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    BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用研究

    2017-10-12 09:49:06
    湖南交通科技 2017年3期
    關(guān)鍵詞:可視化構(gòu)件道路

    (湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410116)

    BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用研究

    向聃

    (湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410116)

    為提高道路橋梁項(xiàng)目的建設(shè)管理水平,在施工全過程中應(yīng)用BIM技術(shù)。針對(duì)道路橋梁施工的難點(diǎn),搭建BIM三維可視化模型,分析對(duì)施工的優(yōu)化性。按照施工前、施工中、施工后的順序研究BIM技術(shù)在碰撞檢驗(yàn)、場(chǎng)地布置、施工模擬、災(zāi)害應(yīng)急等方面的應(yīng)用要點(diǎn)。最后介紹BIM技術(shù)在某高速公路大橋施工的應(yīng)用實(shí)例。

    BIM技術(shù);道路橋梁;施工管理

    0 引言

    近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,車輛行駛密度顯著增大,對(duì)各類型道路橋梁工程的需求也不斷提升,不僅全國范圍內(nèi)興建公路、橋梁、隧道等工程,而且對(duì)其承載力、質(zhì)量、成本等方面的要求也逐步加大。道橋工程施工復(fù)雜,不僅有多變的地理環(huán)境,還涉及多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[1]。目前,道橋項(xiàng)目的施工仍然依托傳統(tǒng)的二維圖紙,層層進(jìn)行信息傳遞,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題,從而影響施工的進(jìn)度、成本和質(zhì)量。因此,采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與管理方法,能夠?qū)Φ罉蚴┕じ麟A段進(jìn)行更好的管控,提高施工品質(zhì)。

    BIM技術(shù)的最大特征是信息的高度共享,它能夠?qū)㈨?xiàng)目的一切幾何、非幾何信息整合到一個(gè)獨(dú)立的建筑模型中,并對(duì)資源計(jì)劃、施工進(jìn)度等進(jìn)行模擬[2]。在西方發(fā)達(dá)國家,BIM應(yīng)用于項(xiàng)目全生命周期,包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購、施工和運(yùn)營等各個(gè)階段;而國內(nèi),由于傳統(tǒng)模式難以改變,人才、技術(shù)匱乏等原因,使得BIM的應(yīng)用程度較低,且主要在設(shè)計(jì)階段得到較為實(shí)際的應(yīng)用[3]。同時(shí),國內(nèi)外對(duì)BIM的研究主要集中于建筑工程,在道路橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少。一些學(xué)者大多針對(duì)某具體項(xiàng)目進(jìn)行探討,比如卡塔爾多哈大橋的施工工藝模擬和專項(xiàng)施工管理平臺(tái)的建立、武漢市二環(huán)線漢口段高架橋施工的工程管理BIM實(shí)施框架等[4,5],缺少對(duì)道橋施工全過程中應(yīng)用BIM技術(shù)的系統(tǒng)性、概括性的總結(jié)歸納。

    因此,應(yīng)用BIM技術(shù),對(duì)道路橋梁構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化處理,建立信息模型,減少施工過程中工作量大、原始資料缺失、工程管理滯后等問題[6],對(duì)進(jìn)度、質(zhì)量、成本加強(qiáng)控制。本文基于BIM技術(shù),針對(duì)一般道路橋梁工程,對(duì)道路橋梁施工管理進(jìn)行了歸納性研究。

    1 道路橋梁工程施工難點(diǎn)分析

    1.1 涉及專業(yè)多樣

    一個(gè)道路橋梁工程通常涉及多項(xiàng)專業(yè)領(lǐng)域,比如水下工程、邊坡工程、鋼棧橋工程、隧道工程等,而且道橋的造型結(jié)構(gòu)多樣,使得材料、設(shè)備、施工人員與工藝流程等難以達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而提高道路橋梁施工管理的復(fù)雜性。

    1.2 設(shè)計(jì)意圖難以表達(dá)

    設(shè)計(jì)過程中,建設(shè)單位對(duì)可能存在的影響因素進(jìn)行收集,經(jīng)過協(xié)商、決策后,交由施工方嚴(yán)格執(zhí)行,以保證設(shè)計(jì)意圖的正確實(shí)現(xiàn)[2]。然而,設(shè)計(jì)方大多通過二維圖紙進(jìn)行交底,有的部分甚至僅是文字說明,施工方無法獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)意圖,便會(huì)影響工程的進(jìn)度和質(zhì)量,使設(shè)計(jì)意圖難以實(shí)現(xiàn),造成人、財(cái)、物的損失。

