基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺在軌道交通崇明線工程中的應用

王建國，李祥坤，朱春暉

(上海隧道工程有限公司,上海 200082)

0 引言

在建筑業(yè)應用日趨廣泛的BIM技術,用來提高工程建設的管理水平是非常合適的解決方案[1]。上海軌道交通建設領域已涌現(xiàn)出大量基于BIM技術的管理軟件和平臺,如城市軌道交通工程智慧工地管理平臺[2]基于BIM的智慧工地系統(tǒng)的開發(fā)與應用[3],實現(xiàn)“人機料法環(huán)”五大要素的精細化管理,達到提質(zhì)增效的目標。深基坑管控平臺和施工規(guī)程控制系統(tǒng)[4-6]等系統(tǒng)在工程項目上進行了大量的實踐應用,規(guī)范了工程施工行為,提升了工程施工和風險管理的效率,實現(xiàn)了工程施工智能管理。相關平臺和系統(tǒng)應用效果良好,并得到業(yè)內(nèi)的一致認可。

目前,工程建設領域存在來自多方面的數(shù)字化監(jiān)管平臺和系統(tǒng),大多數(shù)平臺和系統(tǒng)有一定專屬性,具有自上而下的管控型特點[7]。各監(jiān)管平臺和系統(tǒng)之間存在相對孤立、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一及監(jiān)管信息重疊部分較多等問題。加重了施工一線人員的信息填報工作量,造成了工程建設成本的增加[8]。本文結(jié)合工程數(shù)字化建設的現(xiàn)狀和需求,上海軌道交通崇明線越江段項目在基坑施工階段融合了現(xiàn)有各方面監(jiān)管的數(shù)字平臺和系統(tǒng),構(gòu)建了基于BIM的以工程項目為中心的工程級數(shù)據(jù)集成平臺,實現(xiàn)了各方監(jiān)管平臺對工程項目的反饋服務,為工程現(xiàn)場管理層提供準確、全面的工程數(shù)據(jù)支撐,可為今后類似工程提供先行示范經(jīng)驗。

1 基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺簡介

基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺依托上海市軌道交通崇明線越江段基坑工程開發(fā),項目部根據(jù)工程建設實際情況,主要融合了城市軌道交通工程智慧工地、深基坑工程管控平臺[9]、施工規(guī)程控制系統(tǒng)、公司OA系統(tǒng)等系統(tǒng)。在梳理和分析了現(xiàn)有相關系統(tǒng)或平臺的數(shù)據(jù)庫清單構(gòu)成后,結(jié)合項目現(xiàn)場施工管理的需要,確定了軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺的數(shù)據(jù)庫清單?；庸こ虜?shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)庫清單的數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)來源

軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺可實時動態(tài)展示各工序工藝施工方案審批狀態(tài)、“人-機-料”管理和全過程信息記錄、工程施工進展實時動態(tài)展示和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能;實現(xiàn)了各方監(jiān)管平臺和系統(tǒng)對工程項目的反饋服務,提升了工程建設項目數(shù)字化管理水平;完成了工程數(shù)據(jù)集成的初步整合和分析應用,增強了工程項目建設現(xiàn)場管理能力。圖1為軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺展示主界面。

2 BIM模型的構(gòu)建

2.1 三維“地質(zhì)-結(jié)構(gòu)”模型

基坑主體BIM模型包含基坑圍護、支撐、土方劃分、工程測點、內(nèi)部結(jié)構(gòu),以及降水井、工程樁等內(nèi)容[10]。為有效展示基坑周邊現(xiàn)場環(huán)境,基于實際施工情況,對于圍護施工階段和基坑開挖階段分別建立施工場布模型。實現(xiàn)三維地質(zhì)土層模型、基坑主體與周邊環(huán)境(場布模型)統(tǒng)一展示[11]。由于BIM模型構(gòu)件較為復雜,對模型可見樹進行了分類優(yōu)化,實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)樹控制顯示及隱藏功能。圖2為軌道交通崇明越江段基坑工程主體結(jié)構(gòu)BIM模型。

