數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化全過(guò)程高速公路建設(shè)管理平臺(tái)框架構(gòu)建*

王 正，周振東，陳書揚(yáng)，張靜曉，史小麗

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100010； 2.長(zhǎng)安大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 西安 710068；3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710068)

0 引言

高速公路作為主要基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)類型之一，規(guī)模發(fā)展迅速，到2020年底，我國(guó)高速公路總里程達(dá)16.1萬(wàn)km，同2019年相比增長(zhǎng)7.62%。

高速公路建設(shè)管理逐步采用數(shù)字化方式，但這些項(xiàng)目的復(fù)雜性和特殊性給數(shù)字化管理帶來(lái)一定難度[1]。

從工程建設(shè)角度來(lái)看，公路工程建設(shè)工期較長(zhǎng)，工程建設(shè)環(huán)境較復(fù)雜，影響建設(shè)過(guò)程的因素較多[2]，且工程要求完工時(shí)間短、質(zhì)量要求高，對(duì)施工質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)安全要求也很高。從信息數(shù)據(jù)角度來(lái)看，高速公路工程涵蓋數(shù)據(jù)量大、涉及面廣，數(shù)據(jù)采集、分析和處理速度要求高，數(shù)據(jù)商業(yè)價(jià)值高，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如3D圖紙信息、建筑信息模型(BIM)動(dòng)態(tài)展示信息及施工實(shí)時(shí)控制信息等。除BIM外，數(shù)字化技術(shù)也得到推廣和應(yīng)用，GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)助力數(shù)字化工程發(fā)展[3-5]。

現(xiàn)有研究主要集中在高速公路數(shù)字化建設(shè)的必要性和單個(gè)建設(shè)階段的數(shù)字化中[6-8]，即未考慮全過(guò)程數(shù)字化施工技術(shù)，而用于整個(gè)施工管理過(guò)程的數(shù)字系統(tǒng)可為相關(guān)系統(tǒng)協(xié)作提供基礎(chǔ)。該系統(tǒng)使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)整合項(xiàng)目相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)共享、互通、傳輸，整個(gè)項(xiàng)目測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)都可在同一平臺(tái)上應(yīng)用。該系統(tǒng)可最大限度協(xié)同管理施工質(zhì)量，提高生產(chǎn)力、溝通效率和成本控制。此外，突破設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位在交接、變更、溝通等方面的多重分離，從而提高工程項(xiàng)目的施工管理水平。

由于高速公路工程的復(fù)雜特點(diǎn)及數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用局限性，目前施工數(shù)字化管理仍存在以下不足：①未形成以數(shù)據(jù)為核心的管理體系。當(dāng)前，高速公路建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化著重于痕跡保存，大多只進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)賬簡(jiǎn)單電子化存檔[6]，導(dǎo)致信息溯源難度大、各階段信息傳遞障礙大、問(wèn)題反饋速度慢，使整體管理效率低下；②關(guān)于設(shè)計(jì)交付信息集成研究和工程項(xiàng)目全生命周期的信息管理研究較少[7]，目前設(shè)計(jì)信息存在數(shù)據(jù)丟失和協(xié)同共享性差等問(wèn)題；③試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的管理較粗放，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)貫穿于公路工程建設(shè)全過(guò)程，但總體仍處于各方自行管理狀態(tài)，數(shù)據(jù)缺乏協(xié)同性[2]，使試驗(yàn)檢測(cè)信息協(xié)同性差，增大管理難度。

因此，為彌補(bǔ)高速公路全過(guò)程數(shù)字化相關(guān)研究不足的問(wèn)題，本研究首次將協(xié)同理論納入高速公路數(shù)字化全過(guò)程管理中，從高速公路數(shù)字化管理復(fù)雜性、開(kāi)放性與非線性角度分析協(xié)同理論在高速公路全過(guò)程數(shù)字化研究中的適用性，為高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)研究奠定理論基礎(chǔ)，并為解決當(dāng)前高速公路施工全過(guò)程管理領(lǐng)域中存在的問(wèn)題提供新的思維模式。此外，提出基于協(xié)同理論的高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)具體流程，有利于改善各施工階段的信息傳遞困境，實(shí)現(xiàn)工程信息在各階段的傳遞和共享，同時(shí)也推進(jìn)高速公路數(shù)字化研究進(jìn)程。