    1.3 施工組織不易

    道路橋梁工程具有點(diǎn)多線長(zhǎng)的特點(diǎn),施工條件復(fù)雜,隨著進(jìn)度的推進(jìn),難免會(huì)出現(xiàn)一些凍土、軟基、滑坡等不良地段,加上露天施工的方式,還會(huì)受到溫度、降水、風(fēng)沙等外界氣候的影響,使得施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變。另外,在不同的路段,即使同樣的工序?qū)?yīng)的施工工藝、機(jī)械、設(shè)備等也會(huì)有所不同,施工組織不易。因此,道橋工程需要有針對(duì)性的制定施工模式、施工工藝、人員設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

    2 BIM模型搭建及施工優(yōu)化性

    BIM技術(shù)的應(yīng)用前提是三維模型的搭建,建模師根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙搭建模型,形成可查看任一視角的三維立體圖。并將參數(shù)信息添入對(duì)應(yīng)的構(gòu)件,不僅可以對(duì)配筋、構(gòu)件等進(jìn)行沖突檢測(cè),還為后續(xù)的施工模擬提供了模型支撐[7]。

    2.1 多角度可視化

    BIM技術(shù)能夠?qū)⑽闯霈F(xiàn)的事物可視化,加強(qiáng)構(gòu)件、整體模型、操作人員之間的互動(dòng)、反饋。不僅整個(gè)建造過程均可視,還能展示各角度效果圖、輸出報(bào)表等,輔助道路橋梁項(xiàng)目施工中的溝通、交底、決策,如圖1所示為某公路的3D模型圖。

    圖1 某公路的BIM3D模型

    2.2 多方協(xié)調(diào)合作

    隨著道路橋梁工程的外形、結(jié)構(gòu)、功能的復(fù)雜度不斷加深,對(duì)各專業(yè)領(lǐng)域溝通合作的要求也與日俱增。建筑信息模型的協(xié)調(diào)性服務(wù)為各專業(yè)搭建了一個(gè)技術(shù)協(xié)作平臺(tái),能夠基于同一數(shù)據(jù)模型支持多人在項(xiàng)目建設(shè)不同階段進(jìn)行信息共享、協(xié)調(diào)數(shù)據(jù),避免各種專業(yè)碰撞問題[8]。

    2.3 多元模擬優(yōu)化

    BIM模型中的構(gòu)件不單是視覺構(gòu)件,除模擬幾何形狀外,還能模擬構(gòu)件性能、時(shí)間、功能等非幾何信息,因而通過BIM技術(shù)可以模擬出道路橋梁施工中可能遇見或者實(shí)際中難以操作的場(chǎng)景,并通過各種優(yōu)化工具對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析處理,從而制定合理施工方案。

    2.4 多處參數(shù)驅(qū)動(dòng)

    BIM模型中所有圖元都是關(guān)聯(lián)的,對(duì)模型中某一處進(jìn)行修改時(shí),其它關(guān)聯(lián)地方都會(huì)自動(dòng)做出調(diào)整,可以隨時(shí)輸出平、立、拋二維圖紙。通過對(duì)道路橋梁工程的可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬優(yōu)化后,再經(jīng)檢查碰撞修改設(shè)計(jì),許多錯(cuò)誤便被消除,減少了施工過程中可能出現(xiàn)的問題[9]。

    3 BIM技術(shù)在道路橋梁施工管理中的應(yīng)用價(jià)值分析

    3.1 BIM技術(shù)在道橋工程項(xiàng)目中的實(shí)施流程

    道路橋梁的施工是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的過程,隨著施工進(jìn)度的不斷地推進(jìn),工程規(guī)模、復(fù)雜程度等也在不斷提升,施工管理的難度也越來越大。BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕と^程信息化、可視化,首先構(gòu)建三維模型,然后按照施工的邏輯順序研究BIM技術(shù)的應(yīng)用,如圖2所示,包括施工前的碰撞檢驗(yàn)及深化設(shè)計(jì),施工中的虛擬建造與進(jìn)度模擬,施工后的質(zhì)量檢測(cè)與災(zāi)害應(yīng)急等,將道路橋梁施工的整個(gè)過程都集中在一個(gè)信息共享平臺(tái),提前預(yù)測(cè)施工過程中可能出現(xiàn)的問題并制定應(yīng)對(duì)措施,提升施工管理效率與水平。

