BIM 技術(shù)與智慧工地在內(nèi)河航道整治工程中的綜合應(yīng)用

趙建豪，秦 斌，鄔德宇

(1.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

航道整治工程具有施工工期長(zhǎng)、影響因素多等特點(diǎn)，并存在返工成本高、質(zhì)量溯源難、管控難度大等問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和航運(yùn)需求的日益增長(zhǎng)，內(nèi)河航道整治工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、工程構(gòu)筑物更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的實(shí)施方法已不能滿足施工管理、強(qiáng)度和精度的要求，亟需向可視化、信息化、智慧化發(fā)展[1-2]。

BIM 技術(shù)因具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等優(yōu)勢(shì)而逐漸深入到各個(gè)工程領(lǐng)域，顯著提高了工程質(zhì)量和投資效益[3]。而已有BIM 技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用多集中在設(shè)計(jì)階段[4-7]，并主要從正向設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算、構(gòu)筑物創(chuàng)建、可視化交底、施工進(jìn)度和工藝模擬等方面進(jìn)行應(yīng)用，增強(qiáng)了施工人員對(duì)擬建工程的整體認(rèn)知，極大地方便了施工前期工作的開(kāi)展，但對(duì)施工階段的全過(guò)程管控還有待深入結(jié)合。為此，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為主的智慧工地管理平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)對(duì)施工生產(chǎn)、技術(shù)管理等過(guò)程加以改造，提升施工現(xiàn)場(chǎng)的管理效率、工作效率和決策能力[8]。但相較于房建領(lǐng)域，內(nèi)河航道整治工程具有長(zhǎng)線型、多區(qū)域、隱蔽工程多的特點(diǎn)，因此如何結(jié)合工程需求和BIM 技術(shù)的全生命周期性[9]，在管理平臺(tái)中將BIM 技術(shù)與施工管控進(jìn)行全面融合，是實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道整治工程智慧化建設(shè)的重點(diǎn)。

本文以京杭運(yùn)河長(zhǎng)江口門段航道整治工程為例，首先通過(guò)可視化編程和實(shí)景模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工BIM 模型深化創(chuàng)建、復(fù)雜航道模型構(gòu)建和多源模型輕量化集成等應(yīng)用，為施工階段提供精準(zhǔn)BIM 數(shù)據(jù)；并將BIM 技術(shù)與智慧工地平臺(tái)相結(jié)合，集成應(yīng)用于內(nèi)河航道施工全過(guò)程管控，實(shí)現(xiàn)了混凝土質(zhì)量溯源、灌注樁智能化管控、工序線上報(bào)驗(yàn)、施工過(guò)程實(shí)時(shí)管理等創(chuàng)新應(yīng)用。

1 工程概況

京杭運(yùn)河長(zhǎng)江口門段航道整治工程位于長(zhǎng)江和京杭運(yùn)河兩條水道交匯處，項(xiàng)目起自施橋船閘止于六圩長(zhǎng)江口，全長(zhǎng)5.37 km，施工內(nèi)容為灌注樁加鋼板樁承臺(tái)式護(hù)岸、格賓生態(tài)護(hù)岸、水下航道疏浚等工程(圖1)，具有施工管控難度大、安全環(huán)保壓力大、征地拆遷難度大、質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)高的特點(diǎn)。工程著重解決灌注樁施工過(guò)程管控、護(hù)岸工序報(bào)驗(yàn)、混凝土質(zhì)量溯源、施工過(guò)程實(shí)時(shí)管理和拆遷統(tǒng)計(jì)等難題，通過(guò)智能化管控方式指導(dǎo)工程項(xiàng)目建設(shè)。

圖1 整治工程分布

2 施工階段BIM 技術(shù)深化應(yīng)用

2.1 BIM 模型劃分

以往BIM 模型的創(chuàng)建多在設(shè)計(jì)階段，主要依據(jù)設(shè)計(jì)思路和工程需求開(kāi)展，但要實(shí)現(xiàn)BIM 模型的全生命周期應(yīng)用，更好地實(shí)現(xiàn)工程量統(tǒng)計(jì)、施工模擬、施工過(guò)程BIM 管控等功能，還需結(jié)合施工進(jìn)度計(jì)劃和施工工藝進(jìn)行BIM 模型的二次深化，以真正符合施工階段的應(yīng)用需求。