2.2 BIM模型信息關聯(lián)

為了實現(xiàn)基坑工程主體結(jié)構(gòu)BIM模型的多參數(shù)融合報警機制,項目將基坑構(gòu)件與施工信息進行匹配,并在模型上或者通過系統(tǒng)算法進行關聯(lián)設置[12]。在系統(tǒng)應用過程中,主要針對基坑主體模型進行土體開挖、支撐架設、墊層底板施工、結(jié)構(gòu)施工、拆支撐等施工工況的三維模擬。其中,土體開挖和底板施工工況參與基坑風險預警計算[13]。

為了方便施工信息的輸入與對應,深基坑管控平臺內(nèi)專門增加結(jié)構(gòu)施工、土體開挖及支撐拆除等工況的輸入以及顯示功能,并為軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)提供指定日期的工況數(shù)據(jù)接口?；邮┕すr可按時間進行回溯查看,實現(xiàn)三維可視化顯示,方便一線工程管理人員的歷史施工信息提取。圖3為軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺回溯查詢界面。

3 數(shù)據(jù)平臺的功能展示與整合應用

上海軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺主要融合了城市軌道交通工程智慧工地、深基坑工程管控平臺、施工規(guī)程控制系統(tǒng)、公司OA系統(tǒng)等系統(tǒng)。項目現(xiàn)場管理人員可通過平臺三維可視化模型了解工程當前進展情況和風險狀態(tài);通過調(diào)用各相關專業(yè)平臺和系統(tǒng)可按時間回溯各工序工藝全過程施工詳情;基坑土方開挖效率評估分析是基于深基坑管控平臺與本工程數(shù)據(jù)集成平臺的一項數(shù)據(jù)整合應用嘗試,工程應用效果良好。

3.1 構(gòu)件信息調(diào)用與展示

施工規(guī)程控制系統(tǒng)和深基坑管控平臺提供圍護、工程樁、支撐、降水井、結(jié)構(gòu)等工序過程管理和施工信息的數(shù)據(jù)接口,用于軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺調(diào)用顯示。在基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺上,點擊基坑主體模型上降水井、支撐、結(jié)構(gòu)及圍護、工程樁等構(gòu)件,即可彈窗顯示該構(gòu)件的工程及施工相關信息。圖4為圍護構(gòu)件詳細施工信息界面。

3.2 工程監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示

深基坑工程管控平臺提供了監(jiān)測項數(shù)據(jù)和分析曲線的相關數(shù)據(jù)接口,用于軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺調(diào)用顯示,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關分析曲線的展示。圖5為基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)總體評價界面。

3.3 工程風險分級預警及詳情展示

深基坑工程管控平臺提供的風險預警數(shù)據(jù)接口,用于軌道交通崇明線基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺調(diào)用顯示,從而實現(xiàn)利用BIM與數(shù)據(jù)融合技術的風險預警功能。圖6為基坑工程預警信息列表界面。

3.4 基坑土方開挖效率評估與展示[14]

通過對深基坑管控平臺數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有上海軌道交通基坑土方開挖施工信息進行統(tǒng)計分析,計算基坑土方開挖效率,形成了一套主體基坑土方開挖效率評估方法[15]。系統(tǒng)將當前基坑土方開挖情況與深基坑管控平臺數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)進行比較,評估當前基坑土方開挖效率,并通過數(shù)據(jù)集成平臺進行實時動態(tài)的三維展示[16],幫助工程現(xiàn)場管理人員決策施工。該方法在本工程基坑土方開挖施工中得到首次應用,并取得了良好的效果。圖7顯示了基坑第5層土開挖階段時基坑工程土方開挖工況詳情界面。

