智慧园区基础设施工程、广西百靖高速公路工程的BIM应用案例(广西百靖高速公路有限公司)

近年来,BIM技术作为一种领先的信息化手段,近年来不论在国内还是在国际上都得到了飞速的发展,其影响也越来越广泛,特别是在 “十二五”期间,国家明确提出要加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用,推动信息化标准建设,建筑施工行业迎来了信息化建设的新高潮。

本文基于BIM技术在京津中关村科技城智慧园区基础设施工程、广西百靖高速公路工程的应用实践,全面阐述和总结了BIM技术在项目中的应用过程和方法,为今后类似工程项目BIM应用提供参考。

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智慧园区基础设施工程BIM技术应用

1、项目应用概况

1.1 工程概况

京津中关村科技城智慧园区市政基础设施工程为大型市政工程领域EPC总承包项目,涉及十余个专业。建设内容主要包括:修建道路16条,全长约30km;涉及雨水、污水、给水、中水、燃气、热力、电力、电信等各类管道总长约300km;建设公园约17.4万平方米,路侧绿化约47.7万平方米,河道及水环境综合整治长度约8.8km;建设高中压调压站、热源厂、公交首末站、公共停车场,占地面积约3.9万平方米。

1.2 BIM应用必要性分析

大型基础设施工程通常具有地理跨度大、涉及专业多、地下管网排布复杂,施工作业面广、运营期工程资产管理对象分布广,问题排查与定位困难,设备、设施及供应商信息庞杂,管理难度大等特点。本项目在上述特点基础上,又有智慧运维要求[3],这一要求延长了工程信息的服务期限,强化了工程数据跨阶段传递、更新、维护的重要性。

BIM的内涵是能够连接建筑全生命期不同阶段的数据,以及它整个形成的过程和这个过程所需要的资源[4]。BIM技术能够集成设计和施工两个阶段的信息,尤其针对基础设施的综合管线工程,可以纳入管线、各类闸门、阀门的安装和供应信息,形成完整的竣工模型,接入运维管理平台,为实现智慧运维创造基础性条件。

利用BIM技术在可视化、参数化、信息化方面的优势可提高项目信息沟通效率,支持项目在环境、成本、质量、安全、进度等多方面的分析、检查和模拟,提高施工阶段的可预测性、可控性和精细化管理程度。将BIM技术全面应用于道路桥梁和综合管网等的设计、施工全过程,可大大减少设计变更和设计错误,降低潜在的施工返工风险。

由此可见,引入BIM技术对智慧园区建设是十分必要的。

2、BIM实施策划

2.1 BIM策划目的

BIM实施策划主要目的是解决以下问题:

(1)明确项目BIM应用目标和应用内容;

(2)识别项目BIM应用重点和难点;

(3)策划BIM实施流程;

(4)确认各实施阶段模型深度;

(5)落实BIM实施所需的资源;

(6)明确成员在项目中的角色和责任;

(7)分析和降低工程实施潜在风险。策划的最终成果是编制项目BIM实施工作方案。通过BIM策划,本项目建立的BIM实施架构如图1所示。

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图1项目BIM实施组织架构

项目形成了以建设单位和监理单位BIM主管为领导,EPC总承包BIM团队组织实施,BIM咨询团队提供指导,设计单位和施工单位BIM人员协作的BIM实施团队。落实了BIM技术应用领导小组和工作小组人员,及其责任分工,为项目的顺利实施提供了组织保障。BIM团队编制了项目级《BIM实施工作方案》、《BIM技术导则》等一系列项目级BIM标准,有效指导项目实施。

2.2 BIM实施目标

在BIM实施策划时,制定了如下实施目标:

(1)设计阶段:通过搭建BIM协同设计平台,形成协同设计工作模式,以提高沟通效率;通过创建BIM设计模型,并与设计交互工作,进行设计阶段BIM应用,提前发现潜在设计缺陷,克服传统设计沟通不及时、不通畅带来的弊端,以提高和优化设计成果,并为施工、运维阶段提供基础模型及属性信息。

(2)施工阶段:通过搭建BIM施工管理平台,进行项目深化设计、施工模拟、方案优化,实施项目质量安全、进度管理、人材机管理、可视化技术交底等多方面集成应用,以降低施工潜在风险、节约成本,提高现场精细化管理水平。

(3)运维阶段:通过集成设计阶段模型的属性信息和施工阶段的建造信息,形成数字化资产,接入智慧园区管理平台,用于道路、综合管线、设备设施的智慧运营管理,提高突发事件的响应速度和处理效率,降低运营成本。