項(xiàng)目根據(jù)工程劃分原則和施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行了施工BIM 模型的命名和劃分，該過(guò)程遵循唯一性、簡(jiǎn)明性、完整性等基本原則，利用文字、字母、數(shù)字進(jìn)行一定規(guī)律的排列對(duì)BIM 構(gòu)件進(jìn)行命名(圖2)，同時(shí)通過(guò)Dynamo 可視化編程，添加各個(gè)構(gòu)件ID 進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)、添加坐標(biāo)信息以準(zhǔn)確定位，方便后續(xù)工序報(bào)驗(yàn)、施工智能化管控。

圖2 BIM 模型劃分規(guī)則

2.2 BIM 模型的創(chuàng)建及應(yīng)用

內(nèi)河航道工程BIM 模型創(chuàng)建多集中在護(hù)岸[10]、樁基、地形和航道等結(jié)構(gòu)上。針對(duì)航道施工樁基數(shù)量多、護(hù)岸走勢(shì)復(fù)雜的難點(diǎn)，通過(guò)Dynamo 可視化編程，解決了復(fù)雜護(hù)岸前沿線中的樁模型放置問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)沿特定角度、特定間距、特定路徑下的鋼板樁、灌注樁模型自動(dòng)放置，具有放置精度高、間隔排列準(zhǔn)確、搭接緊密且連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)(圖3)。

圖3 采用Dynamo 自動(dòng)放置樁模型

針對(duì)航道斷面結(jié)構(gòu)多、各過(guò)渡段銜接不明確的難題，采用部件編輯器建立了標(biāo)準(zhǔn)航道部件，通過(guò)自動(dòng)找尋護(hù)岸邊界和高程信息對(duì)航道進(jìn)行精確建模，用于施工疏挖技術(shù)交底；通過(guò)Civil 3D 建立三角網(wǎng)格體積曲面，進(jìn)行土石方量計(jì)算，直觀展現(xiàn)三維土石方量分布情況(圖4)，相對(duì)于傳統(tǒng)的斷面法，其計(jì)算效率和精度均有所提高[11]。

圖4 三維土石方量計(jì)算

基于施工BIM 模型，實(shí)現(xiàn)了施工圖紙的三維化表達(dá)(圖5)，通過(guò)提前優(yōu)化施工方案和結(jié)構(gòu)布置，降低施工返工風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)采用VR 設(shè)備并結(jié)合Fuzor 軟件進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，直觀展示工程重難點(diǎn)，對(duì)施工人員進(jìn)行可視化技術(shù)交底。

圖5 施工圖紙三維表達(dá)

2.3 多源模型輕量化集成及應(yīng)用

針對(duì)征地拆遷難度大、場(chǎng)地配置規(guī)劃難的問(wèn)題，項(xiàng)目使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)控制點(diǎn)布設(shè)、測(cè)區(qū)航線規(guī)劃獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)空中三角測(cè)量解算、控制點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，創(chuàng)建了施工區(qū)域?qū)嵕澳Ｐ蚚12-13]，為區(qū)域拆遷、場(chǎng)地布置、工程量核算提供數(shù)據(jù)支持。

以往研究中在BIM 模型與三維實(shí)景模型融合時(shí)存在坐標(biāo)信息不統(tǒng)一、模型體量大、匹配效果不佳等問(wèn)題[14]。項(xiàng)目基于國(guó)產(chǎn)BIM 引擎Black Hole 建立BIM 輕量化平臺(tái)，使用Worm Hole Editor編輯器對(duì)實(shí)景模型進(jìn)行二次優(yōu)化和單體化，解決了模型空洞、變形扭曲、模型懸浮等問(wèn)題；并采用Raster Tools 將GIS 底圖進(jìn)行坐標(biāo)定位，通過(guò)WMTS 地圖服務(wù)坐標(biāo)系對(duì)各源文件進(jìn)行定位整合，最終將BIM 模型、GIS 底圖、實(shí)景模型相融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)端多源模型的集成(圖6)，為施工智能化管控提供數(shù)據(jù)支持。

圖6 網(wǎng)頁(yè)端多源模型集成

通過(guò)多源模型的輕量化集成實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用:1)實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)全要素信息三維可視化，可對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行快速布置，有利于管理人員綜合評(píng)估施工條件，制定有針對(duì)性的資源調(diào)度與配置方案；2)針對(duì)目前航道工程房屋拆遷采用的實(shí)地測(cè)量方法，可通過(guò)輕量化平臺(tái)對(duì)拆遷面積、層數(shù)、結(jié)構(gòu)及擬建工程部位進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)；3)可直觀簡(jiǎn)潔地點(diǎn)擊每個(gè)BIM 模型構(gòu)件，便于技術(shù)人員快速查看。

