BIM技術(shù)在管廊工程施工中的應(yīng)用

鄒前, 吳剛剛, 孫輝, 陳孝強, 唐雁云

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530011； 2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司)

國家“十三五”規(guī)劃將城市地下綜合管廊列為重點民生工程，其已成為建設(shè)智慧城市的重要部分，在提升城市綜合承載力、完善城市功能等方面發(fā)揮著重要作用。針對城市地下現(xiàn)有的機電、通信、廣播電視等管線錯綜復(fù)雜以及管線的排遷和土方開挖難度大等問題，基于傳統(tǒng)CAD的設(shè)計模式和施工管理方法已不能滿足管廊工程的建設(shè)需求，且由于地下通道、地下鐵路等地下空間的開發(fā)，建設(shè)過程中必須考慮地下綜合管廊的具體布置位置，建設(shè)前期需要進(jìn)行全面的規(guī)劃，以確保工程項目的經(jīng)濟合理及安全使用。相比美日等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)完善的綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用，中國綜合管廊的發(fā)展還有許多欠缺，BIM技術(shù)作為現(xiàn)今建筑、公路、橋梁、隧道等行業(yè)的熱門技術(shù)，也可應(yīng)用于地下綜合管廊工程中，包括管廊的規(guī)劃設(shè)計、施工和運維，使管廊設(shè)計三維可視化，對提升管廊施工質(zhì)量、降低成本、縮短工期有著較大幫助，同時為管廊后期運維提供數(shù)據(jù)，便于管廊的全生命周期智能化管理。該文結(jié)合南寧市某管廓工程，探討B(tài)IM技術(shù)在施工圖設(shè)計、施工準(zhǔn)備和施工實施階段的使用情況，并對存在的問題提出解決方案和建議。

1 工程概況

某道路工程路線走向為東西向，現(xiàn)維持主車道八車道保持不變，結(jié)合遠(yuǎn)期快速路向南、北兩側(cè)各新建寬度為30 m道路的規(guī)劃，即由現(xiàn)階段路幅寬60 m拓改至120 m施工，長度為1.6 km。施工內(nèi)容主要包含：道路的路基、路面、地下管廊、排水及海綿專項工程、照明工程，該項目的合同工期為360 d，項目合同價為2.29億元。項目特點：項目結(jié)構(gòu)工程為雙艙斷面的地下綜合管廊結(jié)構(gòu)，總長1 604 m，其中采用預(yù)制拼裝法施工的管廊長度為1 162.5 m，分為775個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，是目前廣西區(qū)內(nèi)首個裝配式地下管廊項目，項目技術(shù)含量高、工期要求緊、施工難度大。預(yù)制管廊尺寸大、重量大、運輸?shù)跹b難。預(yù)制管廊節(jié)段多、接頭多，對防水抗?jié)B要求較高，防水施工難度大。綜合管廊基坑采用明挖方式，開挖深度約為9 m，危險性較大。施工場地受限，規(guī)劃紅線區(qū)域即為該項目的施工區(qū)域，兩側(cè)可利用的空間狹小，施工空間受多方面限制。

2 BIM技術(shù)在管廊工程中的應(yīng)用分析

主要對BIM技術(shù)應(yīng)用于管廊工程的施工圖深化設(shè)計階段、施工準(zhǔn)備階段和施工實施階段進(jìn)行分析。

2.1 施工圖深化設(shè)計階段

(1) 各專業(yè)模型構(gòu)建

以傳統(tǒng)二維施工圖紙為基礎(chǔ)，通過Autodesk平臺搭建專業(yè)模型，為后續(xù)施工圖深化設(shè)計階段提供模型基礎(chǔ)，并通過平臺使各專業(yè)間采用“中心文件”的方式進(jìn)行協(xié)同工作，按照施工設(shè)計圖在同一平臺上構(gòu)建模型，施工圖BIM模型成果滿足規(guī)范及該階段各專業(yè)模型內(nèi)容及精度要求，如表1所示。

(2) 碰撞檢測及優(yōu)化

基于管廊施工圖設(shè)計階段中各專業(yè)的BIM模型，在Navisworks軟件中檢查機電管線與管廊內(nèi)部其他構(gòu)件之間的碰撞沖突問題，通過優(yōu)化各專業(yè)的布置方案，從而深化設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，避免因設(shè)計問題造成的施工返工。檢查內(nèi)容包含構(gòu)件沖突檢測和三維管線優(yōu)化檢測，根據(jù)碰撞情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最后形成詳細(xì)的檢測報告，報告中應(yīng)記錄節(jié)點位置、碰撞內(nèi)容、碰撞構(gòu)件ID號、優(yōu)化建議等，優(yōu)化后的各專業(yè)模型應(yīng)符合施工圖階段BIM模型精度要求。

