面向高速公路施工進(jìn)度和投資管理的BIM應(yīng)用案例

魯榮利

(河北曲港高速公路開發(fā)有限公司，定州 073000)

引言

曲陽(yáng)至黃驊港高速公路項(xiàng)目全長(zhǎng)92.171km，估算總投資93.46億元。其施工階段多，計(jì)劃排布復(fù)雜，且投資額巨大，對(duì)建設(shè)階段投資管理有較高要求。為提高項(xiàng)目施工進(jìn)度管理和投資管理水平，本案例在曲港高速公路建設(shè)和施工階段中引入建筑信息模型(Building Information Model，BIM)技術(shù)，研究了BIM技術(shù)在進(jìn)度和投資管理中的應(yīng)用方法。

BIM技術(shù)的一般特征為，將建筑信息與三維幾何模型整合，將建筑構(gòu)件表示為互聯(lián)的對(duì)象，其優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)一致且無冗余、模型所有視圖均協(xié)調(diào)一致，適合高速公路項(xiàng)目這種需要大量協(xié)調(diào)的應(yīng)用[1]。引入BIM技術(shù)有潛力解決項(xiàng)目施工階段以及不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，也有利于全過程的工程信息有效傳遞[2]。BIM技術(shù)支持在電腦上建立虛擬建筑模型，同時(shí)BIM也可以調(diào)和建筑全生命期的各種功能需求[3]。因此當(dāng)前BIM已廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目管理[4]。本案例在進(jìn)度管理中引入BIM技術(shù)，在3DBIM模型基礎(chǔ)上附加時(shí)間因素，將施工過程以動(dòng)態(tài)方式表現(xiàn)出來。

引入附加時(shí)間維度的BIM技術(shù)將進(jìn)度信息形象化，并能將投資數(shù)據(jù)掛接到施工段或構(gòu)件，自然地將投資文件組織起來，解決投資信息無法集成和管控混亂等問題。

1 建設(shè)管理系統(tǒng)應(yīng)用點(diǎn)

1.1 基于BIM的進(jìn)度管理要點(diǎn)

本案例使用了一套定制開發(fā)的商業(yè)BIM建設(shè)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)曲港高速公路項(xiàng)目對(duì)跨平臺(tái)系統(tǒng)權(quán)限配置、模型管理、施工模擬、進(jìn)度管理、橋梁安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)等功能需求，結(jié)合業(yè)主方的實(shí)際應(yīng)用流程，定制開發(fā)了適合于高速公路項(xiàng)目使用的功能。在已有基于BIM的4D施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱4D-BIM[2])及高速公路項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了功能拓展和流程定制。其中的4D-BIM的進(jìn)度模擬具有以下的創(chuàng)新點(diǎn)：

1)系統(tǒng)可以允許建立多套施工進(jìn)度方案，不同方案可快速切換，進(jìn)行方案對(duì)比分析；

2)可以通過前置任務(wù)以及關(guān)鍵路徑數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析當(dāng)前進(jìn)度情況對(duì)其他任務(wù)的影響；

3)其進(jìn)度計(jì)劃可用甘特圖或網(wǎng)絡(luò)圖表示，也可4D動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，比傳統(tǒng)的表現(xiàn)形式更形象生動(dòng)。

1.2 WBS和進(jìn)度應(yīng)用點(diǎn)

工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure，WBS)是進(jìn)度分析的核心，將實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中WBS節(jié)點(diǎn)與Project軟件任務(wù)節(jié)點(diǎn)的雙向鏈接，是本案例進(jìn)行進(jìn)度管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件。在BIM中，掛接了WBS的構(gòu)件或施工段獲得了進(jìn)度時(shí)間，加上已有的三維屬性，就可以形成4D信息。