從實(shí)踐角度看，本文以柬埔寨金邊—西哈努克港項(xiàng)目為例，引入BIM數(shù)字化施工技術(shù)，在項(xiàng)目管控升級(jí)、數(shù)字化和智能化、設(shè)計(jì)交付方面形成電子化設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及協(xié)同共享機(jī)制。采用高精度北斗定位技術(shù)，精確控制三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、作業(yè)狀況及施工信息實(shí)時(shí)回傳，過(guò)程管理數(shù)字化控制，遇到設(shè)計(jì)變更可隨時(shí)更改。此外，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)協(xié)同，保證檢測(cè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確度、精確度。真正實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為核心的管理體系，最終提升項(xiàng)目管理水平。

1 文獻(xiàn)回顧

1.1 BIM的數(shù)字化技術(shù)

BIM技術(shù)以可視化模型為信息載體，是建設(shè)工程及其幾何與非幾何特性的數(shù)字化表達(dá)。建立在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上的信息管理系統(tǒng)，可完成設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大量信息的存儲(chǔ)、計(jì)算和應(yīng)用。依托立體模型，也可提高其他部門的管理效率。

雖然，BIM技術(shù)應(yīng)用在城市道路領(lǐng)域起步較晚，但近兩年發(fā)展迅速，行業(yè)和企業(yè)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注度逐漸提高，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并逐漸應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目。Song等[8]分析高速公路建設(shè)特點(diǎn)，并對(duì)數(shù)字化建設(shè)在高速公路中應(yīng)用的必要性進(jìn)行闡述；Liu等[9]開(kāi)發(fā)能實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控自動(dòng)巡檢、空間信息可視化分析、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)化等功能的系統(tǒng)，為視頻監(jiān)控在高速公路數(shù)字化的應(yīng)用提供依據(jù)；Zhang等[10]結(jié)合高速公路管理現(xiàn)狀，構(gòu)建高速公路數(shù)字化管理思路。

1.2 數(shù)字化施工攤鋪

瀝青混合料的攤鋪和碾壓作業(yè)質(zhì)量對(duì)路面使用性能具有重要影響，需控制攤鋪壓實(shí)過(guò)程的施工質(zhì)量，從而保證路面質(zhì)量。由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，施工人員很難嚴(yán)格按瀝青路面施工工藝要求攤鋪、碾壓路面，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理人員也可能疏忽導(dǎo)致不規(guī)范施工，以致路面質(zhì)量低劣[11]?；贐IM的高速公路全過(guò)程施工技術(shù)能有效提升攤鋪和碾壓質(zhì)量，提高施工效率。

1.3 高速公路全過(guò)程施工

有關(guān)高速公路全過(guò)程施工的研究較少，但在建筑行業(yè)已得到廣泛認(rèn)可[12]。建筑行業(yè)全過(guò)程涉及項(xiàng)目規(guī)劃、施工和運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)等，本文認(rèn)為高速公路全過(guò)程施工涉及高速公路測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)重要階段。

現(xiàn)有研究中，學(xué)者們主要對(duì)高速公路數(shù)字化施工的必要性及單個(gè)施工階段的數(shù)字化進(jìn)行簡(jiǎn)單論述[10-12]。但缺少對(duì)高速公路全過(guò)程數(shù)字化施工技術(shù)的相關(guān)研究，根據(jù)技術(shù)接受模型(TAM)理論，用戶經(jīng)驗(yàn)的增加[13]和政府政策支持[14]將提高技術(shù)的接受度。引入施工全過(guò)程管理，可將施工時(shí)間縮短近5%，數(shù)據(jù)查詢時(shí)間減少1/2，信息交互時(shí)間減少1/3～3/5。最終，可更高效地完成信息交互和共享，降低建設(shè)成本[15]。

因此，引進(jìn)全過(guò)程數(shù)字化管理手段，基于BIM開(kāi)發(fā)全過(guò)程數(shù)字化管理系統(tǒng)平臺(tái)，協(xié)同高速公路工程建設(shè)過(guò)程中的測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)工作，為企業(yè)在流程標(biāo)準(zhǔn)化、工作精細(xì)化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確化等方面賦能，彌補(bǔ)高速公路全過(guò)程數(shù)字化相關(guān)研究空白，實(shí)現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過(guò)程施工。

