基于BIM技術(shù)的公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)研究

何蘭英　

基于BIM技術(shù)的公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)研究

何蘭英

（廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530007）

公路機(jī)電工程項(xiàng)目具有施工周期長、環(huán)境復(fù)雜、涉及面廣、參與人數(shù)眾多等特點(diǎn)，隨著智能化、高安全、高效率等生產(chǎn)需求的不斷提出，公路機(jī)電工程項(xiàng)目管理逐步走向模型化、數(shù)字化、全生命周期的系統(tǒng)管理模式。通過BIM模型化直觀反映項(xiàng)目整體的工程進(jìn)度及安全隱患，通過數(shù)字化圖形圖表多維度反映工程項(xiàng)目的成本及質(zhì)量，以統(tǒng)籌規(guī)劃項(xiàng)目下一步的工作內(nèi)容，通過BIM技術(shù)全生命周期監(jiān)測及管理整個項(xiàng)目，做到可追溯、可預(yù)測、可防范的全面管理。文章以在建的大型高速公路機(jī)電工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，研究在機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)中應(yīng)用BIM技術(shù)對項(xiàng)目的進(jìn)度、質(zhì)量、安全、智能化、高效率等進(jìn)行全面管理的提升。

機(jī)電項(xiàng)目；BIM技術(shù)；模型；實(shí)踐；預(yù)測；可視化

引言

當(dāng)前，我國公路建設(shè)進(jìn)入一個高速發(fā)展的新階段，對公路機(jī)電工程的建設(shè)施工及運(yùn)營管理提出了更高要求，在研究提升公路機(jī)電工程整體質(zhì)量方面，勢必要不斷探索新技術(shù)、新思路在公路機(jī)電工程項(xiàng)目建設(shè)管理中的應(yīng)用[1]。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點(diǎn)，其優(yōu)勢是構(gòu)建直觀的三維立體展示模型，使工程整體一目了然，為多部門協(xié)調(diào)一致提供依據(jù)，模擬工程未來進(jìn)度成果，為預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)及質(zhì)量優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。筆者將BIM技術(shù)應(yīng)用到機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)中，探索在項(xiàng)目的全生命周期中實(shí)現(xiàn)可追溯、可預(yù)測、高質(zhì)量、智能化的管理，現(xiàn)階段所取得的成果顯著。

1　BIM技術(shù)趨勢

目前，國內(nèi)BIM技術(shù)及產(chǎn)業(yè)仍主要服務(wù)于建筑行業(yè)，圍繞建筑設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維三個階段進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用及軟件研發(fā)。而隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和滲透，BIM技術(shù)不僅能夠適應(yīng)建筑行業(yè)領(lǐng)域的工作需求，還能不斷開拓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程、信息化工程、公路機(jī)電工程等適用的領(lǐng)域，呈現(xiàn)出多元化適用的發(fā)展趨勢[2]。

此外，隨著學(xué)科領(lǐng)域的不斷交叉應(yīng)用和發(fā)展，BIM技術(shù)不斷凸顯出其優(yōu)勢和影響力，公路工程、橋梁工程、城市管廊、水運(yùn)工程、環(huán)境工程等越來越多的工程領(lǐng)域應(yīng)用案例，充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)在交叉學(xué)科領(lǐng)域的適用性和重要性，是符合人們意志的人性化表現(xiàn)[3]。

縱觀BIM技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，BIM技術(shù)應(yīng)用將更趨于多元化、人性化、可視化的發(fā)展方向。

2　公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)組成

公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)以BIM技術(shù)應(yīng)用為核心，在此基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展相關(guān)業(yè)務(wù)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，各項(xiàng)業(yè)務(wù)基于模塊化的組件形式，建立統(tǒng)一認(rèn)證機(jī)制和細(xì)分的權(quán)限配置管理，同時(shí)提供第三方平臺業(yè)務(wù)接口以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為模型層、硬件層、應(yīng)用層等六個層次，包含數(shù)據(jù)資源整合管理體系、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用體系和信息安全保障體系。