表1 施工BIM模型精度

(3) 空間凈高檢測優(yōu)化

基于各專業(yè)BIM模型，通過凈空分析優(yōu)化管廊結(jié)構(gòu)及機電管線的布線方案，得到最優(yōu)的凈空高度。檢查內(nèi)容包括設(shè)備用房區(qū)域、管廊主要通道、機電管道、結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞位置、人行通道是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，最終提交凈高分析報告，報告內(nèi)容包含出現(xiàn)凈高不滿足要求的具體位置、不滿足的原因及優(yōu)化建議，優(yōu)化后的BIM模型應(yīng)符合施工圖階段模型精度要求。

(4) 虛擬仿真漫游

利用BIM軟件，對建筑物進(jìn)行三維漫游，通過VR漫游體驗或生成動畫模擬的方式，直觀查看建筑物各部位的設(shè)計效果，及時排查設(shè)計上的缺陷或問題，從而輔助相關(guān)負(fù)責(zé)人對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，減少由于事先考慮不周全而造成的損失。主要實施過程為：將BIM模型導(dǎo)入Fuzor軟件中，通過賦予模型能夠反映建筑物真實情況的材質(zhì)，在重點部位設(shè)定視點和漫游路徑，以呈現(xiàn)設(shè)計意圖，輸出常用格式的視頻，同時保留原始文件，以備調(diào)整和修改，最終提交給相應(yīng)單位動畫視頻文件。

2.2 施工準(zhǔn)備階段

(1) 施工場地布置

利用BIM技術(shù)，將傳統(tǒng)的二維場地布置轉(zhuǎn)換為三維的BIM模型，再在模型上進(jìn)一步完善場地布局，從而指導(dǎo)臨時建設(shè)設(shè)施的布置或安裝，為減少材料的二次搬運、制定科學(xué)的材料運輸計劃提供參考依據(jù)，達(dá)到提高臨時用地的使用率，減少臨時設(shè)施的投入，提高運輸效率。主要過程包括收集現(xiàn)場場地基本情況以及辦公、生活等各個區(qū)域的布置要求，按照要求建立場地布置BIM模型，再根據(jù)BIM模型對場地設(shè)施、設(shè)備、道路、管線等進(jìn)行對比優(yōu)化調(diào)整，最終向相關(guān)方提交根據(jù)現(xiàn)場實際情況制作的、符合相應(yīng)規(guī)范的場地布置BIM模型，并生成場地布置平面圖及材料明細(xì)表。

(2) 施工組織與方案模擬

利用BIM技術(shù)將施工方案制作成施工動畫，再導(dǎo)入進(jìn)度計劃，即可直觀地向管理人員展示出工程進(jìn)度安排或項目的實施過程，關(guān)聯(lián)相關(guān)價格信息后，生成人、機、料、資金的需求曲線，動態(tài)顯示施工期間不同階段對各類資源的需求量，為后期項目管理提供便利。主要實施過程包括按照實際施工工序制作施工動畫，再關(guān)聯(lián)人、機、料、資金等配置計劃，模擬動態(tài)運行調(diào)整實際的施工組織與方案，向相關(guān)方提交分析報告和優(yōu)化方案，最后提交相關(guān)視頻。

(3) 深化設(shè)計模型生成施工圖

深化設(shè)計包括各專業(yè)之間的碰撞檢測協(xié)調(diào)設(shè)計以及單專業(yè)的深化設(shè)計，主要是通過充分考慮施工過程中可能遇到的各種問題，判斷設(shè)計的可行性，再進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，確保工程具有可實施性，主要實施過程包括依據(jù)工程實施計劃或施工方案精細(xì)化建模，得到包含工程實體信息的施工LOD350級BIM模型，設(shè)計人員根據(jù)國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合施工經(jīng)驗對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，參建各方對BIM模型進(jìn)行審核，最終生成可用于指導(dǎo)施工的二維深化施工圖，并向相關(guān)方提交其他相應(yīng)的成果。

2.3 施工實施階段

(1) 施工計劃模擬

利用BIM軟件將施工計劃與BIM模型結(jié)合，以4D的形式直觀地將整個工程進(jìn)度安排及重點、難點反饋給項目管理人員，輔助管理人員完善施工計劃，確保項目在實施過程中不會出現(xiàn)窩工現(xiàn)象，保證人、機、料的合理安排。主要實施過程為：按施工工序設(shè)置工作內(nèi)容，將工程進(jìn)度安排和資源配置計劃導(dǎo)入軟件關(guān)聯(lián)模型，分析模擬計劃的可行性，并將分析結(jié)果與項目的經(jīng)營管理目標(biāo)進(jìn)行比對，若偏離項目的經(jīng)營管理目標(biāo)，則逆向修改施工計劃及資源配置計劃，直至符合預(yù)期目標(biāo)，最終向相關(guān)方提交施工計劃模擬演示文件和施工進(jìn)度控制報告。