3 BIM+智慧工地在航道整治工程中的應(yīng)用

智慧工地平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)的軟硬件優(yōu)勢(shì)，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)管理特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人員考勤、車輛識(shí)別、施工質(zhì)量安全管理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)等功能，并在房建市政等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，但受限于航道整治工程施工特點(diǎn)，已有通用化功能并不滿足水運(yùn)施工的開(kāi)展。本節(jié)基于施工BIM 模型和智慧工地管理平臺(tái)，解決航道工程中大體量混凝土澆筑、長(zhǎng)線型施工過(guò)程管控、隱蔽工程工序報(bào)驗(yàn)、施工及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理等典型難題。

3.1 混凝土動(dòng)態(tài)管控

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸原材料數(shù)據(jù)，管理平臺(tái)依據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，并生成原材料統(tǒng)計(jì)報(bào)表，供管理人員總體把控，實(shí)現(xiàn)材料來(lái)源的動(dòng)態(tài)管理；基于智慧工地平臺(tái)，通過(guò)對(duì)原材料入倉(cāng)配比、拌和時(shí)間、試驗(yàn)檢測(cè)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從源頭上加強(qiáng)了拌和數(shù)據(jù)收集，實(shí)現(xiàn)了拌和過(guò)程的實(shí)時(shí)管控。

通過(guò)將每倉(cāng)混凝土與運(yùn)輸車輛綁定聯(lián)動(dòng)，可查詢?cè)撨\(yùn)輸車輛的接料時(shí)長(zhǎng)、接料強(qiáng)度、接料量、澆筑部位等信息，并實(shí)時(shí)獲取車輛的運(yùn)輸軌跡，確保在接料、運(yùn)輸中信息的準(zhǔn)確性和可溯性；同時(shí)將每倉(cāng)混凝土用量與施工BIM 模型中的澆筑部位進(jìn)行綁定聯(lián)動(dòng)，確保各倉(cāng)混凝土與所澆筑部位的精準(zhǔn)匹配，減少因人工調(diào)配錯(cuò)誤導(dǎo)致澆筑位置不符，并可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出料與入倉(cāng)澆筑的間隔時(shí)間，確?；炷潦冀K處于最佳狀態(tài)(圖7)。

圖7 混凝土動(dòng)態(tài)管控

3.2 施工過(guò)程實(shí)時(shí)管控

針對(duì)長(zhǎng)線型航道整治工程現(xiàn)場(chǎng)管控難的問(wèn)題，通過(guò)AI 智能抓拍、電子圍欄、手持人員門禁、單兵記錄儀、智能安全帽等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分散人員的動(dòng)態(tài)管理；通過(guò)移動(dòng)布控球、定位、傳感裝置等對(duì)工程車輛、機(jī)械、挖泥船等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)“云監(jiān)工”；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)揚(yáng)塵、噪音、氣象等參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析，揚(yáng)塵超標(biāo)自動(dòng)啟動(dòng)噴霧降塵，實(shí)現(xiàn)環(huán)保自動(dòng)化管理；施工人員使用手機(jī)APP 對(duì)工程質(zhì)量、安全進(jìn)行“隨手拍”，可進(jìn)行定期巡查與安全質(zhì)量監(jiān)督，數(shù)字化賦能航道整治工程智慧建設(shè)(圖8)。

圖8 施工過(guò)程實(shí)時(shí)管控

3.3 施工階段協(xié)同管理

在基于BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升航道整治工程的信息化、智慧化管理水平，各參建方基于智慧工地平臺(tái)和手機(jī)APP 進(jìn)行施工線上協(xié)同管理。平臺(tái)涵蓋通知公告、科技創(chuàng)新、黨政廉潔、班組管理、檔案管理、設(shè)備管理、合同管理、應(yīng)急管理等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享、資料查詢有序、線上審批操作，提升了參建各方管理效率(圖9)。針對(duì)航道整治工程安全管理難的問(wèn)題，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)管控、安全教育、安全考試等功能加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高了質(zhì)量安全管理水平。

圖9 施工協(xié)同管理

3.4 施工工序線上報(bào)驗(yàn)

航道整治工程中隱蔽部位較多，針對(duì)施工工序的質(zhì)量控制要點(diǎn)，如何利用先進(jìn)的管理手段和管理辦法加強(qiáng)對(duì)工序質(zhì)量的控制與管理是有效提升施工質(zhì)量水平的重要方式。