在青藏高原地區(qū)，中間宿主椎實(shí)螺4—9月在淺水區(qū)生活，10月底移入深水區(qū)，并鉆入10～40 cm的沙土中越冬。昌都市牧區(qū)草場(chǎng)高原濕地、低洼沼澤、自然水潭分布廣泛，每年6—9月溫暖、多雨，氣候等自然條件適宜該病的流行。

應(yīng)用中，首先在Project中建立WBS，編制進(jìn)度計(jì)劃。然后系統(tǒng)以施工段和工序的名稱編碼，自動(dòng)將進(jìn)度信息導(dǎo)入到系統(tǒng)中，生成形成WBS。同時(shí)系統(tǒng)中可以編輯這些WBS后反向?qū)С鰹镻roject計(jì)劃。

1.3 施工4D-BIM建模

通過4D-BIM提供的數(shù)據(jù)集成機(jī)制[6]，建立設(shè)計(jì)BIM模型與施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，并與進(jìn)度管理的時(shí)間、資源管理的人材機(jī)、質(zhì)量安全管理的整改單、任務(wù)管理的工程量、預(yù)制件的生產(chǎn)工序等施工信息集成，形成施工4D-BIM模型。4D-BIM還可以根據(jù)進(jìn)度、資源、質(zhì)量、安全、任務(wù)等不同管理需要，抽取模型中相對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算[7]。

1.4 4D進(jìn)度管理應(yīng)用點(diǎn)

本案例的進(jìn)度管理應(yīng)用到的工作流包含以下幾個(gè)步驟：

(1)施工進(jìn)度控制：系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù)，并在Microsoft Project中更新進(jìn)度計(jì)劃，同時(shí)刷新模型區(qū)域的展示，已有一項(xiàng)應(yīng)用案例[8]驗(yàn)證了這類進(jìn)度控制技術(shù)的有效性。

(2)實(shí)際進(jìn)度填報(bào)與追蹤：BIM平臺(tái)內(nèi)置了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)填報(bào)模塊，可按天追蹤各個(gè)施工段進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行情況，后文的案例可以看到實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比分析的效果。

(3)前置任務(wù)分析：由現(xiàn)場(chǎng)人員在系統(tǒng)中指定一個(gè)施工節(jié)點(diǎn)，查找該任務(wù)的所有前置任務(wù)，并將分析得到的前置任務(wù)開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及完成情況等信息報(bào)告項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

(4)進(jìn)度滯后分析：當(dāng)有進(jìn)度計(jì)劃滯后完成時(shí)，系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用算法分析所有其它受影響的任務(wù)，進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)可以用不同顏色標(biāo)出受影響的任務(wù)，同時(shí)設(shè)定開始和完成時(shí)間將滯后。

(5)施工進(jìn)度可視化模擬：實(shí)際工作中按照天、周、月等不同模擬間隔、不同模擬速度對(duì)制定時(shí)間段內(nèi)的施工過程進(jìn)行可視化的模擬[9]，并可針對(duì)計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度分別進(jìn)行模擬，作為工程的施工計(jì)劃和實(shí)際進(jìn)度的形象化展示。進(jìn)一步以餅圖形式同步顯示當(dāng)前的工程量完成情況，并以列表方式同步顯示當(dāng)前施工狀態(tài)的詳細(xì)信息，包括施工段的名稱、工序及顏色、計(jì)劃和實(shí)際開工時(shí)間、計(jì)劃和實(shí)際的完成時(shí)間、施工單位以及工程量和資源等詳細(xì)信息(如圖1所示)。

1.5 基于BIM的投資管理步驟

本案例在BIM管理平臺(tái)中實(shí)踐了投資管理技術(shù)。首先，可以在BIM系統(tǒng)中導(dǎo)入各級(jí)工程的完整資產(chǎn)信息，并掛接時(shí)間信息，形成與工程現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)聯(lián)的4D投資數(shù)據(jù)。然后，管理人員就能查看某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上各項(xiàng)投資的完成情況，以及某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)至本期的時(shí)段內(nèi)完成的主要工作、分項(xiàng)的工程量和施工成本。最后，由高層管理人員根據(jù)項(xiàng)目的建設(shè)歷史、建設(shè)過程、含時(shí)資金流變動(dòng)情況，進(jìn)行綜合決策。配合BIM平臺(tái)定制化的功能界面，各類用戶可以靈活使用投資信息。