(2) 3D打印技術(shù)

在管廊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段首節(jié)段的試制過程中，利用3D打印技術(shù)將BIM模型打印成實體指導(dǎo)施工，極大地提高了裝配式管廊的試制效率，并使用打印出來的管廊模型校驗成型的預(yù)制節(jié)段是否正確，設(shè)計方案是否合理。

(3) 點云+BIM制造誤差校核技術(shù)

對在堆放區(qū)的成品預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行制造誤差校核，并生成誤差分析報告，保證構(gòu)件精細(xì)制造，確保吊裝時精準(zhǔn)安裝。采用徠卡三維激光掃描技術(shù)，對成型預(yù)制管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行掃描，獲取管廊的三維點云數(shù)據(jù)，運用軟件進(jìn)行逆向建模，結(jié)合Revit三維模型進(jìn)行分析，得到構(gòu)件加工模型與設(shè)計模型的偏差，根據(jù)問題研究出解決方案，服務(wù)現(xiàn)場施工。

管廊基坑為明挖方式，開挖深度為9 m左右，土石方量大，傳統(tǒng)量測方式難以保證土石方量的準(zhǔn)確性，這是該項目工程量控制的重點。采用徠卡三維激光掃描技術(shù)，建立基坑實際開挖三維模型，可精準(zhǔn)求出土石方實際收方，輔助工程計量及精確制定回填調(diào)配調(diào)運方案。

(4) AR技術(shù)

運用AR技術(shù)增強構(gòu)件交底，針對管廊的節(jié)點位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)制構(gòu)件配筋結(jié)構(gòu)圖難以理解的問題，運用AR技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)交底，大幅減少了返工率。

(5) 質(zhì)量與安全管理

基于模型關(guān)聯(lián)質(zhì)量、安全相關(guān)的法律法規(guī)，實現(xiàn)對工程各部位的質(zhì)量、安全的動態(tài)管理，通過在現(xiàn)場使用移動端手機相關(guān)數(shù)據(jù)，與施工模型進(jìn)行對比，及時發(fā)出預(yù)警和調(diào)整通知。主要實施過程為：在BIM模型上關(guān)聯(lián)施工安全手冊；管理人員通過移動終端及時獲取施工過程需要管控的元素，識別危險源和重難點，保證作業(yè)人員操作正確無誤、可控；通過移動終端及時將現(xiàn)場的實際情況以及出現(xiàn)的質(zhì)量、安全等隱患傳遞到BIM模型上或平臺上，最終向相關(guān)方提交施工安全設(shè)施配置模型和施工質(zhì)量檢查與安全分析報告及解決方案。質(zhì)量與安全管理實施流程如圖1所示。

圖1 質(zhì)量與安全管理實施流程

(6) 工程量統(tǒng)計

利用施工BIM模型統(tǒng)計各構(gòu)件的工程量清單，提高施工階段工程造價的計算效率與準(zhǔn)確性。主要實施過程包括在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)計量、計價規(guī)范要求加入構(gòu)件特征及相關(guān)描述性信息，完善BIM模型中各構(gòu)件的成本信息，使施工過程BIM模型達(dá)到LOD400；再利用BIM軟件直接生成工程量清單，即可為工程招投標(biāo)以及施工圖預(yù)算提供依據(jù)。最后施工單位根據(jù)優(yōu)化后的動態(tài)模型實時獲取成本或產(chǎn)值信息，合理地安排資源配置計劃，同時向業(yè)主方提供符合預(yù)結(jié)算編制要求但不包含相應(yīng)損耗的工程量清單。基于BIM的實施工程量管理流程圖如圖2所示。

(7) 二維碼技術(shù)

使用二維碼技術(shù)關(guān)聯(lián)構(gòu)件信息，保證施工的進(jìn)度和質(zhì)量，將BIM模型中構(gòu)件所包含的各類信息及生產(chǎn)過程中的施工信息通過二維碼的形式直接粘貼到預(yù)制構(gòu)件中，實現(xiàn)責(zé)任明確到人。同時也實現(xiàn)了利用BIM模型信息直接指導(dǎo)構(gòu)件生產(chǎn)，提高裝配式管廊生產(chǎn)過程的自動化程度和生產(chǎn)效率。采用自主研發(fā)的PIP物料追蹤系統(tǒng)，通過云平臺對預(yù)制構(gòu)件模塊、機電管線等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行管控，將圖紙信息、構(gòu)件信息、復(fù)雜節(jié)點三維圖、剖面圖等融入二維碼中，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3 BIM技術(shù)在管廊工程中的應(yīng)用建議