2 研究方法

為完善高速公路管理實(shí)踐，通過(guò)半結(jié)構(gòu)化訪談和試驗(yàn)研究的方式，促進(jìn)高速公路數(shù)字化全流程管理。

2.1 半結(jié)構(gòu)化訪談

定性方法適用于需探索并進(jìn)行深層理解的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化訪談，深入了解當(dāng)前數(shù)字化全流程管理面臨的挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案。

1)訪談設(shè)計(jì)階段

本次半結(jié)構(gòu)化訪談共選擇22名從事公路工程建設(shè)的從業(yè)人員。為獲得有效信息，要求受訪者在高速公路項(xiàng)目的勘察、設(shè)計(jì)、施工和測(cè)試單位之一至少有5年工作經(jīng)驗(yàn)。對(duì)受訪者進(jìn)行隨機(jī)分層，以確保其樣本擁有不同職位，如管理者和非管理者，受訪者的背景信息如表1所示。

表1 受訪者的背景信息

2)訪談階段

面試過(guò)程中，根據(jù)面試大綱靈活提出面試問(wèn)題并全程記錄。對(duì)錄音進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄后的文本使用NVivo12軟件進(jìn)行主題分析。訪談中使用的問(wèn)題如表2所示。

表2 訪談大綱

2.2 試驗(yàn)研究

通過(guò)設(shè)計(jì)集成BIM和北斗定位技術(shù)的系統(tǒng)作為試驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證信息數(shù)字化技術(shù)可解決數(shù)字化全過(guò)程高速公路建設(shè)管理的不足。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，通過(guò)與一家外包公司合作，建立基于BIM的信息平臺(tái)。研究者負(fù)責(zé)BIM模型在Web頁(yè)面上的需求分析、理論框架建立、功能設(shè)計(jì)和3D表示。外包公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，包括BIM模型加載技術(shù)、不同數(shù)據(jù)格式間的信息傳遞及系統(tǒng)原型界面設(shè)計(jì)。本研究試驗(yàn)部分的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括6個(gè)步驟?；贐IM的高速公路施工全過(guò)程數(shù)字化施工技術(shù)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 高速公路施工全過(guò)程數(shù)字化施工技術(shù)拓?fù)鋱D

1)第1步：測(cè)量階段 采用基于BIM的數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)，簡(jiǎn)化施工方法，減少加密控制點(diǎn)設(shè)置量，將測(cè)量所得的加密控制點(diǎn)數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，測(cè)量人員通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)終端對(duì)比查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新與改進(jìn)?；诳刂泣c(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)字地形分析方法，對(duì)地貌形態(tài)建模及其屬性特征進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)。通過(guò)對(duì)地形形態(tài)實(shí)現(xiàn)多層次感知、多尺度表達(dá)與高保真建模，為模擬工程數(shù)字地形提供數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，并與設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，從而進(jìn)一步定義一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)軌道交通及周邊空間數(shù)據(jù)的協(xié)同管理和無(wú)縫表達(dá)。

2)第2步：設(shè)計(jì)階段 利用專業(yè)BIM軟件將二維設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為施工機(jī)械能識(shí)別的三維BIM模型，建模過(guò)程中檢核設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)BIM模型發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，調(diào)整設(shè)計(jì)變更模型，將BIM模型數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，并與數(shù)字地形模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的信息融合，最終反饋至各施工機(jī)械數(shù)字化系統(tǒng)中，為數(shù)字化施工作業(yè)做準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)一次建模與不同模型的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，多個(gè)結(jié)構(gòu)層施工受益，有效提升設(shè)計(jì)效率。

3)第3步：施工階段 基于北斗導(dǎo)航定位自主核心技術(shù)和數(shù)字化平臺(tái)終端，輔助高速公路工程建設(shè)與管理過(guò)程，對(duì)路面施工全過(guò)程進(jìn)行事中監(jiān)測(cè)、事后追溯。系統(tǒng)將路面施工攤鋪、壓實(shí)及運(yùn)輸車輛管控參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以提供智能施工導(dǎo)航，確保作業(yè)質(zhì)量，提高施工管理水平和效率。

