此獨(dú)立，無法實(shí)現(xiàn)一對(duì)一交互[3]。二維圖紙模型表達(dá)抽象，對(duì)施工人員技術(shù)要求較高。基于BIM的三維模型可視化技術(shù)大大提高人工模型的交互性。

高速公路項(xiàng)目路線長、工程量大、投資大、專業(yè)范圍廣、周期長、對(duì)周圍環(huán)境影響大、施工組織復(fù)雜。因此，高速公路建設(shè)過程中，需要先進(jìn)的技術(shù)手段解決施工進(jìn)度管理問題。BIM技術(shù)可對(duì)高速公路實(shí)施過程中的建設(shè)效率、數(shù)據(jù)傳輸精度、成本控制及項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)等產(chǎn)生積極影響，滿足新時(shí)代背景下對(duì)進(jìn)度管理的要求，提高我國高速公路建設(shè)過程中的管理水平。

1 技術(shù)難點(diǎn)

BIM技術(shù)具有可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等優(yōu)點(diǎn)。高速公路設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中，在3D物理模型的基礎(chǔ)上融入進(jìn)度計(jì)劃信息構(gòu)成4D模型[4]，可通過漫游等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)在線模擬，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而更好地為項(xiàng)目管理服務(wù)。

1.1 設(shè)計(jì)方案到施工模型的轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段交付的成果一般是二維CAD圖紙，施工單位根據(jù)二維圖紙進(jìn)行施工，資料繁多、理解抽象。基于BIM技術(shù)的高速公路項(xiàng)目進(jìn)度管理依賴于3D BIM模型，將3D模型和進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行整合，利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工模擬，再借助BIM技術(shù)可視化給人以直觀感受[5]。因此，要實(shí)現(xiàn)基于BIM的施工進(jìn)度管理必須實(shí)現(xiàn)二維圖紙到三維物理模型的轉(zhuǎn)變。通常，構(gòu)建施工BIM模型有以下方式。

1)在設(shè)計(jì)階段利用BIM技術(shù)構(gòu)建設(shè)計(jì)模型，直接交付三維BIM模型，施工單位在設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上構(gòu)建施工BIM模型，添加進(jìn)度信息形成4D模型，還可添加造價(jià)信息構(gòu)成5D模型。

2)設(shè)計(jì)單位交付的是二維CAD圖紙，施工單位根據(jù)CAD圖紙構(gòu)建三維施工BIM模型，然后將高速公路三維BIM模型與進(jìn)度信息整合成4D模型，利用可視化技術(shù)進(jìn)行施工模擬。

目前，部分設(shè)計(jì)院已采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于構(gòu)建BIM模型前期資本投入較大，主要受益在施工階段及運(yùn)營維護(hù)階段，所以目前大部分項(xiàng)目采用二維CAD交付，因此采用第2種方式構(gòu)建施工BIM模型更接近實(shí)際。

1.2 基于IFC的數(shù)據(jù)流通

BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴計(jì)算機(jī)，工程項(xiàng)目建設(shè)工期長、參與單位眾多、施工程序復(fù)雜，基于一種或一類BIM軟件并不能實(shí)現(xiàn)所有功能。隨著BIM技術(shù)的推進(jìn)，Autodesk Revit, Autodesk Civil 3D, Autodesk CAD, Autodesk Navisworks, P6/Microsoft Project被開發(fā)上市，然而不同軟件構(gòu)建的模型格式并不統(tǒng)一，模型間信息的整合存在兼容問題，需要形成標(biāo)準(zhǔn)，使各方在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行交流。

當(dāng)前國際上認(rèn)可較高的是IFC(industry foundation classes)標(biāo)準(zhǔn)[6]，該標(biāo)準(zhǔn)由國際組織IAI(International Alliance for Interoperability，現(xiàn)改名為bSI (building SMART International))制定并維護(hù)[7]。如果構(gòu)建BIM模型過程中或需整合的數(shù)據(jù)中選用不支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的軟件，則需通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等方式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通。

1.3 高速公路4D模型的動(dòng)態(tài)修改

高速公路施工進(jìn)度管理是施工階段的動(dòng)態(tài)管理過程，施工進(jìn)度依據(jù)4D模型進(jìn)行管控，當(dāng)實(shí)際施工進(jìn)度與4D模型偏差較大時(shí)，需及時(shí)調(diào)整進(jìn)度，以達(dá)到工期要求。然而調(diào)整進(jìn)度涉及三維模型與進(jìn)度等多重?cái)?shù)據(jù)，工作量、工作難度較大[8]。因此，高速公路施工4D模型動(dòng)態(tài)修改成為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的難點(diǎn)之一。

為突破這一難點(diǎn)，主要采取以下解決方案：①起初實(shí)現(xiàn)進(jìn)度管理與BIM物理模型相分離狀態(tài)，即施工單位在進(jìn)度管理平臺(tái)或軟件中編制進(jìn)度管理計(jì)劃，然后與BIM物理模型整合成4D模型。該情況只需在進(jìn)度管理平臺(tái)或軟件中修改進(jìn)度信息，重新整合后即形成新的4D模型。②直接在4D模型中選取高速公路相應(yīng)的施工模塊，逐條修改需修改的信息。