隨著中國經(jīng)濟水平的提高和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的提升，地下管廊工程已經(jīng)成為城市化建設(shè)的重要發(fā)展方向，國家先后下發(fā)了一系列政策來推動綜合管廊的建設(shè)，但中國城市地下綜合管廊建設(shè)起步較晚，在工程的長遠(yuǎn)規(guī)劃和管理體制上還不完善，工程依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)相對較少，對工程中特殊結(jié)構(gòu)的施工還沒有統(tǒng)一的方法，缺乏經(jīng)驗和完善的法律法規(guī)；而且在綜合管廊工程的建設(shè)中，工程建設(shè)前期投資大，總體投資高，投資與收益不成比例，短期投資融資壓力大，資金投入不足。在城市綜合管廊工程建設(shè)中采用BIM技術(shù)，搭建工程管理協(xié)同工作平臺已勢在必行，這將是未來管廊工程的重要發(fā)展趨勢。

圖2 基于BIM的實施工程量管理流程

現(xiàn)有市場上同時掌握BIM技術(shù)和擁有豐富綜合管廊工程建設(shè)經(jīng)驗的綜合型人才相對匱乏，掌握BIM技術(shù)的人員可能工程經(jīng)驗欠缺，而在項目一線有豐富工程經(jīng)驗的施工人才對BIM技術(shù)又了解不夠，因此需要事先建設(shè)BIM技術(shù)團(tuán)隊，并在項目設(shè)計、施工過程、工程計量、深化設(shè)計等方面全面推廣BIM技術(shù)，加強BIM技術(shù)宣傳和技術(shù)交流探討，改變傳統(tǒng)施工思維，更好地利用現(xiàn)有的工程信息管理平臺進(jìn)行協(xié)同工作，將項目信息及時上傳共享，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，在充分了解各個時期重難點工程的基礎(chǔ)上，把控工程進(jìn)度，有針對性地調(diào)整施工計劃，更好地發(fā)揮BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

另外，市場上BIM軟件功能單一，集成性高的BIM應(yīng)用系統(tǒng)很少，更是缺少能對項目各方面進(jìn)行整體管理的系統(tǒng)，且不同軟件之間存在技術(shù)壁壘,數(shù)據(jù)傳輸困難，會造成數(shù)據(jù)孤島，制約了BIM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。為優(yōu)化BIM技術(shù)應(yīng)用，提高工程項目BIM技術(shù)應(yīng)用情況，國家和企業(yè)需要加大資金投入，積極研發(fā)BIM應(yīng)用軟件和工程應(yīng)用集成系統(tǒng)，加強設(shè)計單位、施工單位、運營單位等不同專業(yè)軟件間的信息交流和共享，積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)理念、標(biāo)準(zhǔn)，堅持引進(jìn)消化吸收，去其糟粕取其精華，開發(fā)出更多適合中國工程建設(shè)的BIM軟件和集成系統(tǒng)，促進(jìn)中國BIM技術(shù)的發(fā)展和工程建設(shè)，同時積極培養(yǎng)優(yōu)秀人才，組建BIM攻關(guān)技術(shù)團(tuán)隊，并展開團(tuán)隊針對性培訓(xùn)，打造懂理念、懂技術(shù)、懂服務(wù)的專業(yè)型復(fù)合人才，提升團(tuán)隊協(xié)作水平。

最后，由于中國在地下綜合管廊中BIM技術(shù)的應(yīng)用還處于探索階段，技術(shù)人員缺乏相應(yīng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗，BIM標(biāo)準(zhǔn)也都還在研究和制定階段，還未形成成熟且具有法律依據(jù)的國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要國家對特殊結(jié)構(gòu)施工、施工圖設(shè)計、審核交付等方面制定不同的管理標(biāo)準(zhǔn)和實施標(biāo)準(zhǔn)，使工程能夠更規(guī)劃化和標(biāo)準(zhǔn)化，方便管理和實施，確保施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

探討了BIM技術(shù)在城市綜合管廊工程建設(shè)中施工圖深化設(shè)計、施工準(zhǔn)備、施工實施3個階段的應(yīng)用效果和實施情況，總結(jié)了現(xiàn)階段城市綜合管廊工程BIM應(yīng)用中存在的問題，并提出了相應(yīng)的建議。目前中國BIM技術(shù)在管廊工程中的應(yīng)用還處于探索階段，工程建設(shè)經(jīng)驗匱乏，為更好地在管廊項目中推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，實現(xiàn)工程建設(shè)信息化和數(shù)字化管理，應(yīng)積極探索和推廣成功經(jīng)驗、早日建立健全相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。