2.1 項(xiàng)目概況

筆者參與的某高速公路機(jī)電工程設(shè)計(jì)施工總承包項(xiàng)目線路全長132.9 km，總投資近13億元，貫穿兩市一縣，是該省東西橫向交通規(guī)劃的主要通道之一。項(xiàng)目工程量大，工期緊，線路途徑兩處運(yùn)河樞紐、一處非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)、一處生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)、及多處農(nóng)田耕地等，此外還與一條南北縱向高速公路、多條地方道路存在交叉，因此，項(xiàng)目在建設(shè)實(shí)施的各個階段都對施工管理提出了更高要求。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包含六個層次。

（1）模型層：基于Autodesk主流建模軟件的模型平臺，模型原?件輕量化轉(zhuǎn)換平臺實(shí)現(xiàn)模型 web 發(fā)布。

（2）硬件平臺層：硬件主要包括服務(wù)器、PC客戶端、APP移動客戶端等應(yīng)用單元，交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、防火墻、光纖終端等網(wǎng)絡(luò)傳輸單元，采集器、傳感器、物聯(lián)感知等采集單元。平臺主要包含操作系統(tǒng)、子系統(tǒng)、中間件、GIS引擎、報(bào)表工具、插件等。

（3）數(shù)據(jù)資源層：包含輕量化的模型及編碼數(shù)據(jù)庫，權(quán)限配置及字典管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以及包含進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、文檔管理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

（4）綜合應(yīng)用層：包含進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、預(yù)控價(jià)管理、計(jì)量支付管理、庫存管理、檔案管理七大主業(yè)務(wù)板塊，統(tǒng)一認(rèn)證中心以及系統(tǒng)配置管理（組織結(jié)構(gòu)、權(quán)限、角色）。

（5）決策支撐層：包含進(jìn)度績效考核、技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)、綜合評估指標(biāo)三個決策支撐板塊，一個可視化的數(shù)據(jù)中心。

（6）多端支持層：主要包括web應(yīng)用的PC客戶端，以及APP移動客戶端。

2.3 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖2所示，包含監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)五大公路機(jī)電工程典型的組成部分，通過各部分工程量、進(jìn)度比例、收支情況、整改情況、計(jì)量統(tǒng)計(jì)等參變量來實(shí)時(shí)跟蹤項(xiàng)目整體完工情況。

系統(tǒng)突出的特點(diǎn)是基于BIM技術(shù)的輕量化模型展示，直觀反映項(xiàng)目現(xiàn)場的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括在進(jìn)行的活動、計(jì)劃實(shí)施的活動、預(yù)計(jì)的資源需求、完工日期等，十分有利于項(xiàng)目決策層實(shí)時(shí)把握項(xiàng)目總體，并進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃及決策調(diào)整。

系統(tǒng)還包含進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理等功能板塊，目標(biāo)是通過數(shù)據(jù)的專項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析反映項(xiàng)目的各項(xiàng)指標(biāo)，以輔助BIM模型中的工作決策、過程改進(jìn)、隱患排查等。

2.4 技術(shù)路線

在公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)中，以BIM模型作為項(xiàng)目管理的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對項(xiàng)目的各個組成構(gòu)件進(jìn)行逐一建模和編碼，模型應(yīng)擁有清晰明確的存儲規(guī)則，包括一些存儲路徑的規(guī)范命名，同時(shí)編碼規(guī)則應(yīng)確保模型在項(xiàng)目全生命周期中的身份標(biāo)識唯一性，以保障模型屬性傳遞的一致性。

BIM模型搭建主要分兩大方面：一是綜合性生產(chǎn)模型，主要是項(xiàng)目現(xiàn)場的設(shè)備、機(jī)械、房建、給排水、道路、材料、倉儲等區(qū)域，反映的是必要的輔助設(shè)施和工序[4]；二是工程設(shè)計(jì)方案模型，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙、施工圖紙、以及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行建模，反映的是明確的工程指標(biāo)模型。圖3為收費(fèi)站模型。

圖3 收費(fèi)站模型建立

系統(tǒng)實(shí)施過程中，在設(shè)計(jì)階段，對項(xiàng)目組成構(gòu)件進(jìn)行逐一編碼，確保其系統(tǒng)內(nèi)唯一性。在施工階段，將工程量清單分項(xiàng)，并與構(gòu)件編碼、清單編碼有機(jī)結(jié)合起來，施工期間的各類數(shù)據(jù)通過構(gòu)件編碼進(jìn)行傳遞和存儲。在運(yùn)營和維護(hù)階段，構(gòu)件編碼與項(xiàng)目實(shí)體物件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過物件心跳包?；詈臀锛涌趯?shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，并同步更新到BIM模型中，模型總體完成量、質(zhì)量、成本、安全等各項(xiàng)指標(biāo)即反映了施工現(xiàn)場的真實(shí)狀況。BIM軟件編碼如圖4所示。