2 基于BIM的高速公路施工進(jìn)度管理架構(gòu)

基于BIM技術(shù)的高速公路施工進(jìn)度管理4D模型包含三維地形信息、道路建筑物信息、施工進(jìn)度信息等，各種信息間互相銜接實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬。

2.1 基于BIM的高速公路建模流程

依據(jù)高速公路的施工進(jìn)度管理需求，采用Autodesk公司產(chǎn)品，對(duì)技術(shù)難點(diǎn)提供解決方法。高速公路施工模型建模流程如圖1所示。分別利用不同軟件進(jìn)行三維地形建模、三維建筑物建模、施工進(jìn)度計(jì)劃編制，最后通過高速公路工程施工進(jìn)度管理平臺(tái)進(jìn)行信息整合，從而實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度可視化模擬。

2.2 進(jìn)度管理BIM應(yīng)用架構(gòu)

基于BIM的高速公路施工進(jìn)度管理需考慮組織、過程、信息、系統(tǒng)要素[9-10]，其中組織要素主要指施工過程中的各參與者、管理模式、合作方式及權(quán)責(zé)分配。過程要素主要包含施工準(zhǔn)備、實(shí)施、工程竣工的整個(gè)流程及各流程所包含的工作、資源投入等。信息要素指施工過程中產(chǎn)生的施工信息及表達(dá)方式等。系統(tǒng)要素主要負(fù)責(zé)工程及創(chuàng)建和使用信息的計(jì)算機(jī)軟件與系統(tǒng)。考慮以上要素及其相互聯(lián)系，結(jié)合圖1，構(gòu)建基于BIM的施工進(jìn)度管理框架，如圖2所示[11]。

圖2 基于BIM的高速公路施工進(jìn)度管理框架

3 建立高速公路施工BIM模型

高速公路工程基于自身特點(diǎn)，若采用傳統(tǒng)的施工管理模式，工作效率低、易造成信息流失等，而采用BIM集成技術(shù)可有效解決這些問題。相比產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)，高速公路具有項(xiàng)目規(guī)模龐大，需與路基、橋梁、道路等專業(yè)相互協(xié)調(diào)配合等特點(diǎn)，因此需采用不同設(shè)計(jì)流程[12]。不同之處主要體現(xiàn)在表達(dá)方式、信息豐富程度及功能特性等方面[13]。

3.1 地形模型

地形模型是三維實(shí)景模型，可很好地反映高速公路建設(shè)地區(qū)的地形、地貌特征，具有直觀、形象、逼真的特點(diǎn)[14]。地形模型由地形測(cè)繪數(shù)據(jù)和實(shí)景影像組成，一般采用以下方法構(gòu)建地形模型。

1)收集高速公路工程所在區(qū)域的地形影像、周圍建筑物的三維數(shù)字模型及地形、地貌矢量數(shù)據(jù)等信息，導(dǎo)入BIM軟件進(jìn)行處理，構(gòu)建地形、地貌三維模型。

2)首先建立三維地形曲面模型(由測(cè)繪人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到地形數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入BIM軟件)，然后利用BIM軟件疊加實(shí)景影像(可由谷歌地球等軟件獲得)與曲面模型，從而得到高速公路工程建設(shè)區(qū)域的三維地形模型。

3.2 高速公路BIM模型

為使施工模擬和實(shí)際施工過程實(shí)現(xiàn)最大化吻合，以高速公路施工過程為研究對(duì)象，基于施工方案計(jì)劃，將項(xiàng)目分解成不同施工區(qū)域進(jìn)行建模[15]。該模型是實(shí)現(xiàn)高速公路施工進(jìn)度管理的基礎(chǔ)，集成物理特性和功能特性，包含項(xiàng)目所處空間位置、形狀結(jié)構(gòu)及所用材料屬性等信息[16]。高速公路模型構(gòu)建主要分為2種，具體流程如圖3所示。

圖3 高速公路模型構(gòu)建流程

無論是地形實(shí)體模型，還是符合分區(qū)的實(shí)體模型，部件LOD精度直接決定施工分區(qū)實(shí)體模型精度，可利用編輯器提升部件精度。

3.3 施工進(jìn)度計(jì)劃

基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度計(jì)劃相比傳統(tǒng)橫道圖控制施工進(jìn)度計(jì)劃，具有更好的可視性[16]，可借助Microsoft Project創(chuàng)建施工進(jìn)度計(jì)劃，根據(jù)施工方案及施工進(jìn)度計(jì)劃編制施工進(jìn)度橫道圖。

3.4 高速公路施工4D模型

基于BIM的高速公路施工4D模型構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 高速公路施工4D模型構(gòu)建流程

如圖4所示，高速公路施工4D模型是施工進(jìn)度計(jì)劃任務(wù)包與高速公路3D BIM模型的集成。構(gòu)建施工進(jìn)度計(jì)劃任務(wù)包時(shí)可借助Microsoft Project 軟件，基于WBS分解建立高速公路施工進(jìn)度計(jì)劃。