4)第4步：檢測(cè)階段 采用北斗高精度GIS采集終端檢測(cè)錄入建設(shè)過(guò)程中的單元工程施工質(zhì)量，按質(zhì)量管理規(guī)范，嚴(yán)格區(qū)分承包單位、監(jiān)理單位、監(jiān)督單位的檢驗(yàn)請(qǐng)求及留樣，分別記錄檢驗(yàn)時(shí)間、數(shù)據(jù)、位置等信息，并實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性，從而確保檢驗(yàn)結(jié)果真實(shí)且有跡可循。

5)第5步 根據(jù)半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，構(gòu)建高速公路數(shù)字化建設(shè)管理系統(tǒng)，建立基于BIM的綜合性高速公路數(shù)字化全過(guò)程建設(shè)框架。該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)字高速公路建設(shè)管理流程設(shè)置不同的應(yīng)用模塊，還可基于WebGL、動(dòng)態(tài)模型加載和北斗等技術(shù)訪問(wèn)存儲(chǔ)在云端的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型信息。

6)第6步 多個(gè)不同權(quán)限的利益相關(guān)者通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)測(cè)試平臺(tái)，利用數(shù)字化全過(guò)程高速公路建設(shè)管理框架，實(shí)現(xiàn)更有意義的協(xié)同管理。

2.3 訪談結(jié)果分析

2名研究人員獨(dú)立編碼轉(zhuǎn)錄文本，并保證每編碼3個(gè)轉(zhuǎn)錄文本便進(jìn)行討論，產(chǎn)生分歧時(shí)，由第3人參與，3名研究員討論協(xié)商決定。信息飽和后，多次閱讀并逐條分析轉(zhuǎn)錄文本,通過(guò)不斷比較抽提出主題。訪談分析結(jié)果如表3所示。訪談結(jié)果明確高速公路建設(shè)數(shù)字化全過(guò)程管理系統(tǒng)目標(biāo)如下：①實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的全過(guò)程管理；②實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的電子存儲(chǔ)和協(xié)作共享；③實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同；④提高利益相關(guān)者的管理效率。

表3 訪談分析結(jié)果

2.3.1實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的全過(guò)程管理

結(jié)合半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，高速公路數(shù)字化管理主要涉及測(cè)量階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和檢測(cè)階段，有必要在每個(gè)階段實(shí)施數(shù)據(jù)管理。為此，使用協(xié)同理論，可明確高速公路建設(shè)全過(guò)程中各要素/子系統(tǒng)的關(guān)系和作用，促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，從無(wú)序到有序，達(dá)到1+1>2的效果。正是通過(guò)不同階段的信息協(xié)調(diào)，才能更有效地管理高速公路數(shù)字化全過(guò)程。

2.3.2設(shè)計(jì)信息的電子存儲(chǔ)和協(xié)作共享機(jī)制

在設(shè)計(jì)階段，二維圖紙涉及大量圖像和計(jì)算，增加出錯(cuò)概率。使用BIM軟件可構(gòu)建3D模型，將施工圖從2D升級(jí)到3D是設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)管理的核心。通過(guò)轉(zhuǎn)換所有2D數(shù)據(jù)，對(duì)3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，還可處理測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)械控制任務(wù)，并自動(dòng)簡(jiǎn)單分析數(shù)據(jù)。在考慮半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果的基礎(chǔ)上，高速公路數(shù)字化管理全過(guò)程設(shè)計(jì)階段應(yīng)包括二維圖紙升級(jí)、授權(quán)查看和更改相關(guān)信息等功能。

2.3.3實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同

從高速公路建設(shè)實(shí)踐來(lái)看，有大量施工自檢、監(jiān)理抽查、中間交付檢查、竣工(交付)驗(yàn)收等檢測(cè)數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)涵蓋高速公路建設(shè)全過(guò)程，但由各方單獨(dú)管理，尚未鏈接在一起。結(jié)合半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，高速公路數(shù)字化管理過(guò)程中的檢測(cè)階段管理包括檢測(cè)數(shù)據(jù)電子化記錄和文件共享機(jī)制部分。

1)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)電子記錄 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)電子記錄指建設(shè)階段質(zhì)量檢驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)化記錄?；诎虢Y(jié)構(gòu)化訪談，高速公路全流程數(shù)字化管理系統(tǒng)必須能夠存儲(chǔ)、分析、檢查各類信息。