圖4 BIM構(gòu)件編碼組成

3　BIM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 輕量化渲染

前面提到，公路機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，故為了實(shí)現(xiàn)BIM模型的web發(fā)布，采用將BIM模型多層切片及分布加載的方式進(jìn)行輕量化渲染，在保證模型完整性的前提下降低模型大小，以適應(yīng)web端、移動APP端實(shí)現(xiàn)模型快速預(yù)覽的需求。該解決方案在本項(xiàng)目實(shí)踐中得到廣泛認(rèn)可和好評，即保持了BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目可視化管理的初衷，又達(dá)到了良好的用戶體驗(yàn)。

BIM模型輕量化渲染應(yīng)用實(shí)踐如圖5所示，保證模型主體框架的完整性，對項(xiàng)目主要關(guān)注的施工主體進(jìn)行切片，去除非關(guān)鍵的環(huán)境模型，實(shí)現(xiàn)輕量化渲染。

圖5 服務(wù)區(qū)BIM輕量化

3.2 工序及碰撞檢查

公路機(jī)電工程項(xiàng)目所涉及的施工項(xiàng)種類繁多，專業(yè)性強(qiáng)，因環(huán)境復(fù)雜多變，受工藝水平、資源配置、工序交叉等因數(shù)影響，項(xiàng)目現(xiàn)場常常需要做出檢查和調(diào)整，如果仍然依靠施工圖紙等平面設(shè)計(jì)進(jìn)行施工編組和排序，不僅難以切合應(yīng)用實(shí)際，而且還有可能出現(xiàn)工藝偏差甚至返工的嚴(yán)重后果。因此，為保障各類施工項(xiàng)的有序開展，需要應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行場景建模，模擬各項(xiàng)工序過程，消除工序的交叉影響并進(jìn)行合理編排[5]。同時(shí)，在諸如隧道配電房施工、機(jī)房弱電線路施工、收費(fèi)島機(jī)電施工等方面，應(yīng)用BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，將各項(xiàng)設(shè)施的安裝位置、空間需求、線路走向等模擬出來，通過三維模型動畫呈現(xiàn)分析和判斷各工序在交叉點(diǎn)是否存在碰撞情況，找出調(diào)整方案避免后續(xù)施工過程中出現(xiàn)類似問題。

通常工序及碰撞檢查需要經(jīng)過不斷重復(fù)的推演和優(yōu)化才能找到合理的排序和消除交叉影響。例如，有些工序排列看似沒有問題，也不存在交叉情況，但兩者之間的間隙很窄，導(dǎo)致后續(xù)施工項(xiàng)沒有足夠的操作空間，施工人員無法進(jìn)行有效施工。這時(shí)就需要通過模型反復(fù)推演，同時(shí)把施工人員、輔助工具等關(guān)聯(lián)項(xiàng)考慮進(jìn)來，才能消除交叉影響。

3.3 清單計(jì)算

公路機(jī)電工程項(xiàng)目涉及的設(shè)備種類繁多、數(shù)量大，如監(jiān)控系統(tǒng)中就包括攝像機(jī)、服務(wù)器、解碼器、拼控器、交換機(jī)、安裝桿件、強(qiáng)弱電線路等設(shè)施，如果根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙來統(tǒng)計(jì)設(shè)備清單，難免會因?yàn)閳D紙?jiān)O(shè)計(jì)問題、現(xiàn)場需要改變、人為統(tǒng)計(jì)錯誤等因數(shù)導(dǎo)致清單的不準(zhǔn)確。BIM技術(shù)應(yīng)用可以很好地解決這些問題，首先，通過設(shè)計(jì)階段的BIM構(gòu)件進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，使統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰并便于后續(xù)更新；其次，通過模型進(jìn)行消耗模擬和預(yù)估，設(shè)置一些預(yù)留分量；最后，對于固定數(shù)量的耗材按需實(shí)施配額，對于預(yù)留分量的耗材在施工配額時(shí)計(jì)算上分量數(shù)，對于可能包含潛在損耗的施工項(xiàng)，設(shè)置一定量的儲備。此外，還可以應(yīng)用BIM模型推演技術(shù)來應(yīng)對施工階段出現(xiàn)工序變更時(shí)所需耗材的變化，以及時(shí)同步更新到清單中。