    圖2 BIM技術(shù)在道橋工程項(xiàng)目中的實(shí)施流程

    3.2 道路橋梁項(xiàng)目施工前BIM的應(yīng)用

    道路橋梁工程施工前,基于三維模型,運(yùn)用可視化技術(shù)進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)、深化設(shè)計(jì)等施工輔助。傳統(tǒng)的施工圖紙中各專業(yè)內(nèi)容互相分開,加上道橋工程施工的復(fù)雜性,難以發(fā)現(xiàn)潛在的管線碰撞等問題,在建筑信息模型中,每個(gè)構(gòu)件都匹配相應(yīng)的參數(shù)信息,用參數(shù)來驅(qū)動(dòng)三維模型進(jìn)行碰撞檢驗(yàn),可以自動(dòng)顯示出碰撞數(shù)量及碰撞構(gòu)件ID、碰撞點(diǎn)詳圖等,如圖3所示,并出具碰撞檢測(cè)報(bào)告,修改錯(cuò)誤,及時(shí)深化設(shè)計(jì)。除了構(gòu)件,BIM還可以對(duì)施工中機(jī)械間、操作空間、機(jī)械和結(jié)構(gòu)間等的碰撞進(jìn)行檢測(cè)[10]。BIM還可以輔助車流量分析,計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和承載力等性能參數(shù),不斷進(jìn)行整體和局部的細(xì)化處理。這些都有利于節(jié)約施工成本、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保障施工質(zhì)量。

    圖3 碰撞檢驗(yàn)生成的碰撞圖像

    由于道橋工程施工路線長(zhǎng),棧橋、圍堰、材料堆場(chǎng)、鋼筋加工場(chǎng)等臨建設(shè)施很容易集中分布在狹窄的施工區(qū)域內(nèi),若遇上不利的地形環(huán)境則會(huì)更擁堵,因此對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)布置的要求很高。運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)測(cè)量得到的三維地形進(jìn)行建模,再結(jié)合施工區(qū)域總體布置,確定公路、主橋、平臺(tái)、棧橋、大型機(jī)械設(shè)備及材料加工場(chǎng)等的相對(duì)位置,建立形象直觀的施工現(xiàn)場(chǎng)三維布置圖。

    3.3 道路橋梁項(xiàng)目施工中BIM的應(yīng)用

    BIM具有3D可視化-4D時(shí)間-5D成本的特征,能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程各階段的精細(xì)化管理。通過BIM模型對(duì)工程量、進(jìn)度、預(yù)算等關(guān)鍵信息進(jìn)行整合,再關(guān)聯(lián)圖紙、物料、合同、安全等信息,綜合后進(jìn)行施工模擬。利用數(shù)字化管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控等手段,模擬項(xiàng)目進(jìn)度、物資消耗等,為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工、商務(wù)、計(jì)劃等環(huán)節(jié)提供合理精確的數(shù)據(jù),從而節(jié)約時(shí)間和成本,提高施工管理效率。

    道路橋梁工程的結(jié)構(gòu)形式特殊,一般以施工進(jìn)度為基礎(chǔ)對(duì)質(zhì)量、成本、安全、材料等進(jìn)行控制。目前國內(nèi)道橋項(xiàng)目大多使用甘特圖編制進(jìn)度計(jì)劃,數(shù)字與文字輔助說明,但施工人員難以客觀形象地了解施工進(jìn)度及構(gòu)件間的復(fù)雜關(guān)系。依據(jù)BIM模型,匯總施工階段的各類信息,按照需要調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)道橋施工各階段展開虛擬建造,在施工進(jìn)度模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行成本預(yù)算、資源計(jì)劃、建材運(yùn)輸?shù)?,?duì)比實(shí)際與計(jì)劃間的進(jìn)度、成本偏差,以便及時(shí)調(diào)整后期計(jì)劃,對(duì)道路橋梁施工進(jìn)行優(yōu)化,如圖4所示。

    圖4 BIM技術(shù)應(yīng)用下的道路橋梁施工優(yōu)化過程

    在真實(shí)的道橋施工過程中,BIM技術(shù)可做到實(shí)時(shí)指導(dǎo)、提前預(yù)測(cè)并解決下一階段可能出現(xiàn)的問題,項(xiàng)目管理由“被動(dòng)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)”。在施工中,通過BIM的信息共享平臺(tái),提前了解相關(guān)施工工藝、安全隱患等,幫助工人做好準(zhǔn)備,減少問題的產(chǎn)生,簡(jiǎn)化施工現(xiàn)場(chǎng)管理,提高現(xiàn)場(chǎng)管理人員的效率。