2)文件共享機(jī)制 目前檢測(cè)數(shù)據(jù)大部分仍由各方單獨(dú)管理，尚未相互關(guān)聯(lián)?；诎虢Y(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)高速公路全流程數(shù)字化管理系統(tǒng)，平臺(tái)必須能夠?qū)崿F(xiàn)文件共享功能。

2.3.4提高利益相關(guān)者的管理效率

項(xiàng)目人員獲取或產(chǎn)生的信息必須進(jìn)行系統(tǒng)化處理，需要可管理一系列任務(wù)的集成系統(tǒng)。根據(jù)半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，提出以下提高高速公路數(shù)字化全過(guò)程管理效率的策略：①基于BIM可視化管理，提高所有用戶的協(xié)調(diào)性，減少溝通障礙；②設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可在設(shè)計(jì)需要更改時(shí)隨時(shí)更改，減少時(shí)間浪費(fèi)；③問(wèn)題可溯源，降低信息檢索的時(shí)間成本；④攤鋪、壓實(shí)、運(yùn)輸車輛采用智能化管理，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)流程化作業(yè)。

3 基于BIM的高速公路數(shù)字化全過(guò)程技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)框架基于Liu等[16]建立的可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)框架，并融入全流程協(xié)同理念，通過(guò)半結(jié)構(gòu)化訪談，進(jìn)一步了解管理者使用該系統(tǒng)的場(chǎng)景及真正發(fā)揮作用的場(chǎng)景，從而獲得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化高速公路建設(shè)全過(guò)程管理基礎(chǔ)平臺(tái)框架。

高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)系統(tǒng)基于3DGIS，BIM，5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與二維設(shè)計(jì)文件建立高速公路BIM模型，建立技術(shù)架構(gòu)。綜合存儲(chǔ)、管理、即時(shí)反饋測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)階段涉及的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)包括過(guò)程層、數(shù)據(jù)層、傳輸層及平臺(tái)層4個(gè)邏輯層，如圖2所示。通過(guò)4個(gè)層次的協(xié)同作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過(guò)程施工管理，改善高速公路工程各施工階段的信息傳遞困境。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

3.1 加密控制點(diǎn)

高速公路施工控制包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，控制點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量都有相應(yīng)原則和要求。采用基于BIM的高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)，優(yōu)于施工作業(yè)模式(每10m放樣1對(duì)基準(zhǔn)樁)，只需每隔500～600m架設(shè)1次高精度機(jī)器人型全站儀(為方便架設(shè)儀器適應(yīng)復(fù)雜工況，一般采用后方交會(huì)方式架設(shè)儀器)，考慮交會(huì)角度、彎道填挖方段影響，一般施工前每隔200m在線路兩側(cè)交錯(cuò)臨時(shí)布設(shè)加密控制點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。所得的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，測(cè)量人員通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)終端對(duì)比查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新與改進(jìn)。

圖3 臨時(shí)布設(shè)加密控制點(diǎn)(單位:m)

3.2 數(shù)字地形模擬

基于控制點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)字地形分析方法，對(duì)地貌形態(tài)建模及其屬性特征進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)。通過(guò)對(duì)地形形態(tài)進(jìn)行多層次感知、多尺度表達(dá)與高保真建模，提取地形因子，包括坡度、坡向、坡長(zhǎng)、坡形、坡位等坡面地形因子和反映地理綜合特征的面積高程積分、地形濕度指數(shù)、地形動(dòng)力指數(shù)等復(fù)合地形因子。不同地形因子映射地貌形態(tài)及其過(guò)程的不同側(cè)面，為模擬工程數(shù)字地形提供數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，結(jié)合設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)信息，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，并為設(shè)計(jì)、施工與檢測(cè)階段奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 施工圖紙升維

在設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)根據(jù)控制網(wǎng)和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的構(gòu)筑物、結(jié)構(gòu)層等，經(jīng)過(guò)計(jì)算將圖上點(diǎn)位信息放樣到實(shí)地中以形成二維圖紙，但讀圖和計(jì)算的數(shù)量大，增加出錯(cuò)概率?；贐IM的高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)將二維圖紙進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)升級(jí)，形成三維BIM模型(見(jiàn)圖4)。施工圖紙升維所需材料有平曲線要素表、豎曲線要素表、設(shè)計(jì)每20m斷面圖、平面圖、逐樁坐標(biāo)表等。施工圖紙升維是基于BIM的高速公路數(shù)字化全過(guò)程數(shù)據(jù)管理核心，負(fù)責(zé)處理所有二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，管理三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，處理測(cè)量和機(jī)械控制任務(wù)與分析等。BIM的可視化三維信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺(tái)終端，與數(shù)字地形模擬數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)參與方的有效協(xié)同，并為施工和檢測(cè)階段提供數(shù)據(jù)。