項(xiàng)目結(jié)合施工需求，通過(guò)管理平臺(tái)對(duì)報(bào)驗(yàn)流程、單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行預(yù)先設(shè)置，將BIM 模型信息與BIM 輕量化平臺(tái)和智慧工地管理平臺(tái)相關(guān)聯(lián)(圖10)，最后利用手機(jī)APP 在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隱蔽工程進(jìn)行線上報(bào)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)圖片、視頻在線上傳，檢測(cè)表格在線填寫(xiě)，報(bào)驗(yàn)位置自動(dòng)記錄等功能，報(bào)驗(yàn)全過(guò)程線上操作，提高了施工信息化水平。

圖10 施工工序報(bào)驗(yàn)管理

工序報(bào)驗(yàn)具有如下特點(diǎn):1)將模型ID 作為報(bào)驗(yàn)信息傳遞的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)驗(yàn)部位與BIM 模型動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，報(bào)驗(yàn)結(jié)果可與BIM 輕量化平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)；2)通過(guò)BIM 模型顏色區(qū)分，直觀展現(xiàn)已完工和未完工段的所在位置，便于對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行總體把控；3)通過(guò)點(diǎn)選平臺(tái)各個(gè)構(gòu)件，可顯示工程部位、工序信息、責(zé)任人員和澆筑信息，提高質(zhì)量管控和溯源能力；4)通過(guò)拖拽時(shí)間進(jìn)度線，可直觀查看施工先后順序，方便管理人員進(jìn)行進(jìn)度規(guī)劃。相較于傳統(tǒng)的4D 施工進(jìn)度模擬，該技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、可溯性、自動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了BIM 模型在施工階段質(zhì)量、進(jìn)度管控中的融合應(yīng)用。

3.5 施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理

灌注樁須在施工現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)連續(xù)完成，作為隱蔽工程其施工質(zhì)量較難監(jiān)測(cè)。首先采用Revit和Dynamo 精確創(chuàng)建施工BIM 模型并添加施工信息，上傳至管理平臺(tái)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；并基于北斗導(dǎo)航的載波相位差分定位技術(shù)[15]，實(shí)現(xiàn)對(duì)打樁位置的自動(dòng)定位與導(dǎo)航，將打樁坐標(biāo)與平臺(tái)模型信息進(jìn)行比對(duì)，以精確控制鉆孔誤差；通過(guò)接觸式儀器組合法和諧振音叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)手段將成孔檢測(cè)、泥漿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至管理平臺(tái)進(jìn)行整理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注樁施工全過(guò)程智能化管控(圖11)[16]。

圖11 灌注樁智能化管控

針對(duì)工程鋼筋、混凝土用量大，試驗(yàn)檢測(cè)效率低等問(wèn)題，基于管理平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土抗折抗壓、鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)上傳、分析整理、待辦信息自動(dòng)推送等功能(圖12)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)全程可查，確保試驗(yàn)、檢測(cè)全過(guò)程可追溯，保障工程材料質(zhì)量安全。

圖12 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程管控

4 結(jié)論

1)為了實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)與施工管控的融合，須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、施工進(jìn)度和施工工藝對(duì)BIM模型進(jìn)行二次深化；在航道整治工程中，使用可視化編程能較好地完成施工BIM 模型深化創(chuàng)建、復(fù)雜航道模型構(gòu)建和航道土石方量計(jì)算。

2)通過(guò)輕量化BIM 管理平臺(tái)，可將BIM 模型、GIS 底圖、實(shí)景模型相融合，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)全要素信息三維可視化，為施工場(chǎng)地快速布置、房屋拆遷統(tǒng)計(jì)和BIM 模型信息查詢提供數(shù)據(jù)支持。

3)結(jié)合施工BIM 模型及管理平臺(tái)，可對(duì)混凝土材料來(lái)源、拌和、運(yùn)送、澆筑全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，提升混凝土質(zhì)量溯源能力。

4)基于移動(dòng)互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)分散人員、施工機(jī)械、固定監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控；可依據(jù)航道整治工程特點(diǎn)和管理需求，將管理平臺(tái)從物聯(lián)網(wǎng)端向線上協(xié)同管理端進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)工程智慧化綜合管理。

5)基于BIM 模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，并將模型信息與管理平臺(tái)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽工程線上工序報(bào)驗(yàn)，提高施工信息化水平。

6)基于管理平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土、鋼筋試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)上傳、分析整理等功能，保障檢測(cè)全過(guò)程可追溯。