    3.4 道路橋梁項(xiàng)目施工后BIM的應(yīng)用

    在我國,項(xiàng)目施工大多對(duì)進(jìn)度和成本的關(guān)注較重,忽視了對(duì)質(zhì)量的管理,就連最后的質(zhì)量驗(yàn)收過程也不夠規(guī)范,留下許多安全隱患。對(duì)于道路橋梁項(xiàng)目,其質(zhì)量安全極為重要。應(yīng)用BIM技術(shù),工作人員在施工中通過三維模型信息庫,將構(gòu)件的實(shí)施信息輸入共享平臺(tái)中,做到隨時(shí)反饋,時(shí)刻監(jiān)督。而每個(gè)構(gòu)建都有唯一的ID代碼,這樣在驗(yàn)收時(shí),質(zhì)檢人員便可以迅速定位所需檢查的構(gòu)件,獲取全面的信息,進(jìn)行規(guī)范化檢驗(yàn),全面判斷質(zhì)量是否合格并做好記錄,嚴(yán)控質(zhì)量驗(yàn)收的水準(zhǔn)??梢苑乐挂虺闄z、質(zhì)檢員本身問題等帶來的檢測(cè)結(jié)果偏差。

    對(duì)于道路橋梁工程,在施工過程中不同路段會(huì)按一定的順序建成,對(duì)于已建成的部分可能面臨的斷裂、塌陷、泥石流等災(zāi)害,應(yīng)急管理就需要很高的要求。BIM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有空間性質(zhì),能夠?qū)崟r(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù),當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí),BIM系統(tǒng)能夠協(xié)助響應(yīng)人員及時(shí)定位,并繼續(xù)識(shí)別潛在的隱患部位和其他突發(fā)事件,在應(yīng)急人員趕赴途中,提供具體信息,不僅有助于災(zāi)害的解決,還可以培養(yǎng)運(yùn)維人員在緊急情況下的應(yīng)急響應(yīng)能力。另外,建筑信息模型可以模擬災(zāi)害發(fā)生的情況,制定合理的解決方案,同時(shí)評(píng)估突發(fā)事件造成的損失,以便研究和測(cè)試對(duì)應(yīng)的相應(yīng)計(jì)劃。

    4 應(yīng)用實(shí)例

    4.1 工程概況

    宿州市某高速公路大橋,位于華北平原,地形平緩,村鎮(zhèn)分布密集,半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,日照充足,雨量適中。大橋全長(zhǎng)548.2 m,通行凈空5.5 m,采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),上部是預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,下部是肋板臺(tái),柱式橋墩,墩臺(tái)為樁基礎(chǔ),其中9#墩位于高速公路中分帶上。

    4.2 基于BIM的深化設(shè)計(jì)與場(chǎng)地布置

    施工單位在施工前根據(jù)圖紙分別建立族、單個(gè)構(gòu)件、配筋等,最后合成三維可視化模型,并對(duì)施工中用到的箱梁的模板、腳手架、樁位測(cè)量等進(jìn)行了深化設(shè)計(jì),三維出二維圖,便于對(duì)工人的技術(shù)可視化交底。隨后進(jìn)行施工場(chǎng)地布置,按照預(yù)制梁的生產(chǎn)、橋位、取土區(qū)、進(jìn)出場(chǎng)車輛的行進(jìn)路線區(qū)域、臨時(shí)給水用電方案等,結(jié)合周邊場(chǎng)地環(huán)境,進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃,如圖5所示。因?yàn)楸竟こ梯^簡(jiǎn)單,所以場(chǎng)地布置也很簡(jiǎn)潔。

    圖5 宿州市某高速公路大橋施工場(chǎng)地布置

    4.3 基于BIM的施工模擬與優(yōu)化

    因?yàn)樵O(shè)計(jì)單位一般不會(huì)提供BIM模型,或者即使提供模型也并不適用實(shí)際施工情況,因此項(xiàng)目部成員以WBS的方式將所有構(gòu)件按照工序級(jí)進(jìn)行分割,給模型賦予時(shí)間屬性,匹配后導(dǎo)入Navisworks里,進(jìn)行施工模擬。如圖6所示,按照常規(guī)的施工方法,先左后右逐跨進(jìn)行施工,但由于高速公路大橋的9#墩跨高速公路中間分隔帶,需隔斷交通,所以劃分7個(gè)階段,計(jì)劃工期為163 d。隨后項(xiàng)目部成員邀請(qǐng)相關(guān)專家、業(yè)主,將BIM技術(shù)應(yīng)用其中,經(jīng)討論與嘗試,將施工過程縮減為5個(gè)階段,不再是先左后右的單跨架設(shè),而是同時(shí)架設(shè),以減少中間阻斷交通的時(shí)間,總工期為144 d,優(yōu)化進(jìn)度19 d。通過BIM的可視化模型向業(yè)主進(jìn)行施工進(jìn)度模擬,很快就得到對(duì)方的理解和接受,減少協(xié)調(diào)時(shí)間,這也是本項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)取得的較為突出的成效。