圖4 施工圖紙

3.4 施工機(jī)械智能控制系統(tǒng)

BIM軟件將二維圖紙升維成施工機(jī)械能夠識(shí)別的三維BIM模型后，在建模過(guò)程中檢核設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)BIM模型發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以調(diào)整設(shè)計(jì)變更模型，并將BIM模型分發(fā)到各施工機(jī)械數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。施工機(jī)械基于BIM數(shù)字化全過(guò)程系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取作業(yè)部位的姿態(tài)和坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)字化施工控制計(jì)算機(jī)接收的BIM模型，實(shí)現(xiàn)基于BIM的數(shù)字化全過(guò)程系統(tǒng)控制施工機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)。同時(shí)，將作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)字化平臺(tái)，可直觀展示施工模型及作業(yè)數(shù)據(jù)。

3.4.1攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)

攤鋪前檢查所有攤鋪機(jī)和手持控制器的設(shè)計(jì)，并重新進(jìn)行模型自查工作，利用BIM3D行駛視圖可定線行駛，并直觀顯示和檢查精確表面地形。在正式施工階段，采用全站儀捕獲MT900坐標(biāo)，經(jīng)數(shù)字電臺(tái)，最終傳輸至CB460控制箱中。CB460中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)比修正設(shè)計(jì)階段的BIM模型和信息后，將新數(shù)據(jù)傳輸至CB440自動(dòng)控制箱，此控制箱為指令控制箱，控制液壓閥與液壓油缸移動(dòng)牽引大臂，進(jìn)而控制熨平板的垂直移動(dòng)，使填筑產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補(bǔ)路面波動(dòng)，使路面平整度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。攤鋪過(guò)程中設(shè)備實(shí)時(shí)采集到的施工車輛位置、行駛速度、工作時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)部位等信息可自動(dòng)上傳至全過(guò)程施工平臺(tái)，并檢測(cè)與查看作業(yè)信息，指導(dǎo)攤鋪流程作業(yè)。攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.4.2壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)

壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)依托5G定位+高精度北斗和壓實(shí)傳感器技術(shù)，通過(guò)識(shí)別BIM模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工。壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示施工現(xiàn)場(chǎng)，并記錄壓實(shí)機(jī)路線、速度、壓實(shí)強(qiáng)度等參數(shù)，指導(dǎo)施工。此外，壓實(shí)信息數(shù)據(jù)可通過(guò)5G網(wǎng)傳送至全過(guò)程數(shù)字化平臺(tái)終端，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)科學(xué)施工。壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.4.3運(yùn)輸車輛智能管控系統(tǒng)

運(yùn)輸車輛智能管控系統(tǒng)利用射頻識(shí)別設(shè)備與北斗定位設(shè)備，能準(zhǔn)確識(shí)別填料運(yùn)輸車輛信息、駕駛員信息、裝料時(shí)間、裝料地點(diǎn)、運(yùn)輸路線、運(yùn)輸時(shí)間、卸料倉(cāng)面等信息，實(shí)時(shí)反映運(yùn)輸車輛位置，具備填料溯源和運(yùn)輸監(jiān)控作用，銜接施工現(xiàn)場(chǎng)和料場(chǎng)，保證運(yùn)輸車在有效時(shí)間內(nèi)到場(chǎng)和卸料，該位置信息可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或覆蓋運(yùn)輸路程的自組無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳回全過(guò)程施工平臺(tái)。此外，運(yùn)輸車輛智能管控系統(tǒng)可設(shè)置電子圍欄管控運(yùn)輸車輛。運(yùn)輸車輛智能管控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 運(yùn)輸車輛智能管控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.5 智能檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)是采用北斗高精度GIS采集終端，將試驗(yàn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)，檢測(cè)錄入單元工程施工質(zhì)量信息，嚴(yán)格區(qū)分各單位的檢驗(yàn)請(qǐng)求及留樣，記錄結(jié)果、數(shù)據(jù)和位置，確保檢驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。智能檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖8所示。