2.3 BIM实施过程与主要内容

该智慧园区基础设施工程BIM实施流程可分为BIM实施策划、BIM准备工作、BIM实施、BIM应用总结四个阶段,如图2所示。

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图2 EPC项目BIM技术实施阶段与主要内容

3、BIM实施准备

BIM实施准备工作主要包括:落实BIM实施所采用的各类软、硬件资源,创建项目BIM元件库、制定通用和专用工作环境,搭建协同设计管理平台,并进行设计工作环境托管,搭建BIM施工管理平台,并对施工管理平台人员进行培训,同时编制项目级BIM标准,用于指导项目实施。

本项目采用了Bentley公司系列软件创建设计和施工模型。搭建了ProjectWise协同设计平台(图3)和4D-BIM施工管理平台(图4),并对施工现场业主方、监理方、总承包方和各施工分部进行了多次集中培训,掌握了平台使用技能。编制了多本BIM标准,指导项目顺利实施。

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图3 BIM协同设计平台图4 BIM施工管理平台

4、全生命期BIM应用

4.1 设计阶段BIM应用

创建了道路、桥梁、涵洞、雨污管线、交通工程等十余个专业BIM模型,同时运用无人机倾斜摄影技术实现工程三维实景建模。按照“模型文件—结构组装—专业分装—区域总装—项目总装”的顺序逐级装配,形成整个项目的总装模型,如图5所示。在此基础上开展了BIM可视化、碰撞检查、工程量统计以及仿真性等多种应用。

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图5项目总装模型

(1)可视化:进行了三维设计模型可视化、三维实景模型可视化、目整体漫游可视化、直观形象地展示工程全貌,使各参与方对设计方案和现场有更加准确的理解。

(2)碰撞检查:利用BIM碰撞检测功能,对项目土建专业与其他各专业之间,以及各专业内部之间,尤其是地下各类管道之间进行碰撞检测,包括硬碰撞和软碰撞(如不满足管线之间净距要求[5]),发现问题及时修改设计方案,确保管线间距满足规范要求,规避施工返工风险,提升设计品质。

(3)工程量统计:实现BIM模型工程量一键输出,提升了工程量统计效率。

(4)除上述应用外,还进行了实现了道路视距仿真分析,照明方案展示、景观方案展示与比选,及时优化设计方案。

4.2 施工阶段BIM应用

根据现场施工情况,制定了项目施工模型WBS分解原则,即道路工程按照200米一段进行划分,桥涵工程按照构件进行划分,管线工程按照井到井进行划分,其他专业模型按照单体划分。施工过程中,采用“三端一云”的方式协助施工管理,即利用PC端、网页端和移动端实现BIM模型的实时数据填报、查看。利用云平台实现项目数据的集中存储和计算分析。开展了施工方案模拟与优化、可视化技术交底、进度管理、质量与安全管理、人员材料机械管理、综合信息展示、档案管理等多方面应用。

(1)施工方案模拟与优化:传统施工方案的编制一般是基于二维图纸和施工经验,由于缺乏现场验证,其施工可行性往往无法满足实际要求,导致施工方案往往是边施工、边修改、边优化,对工期、质量和成本均产生较大影响[6]。通过BIM技术三维可视化可实现施工方案模拟和优化,直观地了解总体施工方案的重要时间节点和相关工序,清晰掌握施工过程中的难点和要点,优化施工组织设计。通过不同颜色设置,演示施工进展,如图6所示。

(2)可视化技术交底:通过移动设备可将BIM施工方案带入施工现场,如图7所示。对照现场实际情况进行可视化技术交底,极大方便了施工人员对施工方案的直观了解。

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图6施工方案模拟图7可视化技术交底

(3)进度管理:现场工作人员根据每天施工进度在移动端填报进度数据。以填报数据和施工进度计划为基础,可以选择按照计划进度或实际进度,进行施工进度模拟和进度追踪分析,发现偏差,及时采取措施纠正,如图8所示。

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图8进度填报与进度分析

(4)质量与安全管理:当管理人员(发起人)发现问题后,可直接在移动端上传图片,填写问题描述和整改要求,发送给整改人。整改人收到整改通知后,根据整改要求完成整改,并将整改情况以及整改后的照片反馈给发起人,发起人收到反馈信息后,对整改情况进行验收确认,形成“发起——整改——确认”的闭环管理。可以对质量安全问题进行定期统计,分析问题构成、专业分布情况、问题整改情况,生成分析报告发送给相关负责人,方便让对方及时、快速掌握项目整体质量、安全情况,如图9所示。

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图9质量安全问题分析图

(5)施工综合信息展示:创建了施工综合信息大屏,设置了项目位置、进度分析、安全施工天数、当前任务进度、实时问题、问题月度数量统计、问题分类统计、问题实时状态统计等八个功能模块,汇总现场重要信息,为快速科学决策提供依据,如图10所示。

