基于BIM與裝配式技術(shù)的地鐵智慧建造探討

何冠鴻 南春子 翟利華

（1．廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

當(dāng)今城市軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷增大，據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，2017年末我國內(nèi)地共計34個城市開通城軌交通，運(yùn)營線路總長度5 033 km，每年增速超過20%。另一方面，BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新時代新興信息技術(shù)也深入各行各業(yè)。在此背景下，“智慧地鐵”作為城市軌道交通未來的發(fā)展方向而被提出。其中，智慧建造作為智慧地鐵的重要組成部分，逐漸受到行業(yè)內(nèi)各方關(guān)注與重視。所謂智慧建造就是將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等新興信息技術(shù)集成應(yīng)用，建立建設(shè)管理綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺，結(jié)合先進(jìn)的工廠化、裝配化、自動化建造技術(shù)，利用現(xiàn)代化的工裝設(shè)備、數(shù)字化的施工指導(dǎo)、智能化的施工監(jiān)控和信息化的管理手段，實(shí)現(xiàn)全壽命周期的可視化、實(shí)時化、高效化、精確化、綠色化和一體化的設(shè)計與建造。文章將從設(shè)計、施工和驗(yàn)收三方面討論地鐵的智慧建造。

1 一體化設(shè)計

基于BIM云平臺，全過程全專業(yè)在同一3D模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。綜合考慮周邊建構(gòu)筑物和地質(zhì)情況、前期交通疏解、管線遷改、施工階段工藝工法、施工組織等要素，模型作為施工的可視化“圖紙”，自動校驗(yàn)完整性、規(guī)范性、合規(guī)性和關(guān)聯(lián)性等，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化設(shè)計。

1.1 “BIM+GIS”輔助規(guī)劃

基于傾斜攝影技術(shù)，快速建立城市三維模型。傾斜影像上任意點(diǎn)之間可以進(jìn)行準(zhǔn)確量算，由此可直接測量出三維模型里面的距離、長度、面積、體積等各類數(shù)據(jù)。而BIM能提供精細(xì)的建筑信息模型，利用BIM和GIS技術(shù)，建立地鐵沿線周邊建筑的3D實(shí)景模型，將其作為智慧地鐵的底層數(shù)據(jù)，應(yīng)用于項目規(guī)劃階段，能夠更好地輔助決策。

1.2 三維報建

根據(jù)工程建設(shè)項目報建程序和要件，建立基于BIM報建的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、報建流程和管理規(guī)范，實(shí)現(xiàn)基于BIM的三維報建，將BIM報建數(shù)據(jù)成果在城市規(guī)劃建設(shè)管理領(lǐng)域共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動、管理協(xié)同，為智慧地鐵與智慧城市建設(shè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 三維地質(zhì)模型

通過建立三維地質(zhì)和管線模型，可以直觀、方便地查看和利用地質(zhì)、管線數(shù)據(jù)資料，將其復(fù)雜的內(nèi)容通過圖像方式表達(dá)出來，更為清晰易讀和便于設(shè)計分析，也能為施工建設(shè)和運(yùn)營提供有效的參考。

1.4 云平臺協(xié)同設(shè)計

基于協(xié)同理論，根據(jù)項目設(shè)計階段各參與方之間的工作關(guān)系及工作方式，建立項目設(shè)計階段中BIM技術(shù)應(yīng)用的工作流程。BIM云平臺不僅可以幫助項目組實(shí)現(xiàn)文件、模型和信息的集中化管理，并且能安全高效地進(jìn)行信息共享，解決跨專業(yè)、跨部門、跨區(qū)域的協(xié)同問題。通過云平臺，項目所有的信息能夠在項目全壽命周期中進(jìn)行云存儲和實(shí)時管理，項目參與者通過登錄自己的賬號就可以隨時調(diào)用，以完成項目設(shè)計、鋼筋算量、碰撞檢查等的信息共享和協(xié)調(diào)，可有效避免專業(yè)間碰撞，減少返工造成的工時與材料浪費(fèi)。同時，云平臺也可以同時管理多個項目的數(shù)據(jù)，個性化定制企業(yè)專屬工程數(shù)據(jù)庫，自動校驗(yàn)BIM模型的完整性、規(guī)范性、合規(guī)性，項目參與者可以直接在云端瀏覽文件、添加評論和批注。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