圖1 可視化進(jìn)度模擬

2 案例研究：曲港高速公路

曲港高速項(xiàng)目所經(jīng)地區(qū)屬華北平原的中部湖積平原區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)自西南向東北逐步降低、起伏較小。沿線地區(qū)平坦無山，人口密集。本段高速公路共設(shè)特大橋4 100m/3座，大橋1 004m/5座，中橋343.06m/6座，小橋66m/3座； 互通式立交8座，分離式立交4 121.13m/26座； 服務(wù)區(qū)4處，停車區(qū)2處，匝道收費(fèi)站5處，養(yǎng)護(hù)工區(qū)2處，監(jiān)控通信分中心1處。工程難點(diǎn)主要是：

1)投資額巨大，對(duì)建設(shè)階段投資管理有較高要求；

2)施工工期長(zhǎng)，不同施工項(xiàng)和工序關(guān)聯(lián)緊密，進(jìn)度管理難度大。

2.1 進(jìn)度管理

2.1.1 整體進(jìn)度展示及標(biāo)段進(jìn)度信息查詢

基于宏觀BIM施工模型，可在地圖上展示公路工程的整體線路布局，并用不同顏色標(biāo)識(shí)各個(gè)標(biāo)段的施工進(jìn)度，支持中高層管理者快速了解項(xiàng)目基本情況和施工進(jìn)展。選中某一標(biāo)段可以查看該標(biāo)段的名稱、起止樁號(hào)等靜態(tài)信息，同時(shí)可查看關(guān)聯(lián)的所有進(jìn)度信息； 用戶雙擊選中標(biāo)段，即可切換至相應(yīng)的管理視圖(如圖2所示)。

圖2 曲港高速公路全標(biāo)段項(xiàng)目進(jìn)度信息查詢

用簡(jiǎn)化的3D模型和文字標(biāo)識(shí)標(biāo)段的線路布局和所含的道路、隧道和橋梁，用不同顏色分別表示各部分的未施工、施工中和已完成等施工狀態(tài)，并突出施工中的部分，為中、高層管理者快速了解某標(biāo)段的基本情況及施工狀態(tài)提供可視化的管理平臺(tái)。用戶選中某橋隧的模型，可查詢其名稱、施工單位、起止樁號(hào)和詳細(xì)的施工進(jìn)度等信息； 對(duì)個(gè)別關(guān)鍵施工區(qū)域，還可進(jìn)入選中橋隧的精細(xì)管理視圖(如圖3所示)。

2.1.2 4D精細(xì)施工過程

基于線路的4D模型，可模擬該標(biāo)段的整體施工過程和順序，輔助施工進(jìn)度管理。在進(jìn)度管理界面中，通過選擇典型標(biāo)段、隧道或橋梁進(jìn)入4D精細(xì)管理，為業(yè)主曲港高速公路開發(fā)有限公司和施工方提供針對(duì)某一典型點(diǎn)(橋梁)、線(道路、隧道)和面(服務(wù)區(qū))進(jìn)行精細(xì)化的施工動(dòng)態(tài)管理和進(jìn)度模擬(如圖4所示)。

圖3 LJ1標(biāo)段項(xiàng)施工信息查詢

圖4 本工程的南水北調(diào)特大橋進(jìn)度模擬

2.1.3 進(jìn)度任務(wù)管理

進(jìn)度任務(wù)由具有填報(bào)權(quán)限的現(xiàn)場(chǎng)管理人員，通過微信端進(jìn)行填報(bào)，填報(bào)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到客戶端作統(tǒng)計(jì)顯示(如圖5所示)，并生成日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)。