圖8 智能檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 案例研究

4.1 工程概況

金港高速公路建成后是柬埔寨歷史上的首條高速公路，打通了首都經(jīng)濟(jì)圈和西哈努克港，采用雙向4車道、設(shè)計(jì)時(shí)速100km的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，總投資超過(guò)20億美元，建設(shè)期4年，運(yùn)營(yíng)期50年。金港高速公路全長(zhǎng)190km，其中，高速公路金邊市路段8.3km、干拉省9.1km、實(shí)居省80.8km、國(guó)公省1.92km、西哈努克省89.89km。金港高速公路采用BOT模式投建，建成后使金邊—西哈努克港的車程縮短3h以上，降低物流成本。

金港高速公路項(xiàng)目具有高、新、難、險(xiǎn)、緊特點(diǎn)。質(zhì)量要求高，采用融合管理模式，引入聯(lián)合體監(jiān)理單位管理機(jī)制，將監(jiān)理、設(shè)計(jì)納入總經(jīng)理部管理團(tuán)隊(duì)。由于所處位置高溫多雨、材料運(yùn)輸遠(yuǎn)及海外工程人員溝通難等因素，加大管控成本與難度。地質(zhì)條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致施工質(zhì)量與安全管控風(fēng)險(xiǎn)高；高溫多雨減少有效作業(yè)天數(shù)?；诖?，引進(jìn)BIM技術(shù)及數(shù)字化管理技術(shù)，建立數(shù)字化工地平臺(tái)，打造數(shù)字化工地，全面提質(zhì)增效。

4.2 施工數(shù)據(jù)系統(tǒng)

基于BIM與數(shù)字地形模擬技術(shù)，結(jié)合測(cè)量與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，融合數(shù)字化管理系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出以BIM三維空間模型為基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)字化管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)高速公路全過(guò)程施工數(shù)據(jù)協(xié)同管理。

4.2.1攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)

在攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)中，北斗定位模塊和設(shè)備智能采集器采集、傳輸施工參數(shù)，將施工車輛位置與速度、工作時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)部位等信息傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)中打包發(fā)送。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給數(shù)字化信息平臺(tái)，從而實(shí)時(shí)接收、顯示、保存攤鋪信息，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，保證施工質(zhì)量和效率。

4.2.2壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)

壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)通過(guò)采集壓實(shí)機(jī)參數(shù)，如碾壓速度、壓實(shí)度、振幅等信息，利用北斗定位模塊獲得經(jīng)緯度定位，平臺(tái)終端利用經(jīng)緯度確定施工位置，并實(shí)時(shí)控制施工過(guò)程。壓實(shí)遍數(shù)(在路段信息中標(biāo)記不同顏色)的依據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的壓實(shí)值。施工人員通過(guò)壓實(shí)機(jī)智能控制系統(tǒng)終端顯示結(jié)果進(jìn)行碾壓控制。

4.2.3智能運(yùn)輸管控系統(tǒng)

在數(shù)字化施工平臺(tái)中，對(duì)車輛進(jìn)行智能運(yùn)輸管控，可自主選擇信息傳輸間隔時(shí)間，在全過(guò)程施工平臺(tái)上對(duì)某段時(shí)間內(nèi)任一卡車的運(yùn)輸路徑進(jìn)行歷史軌跡回放，顯示所在位置的速度，可在電子地圖上設(shè)置圍欄區(qū)域。若運(yùn)輸車輛超出圍欄區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)記錄并報(bào)警提示，據(jù)此可判斷運(yùn)輸車輛軌跡是否正常。

4.3 工程檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

工程檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)、檢測(cè)報(bào)告管理及試驗(yàn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)板塊構(gòu)成，其中實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)板塊對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析和計(jì)算，匯總檢測(cè)報(bào)告總數(shù)量及總合格率、試驗(yàn)機(jī)樣品總數(shù)及合格率、試驗(yàn)機(jī)樣品日數(shù)量及檢測(cè)報(bào)告日合格率等數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和時(shí)間區(qū)段進(jìn)行信息檢索。