4 基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺在項目實際中的應用

數(shù)據(jù)集成平臺的建設依托于崇明線108標1號大小盾構(gòu)轉(zhuǎn)換段基坑工程全過程施工。在本次集成平臺草創(chuàng)過程中,主要著眼于轉(zhuǎn)換段基坑地下連續(xù)墻施工、樁基及地基加固施工、降水井施工、土方開挖施工及結(jié)構(gòu)回筑施工等工序的工藝細節(jié)和進度情況,兼顧人、機、料進出場情況、監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)及現(xiàn)場監(jiān)控等物聯(lián)信息,同時基于基坑實時BIM模型開發(fā)了質(zhì)量、安全及文明施工線上檢查等其他功能。

4.1 全過程工序工藝管理

在基坑轉(zhuǎn)換段各工序施工過程中,數(shù)據(jù)集成平臺所鏈接的施工規(guī)程控制系統(tǒng)提供了工序全流程工藝管理可供現(xiàn)場施工管理人員填報[17],以轉(zhuǎn)換段基坑地下連續(xù)墻施工為例。

施工現(xiàn)場管理人員在工序開始前將按照不同崗位,分別確定工序填寫項目。圖8顯示了施工規(guī)程控制系統(tǒng)地下連續(xù)墻工藝全工序數(shù)據(jù)采集界面。

以轉(zhuǎn)換段基坑工程為例,選定施工員兩人填寫“混凝土澆筑控制”和“鎖扣管(反力箱)起拔”模塊,填寫內(nèi)容為工序起止時間,混凝土澆筑方量、批次及坍落度等現(xiàn)場施工類信息。圖9,圖10顯示了地下連續(xù)墻工藝中“混凝土澆筑控制”和“鎖扣管(反力箱)起拔”工序填報詳細界面。其余工序模塊中涉及工序質(zhì)量、安全控制及材料、設備管理的信息的填寫亦如上。

施工規(guī)程控制系統(tǒng)內(nèi)填報的信息在數(shù)據(jù)集成平臺開發(fā)之前,全部上傳到分公司數(shù)據(jù)管理平臺上,施工一線接收到平臺的反饋是通過傳統(tǒng)管理鏈路實現(xiàn)的,這就導致一線管理人員對于現(xiàn)場施工工序質(zhì)量控制管理行為的改善是滯后的,需要先將數(shù)據(jù)上傳,然后再等待上級職能部門的逐級反饋,該過程不但煩瑣,而且缺乏必要性。數(shù)據(jù)集成平臺則是獨立于原有平臺管理路徑,將現(xiàn)場數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計結(jié)果直接向一線管理人員展示。平臺在二級界面直接展示質(zhì)量控制信息,例如“地下連續(xù)墻混凝土澆筑充盈系數(shù)曲線”模塊,通過簡單的曲線圖,可以向一線管理人員直觀顯示本階段混凝土澆筑質(zhì)量情況,警示現(xiàn)場管理是否需要加強工藝控制力度或是優(yōu)化工藝流程。圖11顯示了數(shù)據(jù)集成平臺的“混凝土澆筑充盈系數(shù)曲線”模塊。

4.2 全過程可視化數(shù)據(jù)回溯展示

在轉(zhuǎn)換段基坑施工過程中,平臺的“全過程可視化數(shù)據(jù)回溯展示”功能主要服務于施工現(xiàn)場進度管控和質(zhì)量安全現(xiàn)場巡查。該功能依托于轉(zhuǎn)換段本體及場布模型實現(xiàn)[18]。

在以往的項目建設過程中,場布模型往往只是單純作為美觀展示使用,這無疑是對三維模型資源的錯配[19]。因此,本平臺使用了“圖釘”功能,并將之與場布及本體三維模型結(jié)合。在實際使用中,通過現(xiàn)場巡視人員可以對現(xiàn)場安全及文明施工問題“拍照定釘”,這種模式的好處是可以充分利用場布模型精準還原施工現(xiàn)場的特點,將施工現(xiàn)場在何處發(fā)現(xiàn)問題直接體現(xiàn)在模型中,以此找到現(xiàn)場安全管理的重點和漏洞,并可以按照當前現(xiàn)場安全及文明施工管理現(xiàn)狀積極調(diào)整管理措施,盤活現(xiàn)場安全管理態(tài)勢。