建立參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)件庫，包括各專業(yè)工程模型庫、設(shè)備交付模型庫、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備房模型庫、標(biāo)準(zhǔn)車站模型庫等，奠定設(shè)備材料標(biāo)準(zhǔn)化工廠化預(yù)制、裝配式安裝工作的基礎(chǔ)。當(dāng)功能需求相同、外部條件類似時，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，保證標(biāo)準(zhǔn)化模塊互通互用，便于施工及運(yùn)營維護(hù)。

1.6 智能設(shè)計

在未來，計算機(jī)全面梳理所有設(shè)計規(guī)則，根據(jù)周邊環(huán)境、功能等輸入條件、自動生成推薦設(shè)計方案、同時人工指定有限條件，自動優(yōu)化設(shè)計模型，實(shí)現(xiàn)快速參數(shù)化修改。基于海量BIM數(shù)據(jù)和算法為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)，通過構(gòu)件庫數(shù)量增加、設(shè)計案例推演學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化設(shè)計模型。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工數(shù)據(jù)反饋，自動調(diào)整模型，保證模型與現(xiàn)場實(shí)體一致，得出后續(xù)更優(yōu)設(shè)計模型。最大限度將設(shè)計工作由設(shè)計人員轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?，根?jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)則進(jìn)行智能分析設(shè)計，大大減少人力勞動，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

2 裝配化施工

采用新方法、新技術(shù)、新材料，解決裝配式車站結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制構(gòu)件連接及施工等核心技術(shù)問題?，F(xiàn)場施工信息反饋至模型，自動更新模型，基于數(shù)據(jù)分析，智能實(shí)時分析工效，生成下步施工技術(shù)參數(shù)推薦等參考，從而實(shí)現(xiàn)對技術(shù)及管理的智能化輔助。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)、三維激光掃描、航拍、AR、GIS、生物識別等技術(shù)的單點(diǎn)及綜合應(yīng)用，將所有生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)，實(shí)時、完備地匯集至BIM平臺。

2.1 基于BIM的采購

在BIM模型中添加工藝工法、材料規(guī)格型號等信息，通過與施工計劃的結(jié)合，自動分類統(tǒng)計各工點(diǎn)、各階段所需不同規(guī)格型號設(shè)備、材料數(shù)量需求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)件庫，實(shí)現(xiàn)各類材料場外預(yù)制、集中采購/加工、智能配送，最大限度減少現(xiàn)場加工作業(yè)量。生產(chǎn)、配送過程中利用二維碼、RFID等各類手段，實(shí)現(xiàn)（加）工廠與施工現(xiàn)場的無縫對接。同時，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工進(jìn)展，反饋模型后，自動得出目前采購計劃與現(xiàn)場需求的匹配程度，自動優(yōu)化采購計劃。

2.2 工廠數(shù)字化加工

通過BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中的深化設(shè)計，減少二維圖紙中的“錯漏碰缺”，利用三維模型的可視化降低按圖加工的難度及因圖紙理解有誤造成的構(gòu)件加工偏差?；贐IM模型信息進(jìn)行數(shù)字化加工，實(shí)現(xiàn)“模塊拆分-單獨(dú)加工-模塊組合-后期處理”流水線化和模塊化的施工。數(shù)控鋼筋加工機(jī)器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，能滿足快速、大批量加工的要求，有效節(jié)省人力資源成本，提高生產(chǎn)效率。

2.3 裝配式建造

針對各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境情況，研發(fā)新型的裝配式車站和車輛基地結(jié)構(gòu)體系，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證及優(yōu)化。研發(fā)新型鋼混組合連接節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)受力安全可靠。引入超高性能混凝土UHPC、輕質(zhì)混凝土等新型材料，并與鋼材形成組合結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件，進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)件尺寸與重量，便于吊裝施工，實(shí)現(xiàn)免支模。預(yù)制構(gòu)件采用工廠自動化生產(chǎn)，構(gòu)件質(zhì)量可控，模具重復(fù)使用，節(jié)水節(jié)能，材料資源利用率提升，污染排放減少。工地現(xiàn)場可減少甚至避免搭腳手架、安裝模板、綁扎鋼筋、現(xiàn)場焊接和混凝土澆筑振搗等落后粗放式施工，改善現(xiàn)場施工環(huán)境，減少污染噪聲排放。充分運(yùn)用BIM的三維可視及動畫功能，模擬施工流程和拼裝過程。基于人工智能視頻識別技術(shù)，研發(fā)智能化自動化運(yùn)輸和拼裝施工設(shè)備，提高預(yù)制構(gòu)件拼裝的精準(zhǔn)度與效率。