檢測(cè)報(bào)告管理板塊中，可管理儀器設(shè)備、樣品臺(tái)賬、報(bào)告臺(tái)賬、不合格臺(tái)賬、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)理報(bào)告臺(tái)賬、施工報(bào)告臺(tái)賬和監(jiān)理施工對(duì)比臺(tái)賬。以檢測(cè)儀器設(shè)備管理為例，管理檢測(cè)設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)包括主要儀器設(shè)備的檢定或校準(zhǔn)等信息，設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱、規(guī)格型號(hào)、廠商、檢測(cè)部門、設(shè)備有效檢定日期、所屬檢驗(yàn)室等。此外，可通過(guò)所屬標(biāo)段、設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)檢索設(shè)備信息。

試驗(yàn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)板塊分為試驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。其中，試驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)了混凝土、鋼筋、砂漿等材料的追蹤溯源，如可對(duì)混凝土材料所屬標(biāo)段、樣品編號(hào)、工程部位及用途、強(qiáng)度等級(jí)，甚至不同時(shí)間的受力大小進(jìn)行管理。統(tǒng)計(jì)報(bào)表組成部分為全部試驗(yàn)數(shù)量、混凝土試驗(yàn)數(shù)量、鋼筋試驗(yàn)數(shù)量、水泥試驗(yàn)數(shù)量、砂漿試驗(yàn)數(shù)量、試驗(yàn)結(jié)果情況日?qǐng)?bào)、全部試驗(yàn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)機(jī)不合格統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，可通過(guò)時(shí)間段進(jìn)行檢索和導(dǎo)出。

5 討論

從實(shí)踐角度看，基于BIM的數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)是對(duì)項(xiàng)目管控的巨大升級(jí)，包含高速公路建設(shè)的數(shù)字化和智能化，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。引入數(shù)字化前后對(duì)比，如表4所示。

表4 引入數(shù)字化前后對(duì)比

1)形成以數(shù)據(jù)為核心的管理體系 在設(shè)計(jì)交付方面，形成電子化設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及協(xié)同共享機(jī)制，控制過(guò)程管理數(shù)字化，遇到設(shè)計(jì)變更可隨時(shí)更改[2]。此外，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)協(xié)同，保證檢測(cè)項(xiàng)目的準(zhǔn)確度、精確度，確保檢驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、可靠[17]。

2)提高效率、縮短工期的同時(shí)保障施工質(zhì)量 系統(tǒng)不受光線影響，24h不間斷施工。系統(tǒng)采用控制箱屏幕顯示施工狀況，實(shí)時(shí)施工報(bào)告，隨時(shí)掌控施工效果，避免事后檢測(cè)可能帶來(lái)的返工，在最短時(shí)間內(nèi)以最好的質(zhì)量完成項(xiàng)目[18]。

3)降低成本的同時(shí)綠色環(huán)保 測(cè)量過(guò)程中無(wú)須打樁、放樣，降低測(cè)量成本，且人員經(jīng)驗(yàn)要求低，無(wú)須過(guò)多人員，降低人工成本[19-21]。此外，提高機(jī)械使用效率，減少租機(jī)臺(tái)數(shù)，降低機(jī)械設(shè)備租賃成本[19]，降低油料和材料消耗，同時(shí)減小對(duì)環(huán)境的影響[20]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用全過(guò)程數(shù)字化管理手段，基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)全過(guò)程數(shù)字化管理系統(tǒng)平臺(tái)，協(xié)同高速公路工程建設(shè)過(guò)程中的測(cè)量、設(shè)計(jì)、施工以及檢測(cè)工作，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、過(guò)程、質(zhì)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源效率等方面協(xié)同控制，從而改善高速公路工程各施工階段的信息傳遞困境，有利于工程信息在各階段傳遞和共享，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為核心的管理體系，最終達(dá)到在保證質(zhì)量的前提下提升項(xiàng)目管理水平的目標(biāo)。以金港高速公路工程為應(yīng)用實(shí)例，引入基于BIM的數(shù)字化施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過(guò)程施工，不僅為高速公路數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)，也推進(jìn)了高速公路數(shù)字化實(shí)際進(jìn)程。

本文高速公路的數(shù)字化全過(guò)程施工技術(shù)定義僅涵蓋施工過(guò)程的4個(gè)重要階段，未來(lái)可適當(dāng)增加其他階段，以更好地與現(xiàn)實(shí)匹配，并更加貼合施工過(guò)程管理。