    圖6 優(yōu)化前與優(yōu)化后的施工進(jìn)度模擬

    4.4 基于BIM的質(zhì)量管理與驗(yàn)收

    本工程根據(jù)施工專業(yè)、工序的不同將工程質(zhì)量控制點(diǎn)劃分為3個(gè)等級(jí):

    A級(jí)——關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn);

    B級(jí)——重要質(zhì)量控制點(diǎn);

    C級(jí)——一般質(zhì)量控制點(diǎn)。

    可以由總承包、業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)單位、勘察單位、質(zhì)監(jiān)站等分別對(duì)其評(píng)定,再取綜合結(jié)果。為保證工程質(zhì)量達(dá)標(biāo),對(duì)A級(jí)的全部、B級(jí)的部分進(jìn)行質(zhì)量控制點(diǎn)的三維可視化工序,以便交底。

    本項(xiàng)目采用的是事后質(zhì)量控制,通過二維碼將實(shí)體構(gòu)件與模型聯(lián)系起來,用色譜的方式區(qū)分哪些地方驗(yàn)收好了,哪些沒有驗(yàn)收,哪些正在驗(yàn)收,并在不合格的地方標(biāo)注,如圖7所示。

    圖7 質(zhì)量驗(yàn)收管理表與色譜顯示

    4.5 基于BIM的協(xié)調(diào)工作

    如圖8所示,BIM技術(shù)的應(yīng)用需要各個(gè)部門的協(xié)同工作,工程部以WBS工序建模,編制進(jìn)度計(jì)劃;經(jīng)營部將價(jià)格關(guān)聯(lián)后輸出預(yù)算文件;物資部制定材料計(jì)劃,記錄實(shí)際工程量消耗;質(zhì)檢部跟蹤工程進(jìn)度,實(shí)時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)照片;安全部建立安全措施模型,展開文明工地布置。綜合而言,所有部門協(xié)調(diào)工作,雖然很大范圍的應(yīng)用了BIM技術(shù),但是實(shí)際上耗時(shí)很長(zhǎng),很費(fèi)現(xiàn)場(chǎng),增加了工程量?,F(xiàn)實(shí)中由于業(yè)主、經(jīng)理、設(shè)計(jì)、分包、勞務(wù)分包等并沒有基于模型的操作,因此許多協(xié)調(diào)的手段還得靠傳統(tǒng)的辦法。

    圖8 各部門基于BIM的協(xié)調(diào)合作

    5 結(jié)語

    本文針對(duì)道路橋梁工程施工難點(diǎn)和實(shí)際施工效果,總結(jié)歸納了BIM技術(shù)輔助道路橋梁項(xiàng)目施工全過程的可行性,并結(jié)合案例進(jìn)行驗(yàn)證。通過施工前搭建三維可視化模型和施工場(chǎng)地布置,進(jìn)行碰撞檢驗(yàn),對(duì)模型的整體和局部不斷細(xì)化,從而深化設(shè)計(jì)、降低施工風(fēng)險(xiǎn);通過施工中采用BIM虛擬建造技術(shù),模擬施工進(jìn)度,并在此基礎(chǔ)上對(duì)成本、質(zhì)量、材料、安全等進(jìn)行控制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際與預(yù)計(jì)的偏差并做出調(diào)整,實(shí)現(xiàn)施工過程精細(xì)化管理;通過施工后在質(zhì)量驗(yàn)收、災(zāi)害應(yīng)急中應(yīng)用BIM技術(shù),可以加強(qiáng)質(zhì)檢的全面性、規(guī)范化,識(shí)別已發(fā)生或潛在的突發(fā)事件,迅速確定具體位置,及時(shí)處理應(yīng)急情況。

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    1008-844X(2017)03-0165-06

    U 445.1

    A

    2017-07-24

    向 聃(1981-),男,工程師,研究方向:公路橋梁與隧道工程。

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