使用Autodesk Navisworks能實(shí)時(shí)提供整體項(xiàng)目視圖，支持高效三維協(xié)作、四維規(guī)劃、照片級(jí)可視化、動(dòng)態(tài)仿真與精確分析。Navisworks 能確保所有相關(guān)人員在創(chuàng)建、查看與審閱三維模型時(shí)使用一致的數(shù)據(jù)。借助Autodesk Navisworks Management，Microsoft Project軟件建立高速公路施工4D模型的過程如下。

首先將高速公路三維模型導(dǎo)入Navisworks Management中，然后將高速公路三維模型WBS與Microsoft Project施工進(jìn)度計(jì)劃通過字段選擇器對(duì)話框進(jìn)行鏈接，鏈接時(shí)需選擇相應(yīng)的同步ID。另外，當(dāng)前Navisworks Management中的Time Liner模塊支持如Microsoft Project，P6進(jìn)度計(jì)劃軟件的數(shù)據(jù)格式。

高速公路3D模型與進(jìn)度計(jì)劃必須準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)才能使4D模型發(fā)揮作用[17]。關(guān)聯(lián)高路公路3D模型與進(jìn)度計(jì)劃主要有如下方法。

1)逐項(xiàng)添加進(jìn)度參數(shù) 施工進(jìn)程中，可隨時(shí)在Navisworks Management平臺(tái)的Time Liner模塊中進(jìn)行調(diào)整。選擇“任務(wù)”選項(xiàng)卡，添加任務(wù)進(jìn)度信息。

2)按既定規(guī)則自動(dòng)附著 利用Navisworks Management平臺(tái)的Time Liner模塊自動(dòng)附著功能進(jìn)行鏈接。但采用此方式利用Project制定進(jìn)度計(jì)劃和構(gòu)建高速公路3D模型時(shí)，需使用相同的命名規(guī)則。之后在高速公路3D模型中，分區(qū)項(xiàng)目將自動(dòng)關(guān)聯(lián)進(jìn)度任務(wù)信息，然后可根據(jù)進(jìn)度輸入相關(guān)輔助信息，如任務(wù)項(xiàng)的基本時(shí)間信息，以鏈接高速公路3D模型與進(jìn)度計(jì)劃。

以上方法都能完成高速公路4D模型的構(gòu)建，但各有特點(diǎn)，使用自動(dòng)附著方式速度快，但要求較高，3D模型和進(jìn)度信息間的施工任務(wù)命名必須完全一致，否則不能實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)[18]。相反，逐項(xiàng)添加方式無需完全一致，并且可根據(jù)實(shí)際施工過程隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，比自動(dòng)附著方式靈活度高，但此種方式量大繁雜、速度慢。

4 高速公路項(xiàng)目的施工模擬

4D模型構(gòu)建成功后可進(jìn)行施工模擬，即高速公路施工進(jìn)程以可視化形式呈現(xiàn)[19]。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工前，管理人員可對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行施工模擬，以便進(jìn)行更優(yōu)良的資源分配，從而提高施工效率、縮短工期、節(jié)約成本[20]。基于BIM技術(shù)的高速公路施工進(jìn)度模擬可從以下層面進(jìn)行。

1)任務(wù)層面 通過關(guān)聯(lián)高速公路3D模型和施工進(jìn)度計(jì)劃完成。該關(guān)聯(lián)需借助Navisworks Management平臺(tái)模擬功能，快速高效，但對(duì)施工設(shè)備、臨時(shí)工序及場(chǎng)地資源關(guān)注較少。

Navisworks Management平臺(tái)模擬功能可進(jìn)行多種操作，項(xiàng)目管理人員根據(jù)自身需要選擇順時(shí)執(zhí)行或逆時(shí)執(zhí)行。若不清楚部分施工工序可選擇暫停操作，以便熟悉高速公路各施工工序間的關(guān)系，同時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理影像施工計(jì)劃中的問題。

當(dāng)高速公路施工進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際施工操作出現(xiàn)偏差且需要調(diào)整時(shí)，可在Project中調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，然后在Navisworks Management上刷新數(shù)據(jù)源，不必重新進(jìn)行關(guān)聯(lián)，節(jié)約時(shí)間、提高效率。

施工4D模型完成后，即可通過Time Liner模塊輸出功能輸出視頻，通過視頻項(xiàng)目管理各方可更直觀、形象地了解高速公路施工全過程[21]。

2)操作層面 高速公路施工進(jìn)度模擬相比基于任務(wù)層面的模擬更具精度、過程更繁雜，該方式通過詳細(xì)模擬施工工序，使管理人員更了解施工資源使用情況以便協(xié)調(diào)。此層面模擬通常用于對(duì)關(guān)鍵工程重要節(jié)點(diǎn)的施工方案必選及優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)實(shí)施高速公路施工進(jìn)度管理研究，并針對(duì)性地提出解決方案，系統(tǒng)介紹該項(xiàng)目施工4D BIM模型的構(gòu)建流程，在4D模型基礎(chǔ)上制定基于BIM的施工進(jìn)度管理架構(gòu)，基于此架構(gòu)系統(tǒng)闡述基于BIM的施工模擬流程。