統(tǒng)計(jì)清單除了包含材料損耗統(tǒng)計(jì)，還包含預(yù)期的施工時(shí)間、成本、人員投入、進(jìn)度指標(biāo)等，項(xiàng)目管理人員除憑借自身的管理經(jīng)驗(yàn)評估之外，結(jié)合應(yīng)用BIM技術(shù)模擬和推演，將能更合理地對系統(tǒng)工作進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解和任務(wù)預(yù)估，從而提供工程效率。BIM清單計(jì)算如圖6所示。

圖6 BIM清單計(jì)算

3.4 進(jìn)度控制

進(jìn)度控制是公路機(jī)電工程項(xiàng)目中一項(xiàng)需要反復(fù)循環(huán)進(jìn)行的活動，它關(guān)乎項(xiàng)目能否在計(jì)劃的時(shí)間內(nèi)保質(zhì)、保量完成預(yù)定工作并交付使用，是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵指標(biāo)之一。項(xiàng)目的進(jìn)度管理包括計(jì)劃編制、活動定義、活動排序、資源估算以及進(jìn)度控制等內(nèi)容。在實(shí)際項(xiàng)目過程中，由于各種因數(shù)導(dǎo)致進(jìn)度偏差或失控常有發(fā)生，而傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)無法直觀反映進(jìn)度狀況和找尋引起進(jìn)度異常的原因。應(yīng)用BIM模型設(shè)計(jì)時(shí)，除在設(shè)計(jì)階段通過模型對進(jìn)度量化管理以外，在施工和運(yùn)維階段還持續(xù)跟蹤管理，根據(jù)施工人員上報(bào)的進(jìn)度績效信息，實(shí)時(shí)更新BIM模型上的進(jìn)度信息，并能根據(jù)模型關(guān)聯(lián)分析造成進(jìn)度異常的原因[6]。

在進(jìn)度控制階段，根據(jù)上述分析結(jié)果，對偏差因數(shù)施加干預(yù)進(jìn)行糾偏，對活動資源重新估算，從替代的處置方案中對比分析尋找最佳措施，在后續(xù)工作中實(shí)施糾偏措施，不僅能及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施進(jìn)度控制，還能節(jié)約項(xiàng)目管理成本。BIM進(jìn)度計(jì)劃如圖7所示。

圖7 BIM進(jìn)度計(jì)劃對比

3.5 技術(shù)交底

公路機(jī)電項(xiàng)目管理的質(zhì)量指標(biāo)主要體現(xiàn)在安裝技術(shù)、施工工藝、機(jī)電設(shè)備質(zhì)量等方面，具有較高的專業(yè)性和技術(shù)要求，對工程項(xiàng)目整體的質(zhì)量指標(biāo)影響最為突出。傳統(tǒng)的機(jī)電工程項(xiàng)目質(zhì)量管理包括合同規(guī)范、現(xiàn)場監(jiān)管、質(zhì)量抽查等方式，在管理深度、廣度、細(xì)度方面存在明顯不足，特別是對一些隱蔽工程、防水工程等的質(zhì)量管理存在欠缺情況。

引入BIM技術(shù)后，將模型構(gòu)件與質(zhì)量指標(biāo)關(guān)聯(lián)并驗(yàn)證后登記入冊，進(jìn)行分項(xiàng)分級標(biāo)識實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的細(xì)度管理，對于隱蔽工程、防水工程等特殊工序，通過模型推演來排查隱患項(xiàng)[7]。在可視化模型展示中，施工人員、負(fù)責(zé)人、專家等參與審核評估，建立虛擬現(xiàn)場的面對面溝通，可有效排查隱患，實(shí)施可靠的技術(shù)交底，從而保障工程整體質(zhì)量。圖8為隧道技術(shù)交低。