針對每道工序的質(zhì)量驗收,通過質(zhì)量問題“拍照定釘”及模型查詢回溯功能的結(jié)合使用,特別是可在模型上批量展示同道工序、不同部位的質(zhì)量狀況。

在轉(zhuǎn)換段側(cè)墻施工過程中,現(xiàn)場管理人員通過平臺回溯,發(fā)現(xiàn)已多次對結(jié)構(gòu)不同位置側(cè)墻的表觀質(zhì)量問題“定釘”,以此為依據(jù),主動調(diào)整質(zhì)量控制要點,對作業(yè)班組進行二次技術交底,在之后的側(cè)墻施工中明顯改善了墻體混凝土澆筑的表觀質(zhì)量。圖12顯示了“拍照定釘”功能的操作頁面。

4.3 全過程風險預警功能實現(xiàn)

施工過程中的風險控制對工程的順利完工非常重要[20],以1號大小盾構(gòu)轉(zhuǎn)換段土方開挖工序施工全過程為例,介紹平臺全過程風險預警功能的實現(xiàn)路徑。

以往的項目風險管控中,僅僅通過現(xiàn)場監(jiān)測報表與單一BIM模型結(jié)合分析,模型一經(jīng)建成,不可更改,這種形式的風險預警與現(xiàn)場實際不符,參考價值不高。而通過平臺中的模型“土體分塊”功能,則直接在模型中還原了每一天的土方開挖狀態(tài)。

通過轉(zhuǎn)換段本體、地質(zhì)及土體分塊三種BIM模型的結(jié)合,在轉(zhuǎn)換段基坑土方開挖施工中,做到了施工現(xiàn)場土方開挖進度在BIM模型上以半天為單位準確展現(xiàn),項目使用“深基坑工程管控平臺”填報,人工點選土方分塊。圖13顯示了“點選土方分塊”功能的操作頁面。

同時,在監(jiān)測單位出具監(jiān)測報表后,以人工填報形式,輸入“深基坑工程管控平臺”,并與此時的BIM土體模型結(jié)合分析,生成風險預警,如圖6所示。

5 結(jié)論

基坑工程數(shù)據(jù)集成平臺融合了上海軌道交通建設領域現(xiàn)有相關數(shù)字化監(jiān)管平臺和系統(tǒng),依托崇明線108標1號大小盾構(gòu)轉(zhuǎn)換段全過程施工,實現(xiàn)了以工程項目為中心的工程級數(shù)據(jù)集成平臺在軌道交通崇明線基坑工程中的應用。工程應用效果良好,初步達到了各方監(jiān)管平臺對工程項目本身的反饋服務,進一步提升了工程項目建造效率和管理水平,可為今后工程項目建設數(shù)字化管理提供先行示范經(jīng)驗。工程應用結(jié)論如下:

1)本平臺通過對公司已有平臺數(shù)據(jù)的截取及組合展示,在不增加一線填報人員工作量的基礎上,為項目部層級提供了可視化的詳細施工工藝記錄,為一線管理人員自主調(diào)整總結(jié)施工工藝技術的不足提供了可能,給予了施工現(xiàn)場技術管理更多的靈活性。

2)通過“圖釘”功能、施工現(xiàn)場監(jiān)測記錄自動上傳以及平臺再整合,實現(xiàn)了基于BIM的基坑工程施工全過程動態(tài)可視化展示和數(shù)據(jù)查詢回溯的功能,解決了現(xiàn)場管理行為滯后的痛點,提高了現(xiàn)場安全、質(zhì)量及文明施工管理能效。

3)通過對轉(zhuǎn)換段土體模型優(yōu)化及再分割,基本實現(xiàn)基坑“線上線下同步開挖”,為基坑開挖全過程風險預警的實現(xiàn),提供了現(xiàn)實基礎。