2.4 基于“BIM+GIS”的基坑監(jiān)測

以BIM模型為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將基坑監(jiān)測所需的變形監(jiān)測傳感器、內(nèi)力監(jiān)測傳感器、裂縫監(jiān)測傳感器和地下水位傳感器等采集的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進(jìn)行處理保存和數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換，將包含基坑周邊信息的GIS數(shù)據(jù)和BIM模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基坑的三維可視化展示，可以直觀地表現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況及變形趨勢。同時通過GPS技術(shù)可以對基坑監(jiān)測的測點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，可以快速定位基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危險點(diǎn)，并根據(jù)變形趨勢及現(xiàn)狀及時作出應(yīng)急預(yù)案，對危險位置提前預(yù)警重點(diǎn)監(jiān)測，有利于施工管理人員和業(yè)主方的工程決策。

2.5 全景監(jiān)控+熱成像相機(jī)

采用聯(lián)網(wǎng)全景高清智能攝像機(jī)同時提供360°全景及特寫畫面，運(yùn)用先進(jìn)的視頻分析算法和智能行為分析功能，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)行為檢測，并發(fā)出報警信號和聯(lián)動攝像機(jī)跟蹤，全天候監(jiān)視重點(diǎn)區(qū)域，防止入侵功能，滿足更高的安保需求。同時，結(jié)合熱成像技術(shù)進(jìn)行著火點(diǎn)檢測，全天候監(jiān)控火情，實(shí)時檢測溫度變化，提前預(yù)警，防患于未“燃”。

2.6 流程自動管理與推進(jìn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工序（包括前置邏輯關(guān)系）、邊界輸入條件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期要求等信息，智能分析自動推薦最優(yōu)施工組織方案（包括各類資源配置需求，如人員、材料、機(jī)具、投資等），并實(shí)現(xiàn)施工組織設(shè)計、專項施工方案的可視化施工模擬。根據(jù)項目管理相關(guān)制度流程，項目推進(jìn)的各階段自動觸發(fā)工作任務(wù)，全過程各業(yè)務(wù)協(xié)同推進(jìn)。在工程推進(jìn)過程中，如實(shí)際進(jìn)度發(fā)生偏差，系統(tǒng)自動預(yù)警并智能調(diào)整后續(xù)施工組織方案，及時糾偏。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、識別，對不滿足規(guī)則的事件進(jìn)行自動判別，觸發(fā)指令及時報警。

3 數(shù)字化驗(yàn)收

3.1 基于BIM的數(shù)字化移交

完成地面恢復(fù)及市政道路接駁后，利用航拍技術(shù)，拍攝車站出入口及風(fēng)亭周邊環(huán)境狀態(tài)；通過三維激光掃描儀獲取車站、隧道的表面三維數(shù)據(jù)，將拍攝和激光掃描成果納入實(shí)體模型，形成竣工模型。對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算、分析并與BIM模型進(jìn)行對比。同時，整理錄入項目相關(guān)的設(shè)計合同、設(shè)計資料、圖檔、規(guī)范、手冊等資料，并對這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分解，主要包括系統(tǒng)分解、空間分解、工作單元分解、設(shè)備類型分解、材料分解等，建立多維度的數(shù)據(jù)原型及數(shù)據(jù)原型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立各種臺賬報表系統(tǒng)，滿足驗(yàn)收移交及運(yùn)營階段設(shè)備清點(diǎn)與信息查詢功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交。

3.2 基于BIM的運(yùn)維知識庫

建立運(yùn)維知識庫，方便快捷地查詢追溯設(shè)備歷史資料為后續(xù)輔助運(yùn)維管理提供BIM數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)用BIM平臺快速獲取工程實(shí)體的完整過程信息，支持驗(yàn)收移交階段相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括設(shè)備清點(diǎn)、設(shè)備信息查詢、驗(yàn)交問題整改等，實(shí)現(xiàn)基于模型的工程過程信息與關(guān)聯(lián)圖紙信息查詢，導(dǎo)出檔案資料。

4 結(jié)語

地鐵工程的智慧建造是一個嶄新的研究方向，對軌道交通的發(fā)展具有重要意義。其中涉及信息技術(shù)、裝配施工技術(shù)、視頻成像技術(shù)、人工智能技術(shù)、管理技術(shù)等多種技術(shù)的交叉與融合，在未來仍需要進(jìn)一步的研究與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)新時代的智慧地鐵建設(shè)。