圖8 隧道技術(shù)交低

3.6 施工安全

保障施工安全是機(jī)電項(xiàng)目管理的首要任務(wù)，施工安全問題的出現(xiàn)具有多方面原因，同時(shí)還具有一定的偶然性。以往的安全管理主要通過人員安全知識培訓(xùn)、現(xiàn)場監(jiān)督管理、經(jīng)評估的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和防范措施等，這在項(xiàng)目實(shí)踐過程中是無法根據(jù)環(huán)境因數(shù)等的變化及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測和防范安全隱患的。BIM技術(shù)應(yīng)用使得項(xiàng)目安全管理得到很好補(bǔ)充[8]，一方面是通過模型構(gòu)件對施工過程進(jìn)行數(shù)字化仿真，另一方面對關(guān)聯(lián)的仿真結(jié)果進(jìn)行識別分析和再關(guān)聯(lián)，導(dǎo)入分析結(jié)果查看模型變化，從而準(zhǔn)確預(yù)測隱患因數(shù)，記錄形成清單并才對相應(yīng)措施進(jìn)行預(yù)防。圖9為ETC門架施工警示圖。

圖9 ETC門架施工警示圖

3.7 人員管理

公路機(jī)電工程項(xiàng)目具有里程長、跨域大、施工節(jié)點(diǎn)分散等特點(diǎn)，項(xiàng)目人員部署到各個施工節(jié)點(diǎn)后，其管控的難度較大，尤其涉及高空、高壓、涉水等危險(xiǎn)系數(shù)較高的施工項(xiàng)，其人員管理更是整個項(xiàng)目的重點(diǎn)。本項(xiàng)目引入了BIM技術(shù)與GIS地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為項(xiàng)目人員配備帶GPS定位的智慧安全帽或安全服，從而建立BIM模型與人員的關(guān)聯(lián)，人員的地理位置、活動軌跡等真實(shí)反映在模型中，從而實(shí)時(shí)跟蹤管理。

一些特殊的施工環(huán)境，如隧道內(nèi)、山坳間等GPS信號不強(qiáng)的環(huán)境，應(yīng)采取加裝信號中繼的方式，確保每個施工面上的人員都能被監(jiān)測到。此外，我們還依托這個人員與模型的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)建立了人員與工作的關(guān)聯(lián)，根據(jù)BIM模型推演的施工計(jì)劃及人員投入需求，人員分配到工作任務(wù)后，其每日的進(jìn)度績效即可在BIM模型上實(shí)時(shí)跟蹤。

圖10 施工人員定位

4 結(jié)束語

總體而言，BIM技術(shù)在機(jī)電項(xiàng)目管理系統(tǒng)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)影響，在工程實(shí)際中，除了文中提及的幾方面應(yīng)用實(shí)踐，BIM技術(shù)在項(xiàng)目的成本管理、運(yùn)維管理等方面同樣具有相當(dāng)高的實(shí)踐價(jià)值。BIM技術(shù)實(shí)踐基本覆蓋工程項(xiàng)目全生命周期的各個過程，在推動公路機(jī)電工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)信息化、智慧化等方面具有重大意義，使筆者參與的機(jī)電工程項(xiàng)目的管理水平、整體質(zhì)量得到前所未有的提升，非常值得繼續(xù)研究和推廣應(yīng)用。

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Research on Highway Electromechanical Project Management System Based on BIM Technology

The highway electromechanical engineering project has the characteristics of long construction period, complex environment, wide coverage and large number of participants. With the continuous raising of production demands such as intelligence, high safety and high efficiency, the highway electromechanical engineering project management is gradually moving towards the system management mode of modeling, digitization and full life cycle. Through BIM modeling, the overall project progress and potential safety hazards of the project can be directly reflected, and the cost and quality of the project can be reflected in multiple dimensions through digital graphics and charts, so as to plan the next work content of the project as a whole, monitor and manage the whole project through the whole life cycle of BIM technology, and achieve traceable, predictable and preventable comprehensive management. Based on the large-scale expressway electromechanical engineering project under construction, this paper studies the application of BIM technology in the electromechanical project management system to improve the overall management of the project progress, quality, safety, intelligence and efficiency.

electromechanical project; BIM technology; model; practice; forecast; visualization

TU17; U495

A

1008-1151(2022)07-0005-04

2022-04-26

2021年度交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目清單-創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目“高速公路機(jī)電工程全生命周期管理BIM技術(shù)研究與應(yīng)用”（2021-ZD2-052）。

何蘭英（1985－）女，廣西桂林人，廣西交科集團(tuán)有限公司工程師，從事信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理工作。