圖5 進(jìn)度任務(wù)客戶端填報(bào)

2.2 投資管理

基于4D-BIM的投資管理技術(shù)是本案例的又一重要內(nèi)容。管理系統(tǒng)對(duì)投資管理的Excel表格做了定制化的支持，可在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入與相關(guān)構(gòu)件、設(shè)備、標(biāo)段、分部分項(xiàng)工程的完整資產(chǎn)信息，并由BIM班組錄入時(shí)間信息，在平臺(tái)中做到隨時(shí)間動(dòng)態(tài)的投資管理。與傳統(tǒng)做法相比，該技術(shù)結(jié)合模型信息，可以確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的合同、票據(jù)、憑證、調(diào)查資料等紙質(zhì)文檔較為繁雜，尤其是在公路項(xiàng)目跨度很大的場(chǎng)地上，這些文檔分布較為零散。而在BIM平臺(tái)整合這些信息后，將有助于對(duì)全局的把控，并提供更整體性的投資統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示。

投資管理的應(yīng)用內(nèi)容如圖6所示。管理人員錄入項(xiàng)目的開工、竣工及其它節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)系統(tǒng)顯示項(xiàng)目的建設(shè)歷史。選擇某一里程碑時(shí)間點(diǎn)后，可以獲取到該時(shí)間點(diǎn)上各項(xiàng)投資的完成情況，以及上一里程碑至本期的時(shí)段內(nèi)完成的主要工作、分項(xiàng)的工程量和施工成本(例如挖方、樁基、梁板安裝的總量和費(fèi)用)。這些信息可以輔助高層管理者快速獲取項(xiàng)目的建設(shè)歷史、把握建設(shè)過程、查看各項(xiàng)資金流。圖6以統(tǒng)計(jì)圖形式展示了各項(xiàng)投資分布的比例圖，以及對(duì)應(yīng)的投資量。而右側(cè)對(duì)工程量作了統(tǒng)計(jì)，可以結(jié)合對(duì)比。所有的數(shù)據(jù)查詢與BIM模型掛鉤，同時(shí)具備時(shí)變的特征，支持在時(shí)間維度上的搜索、切片、聚合操作，具有一定的多維大數(shù)據(jù)性質(zhì)。并且形成的圖表也可以同時(shí)變化，極大方便了對(duì)于工程量和投資情況的查詢。

圖6 投資管理

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目案例針對(duì)高速公路施工進(jìn)度和投資管理的需求，在曲港高速公路施工進(jìn)度投資管理中應(yīng)用了基于BIM的建設(shè)管理系統(tǒng)，在進(jìn)度管理上收效與一般大型建筑類似，同時(shí)還反映了高速公路項(xiàng)目的特色，而在投資管理上的應(yīng)用也驗(yàn)證了其可行性。綜合來看，本次應(yīng)用有效提高工程施工進(jìn)度與投資管理水平，是一次公路工程的全面應(yīng)用，對(duì)于類似的高速公路項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。

本案例不足之處是，部署的BIM系統(tǒng)尚不完善，在長(zhǎng)線的公路項(xiàng)目上需要各處單獨(dú)安裝數(shù)據(jù)庫(kù)，存在不方便的問題，因此可以考慮引入“云BIM”優(yōu)化項(xiàng)目數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，這樣可以快速部署到很遠(yuǎn)的項(xiàng)目部，并支持高級(jí)的分析任務(wù)。目前，國(guó)家層面的建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念剛被提出，時(shí)變數(shù)據(jù)的分析正是其強(qiáng)項(xiàng)，可以形成通用的強(qiáng)大的功能模塊，例如將分部工程作為工業(yè)邊緣側(cè)進(jìn)行本地進(jìn)度預(yù)先匯總，然后上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)端做更宏觀的整體進(jìn)度協(xié)調(diào)分析和管理，計(jì)算結(jié)果又可以通過工業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)施，快速分發(fā)至各施工段終端。