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图10施工综合信息大屏

(6)其他管理:利用BIM施工管理平台,通过赋予不同人员角色和权限进行人员管理,确保工程信息安全;通过收料单、发料单、盘点单实现工程材料的严格管理;通过扫描机械设备二维码,可填报机械的台班、检查和维修情况,实现机械管理。通过人员、材料、机械的管理,可以进一步提高现场精细化管理水平。此外,还开发了档案管理功能,在平台上实现档案材料的集中存放和分类,方便查阅和管理,如技术交底、会议纪要等。

4.3 运维阶段BIM应用

根据园区顶层设计,针对基础设施的智慧运营管理指标包括:

(1)市政管网智能化监测管理率80%以上;

(2)交通诱导屏和智能停车场覆盖率100%;

(3)智能路灯覆盖率90%以上;

结合智慧运营管理要求,在施工阶段将相关构件、设备、传感器、管线的闸门和阀门等的安装位置、规格型号、尺寸、生产单位、安装单位、安装日期等信息录入施工管理平台,在竣工验收阶段形成竣工模型,进行数字化移交,并接入园区数据中心,用于道路维护、综合管线维修、设备设施管控、突发事件处置等方面园区的智慧运营管理。

5、结论与建议

5.1 结论

(1)BIM技术在本项目的应用,创新形成了协同设计、协同管理工作模式,实现了模型信息从设计阶段到施工阶段,再到运维阶段的高效传递,形成了一次BIM技术在智慧园区市政工程领域全生命期应用的重要实践,为后续类似工程应用提供参考案例。

(2)利用BIM技术在可视化、协同性、优化性、仿真性方面的优势,革新了传统设计和施工管理手段,体现了BIM技术在提高沟通效率、精细化管理、形成数字资产方面的重要作用和价值贡献。

(3)智能化是全球发展趋势,结合项目智慧运营要求,在项目策划、BIM准备工作、BIM实施等阶段均需要考虑智慧运维需求,在BIM模型创建时要增加与智慧运维相关的基础模型创建;在施工管理平台搭建时要增加与智慧运维相关的过程信息采集功能,将设计和施工阶段的基础性信息传递到运维阶段。

5.2 建议

由于BIM技术在我国建设领域应用才刚刚开始,相关配套条件还不完全成熟,虽然BIM技术在本项目的应用取得了一定应用成果,但在应用过程中也出现了BIM认识不到位、协同设计流程和协同管理流程不完善、平台之间接口不匹配等问题。为此,笔者建议在今后类似工程BIM应用时,应进一步加强BIM宣传、提高认识,完善设计阶段协同设计流程和施工阶段协同管理流程,通过二次开发进一步完善不同平台之间的数据接口等相关工作,以更好地推进BIM实施,发挥BIM在项目全生命期应用的更大价值。

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广西百靖高速公路巴更大桥工程BIM技术应用

1、工程概况

1.1

广西百靖高速公路的修建响应了国家西部大开发战略,大力发展西南纵深山区基础设施建设,是广西地区“四纵六横三支线”高速公路网的重要组成部分,对改善革命老区交通条件,增进区域经济合作往来具有重要战略意义。

1.2

巴更大桥是百靖高速公路全线唯一一座跨越既有铁路线的桥梁,桥址处属 碎屑岩区,沿线多维峰丛洼地,地质条件复杂,综合施工难度极大。桥梁主跨跨越德田铁路线,铁路通行对悬浇段施工造成干扰。施工场地狭窄,桥梁预制场地布置困难呢,T梁预制及架设施工无法依常规方法实施。 1.3大桥主要技术标准如下:

(1) 计算行车速度:100Km/h。

(2) 荷载:公路Ⅰ级。

(3) 桥宽:整体式 12.75m。

整体式 0.5m(护栏) 11.75m(净桥面) 0.5m(护栏) = 12.75m。

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图1 巴更大桥桥型布置图

桥孔布置为:6×30 5×30 5×30 (35 60 35) 30m,全桥共分5联,跨铁路段采用(35 60 35)m单箱单室截面预应力混凝土连续箱梁钢构体系,挂篮悬臂浇筑施工;其余采用30m装配式预应力混凝土连续T梁,先简支后结构连续体系。

巴更大桥全桥混凝土总圬工约2.2万方;钢筋约为3500吨,土石方开挖约6200方。桥梁施工过程结构体系转换多、桥梁施工步骤多、质量控制因素多、控制难度大。

2、BIM技术引进及软件配置

2.1

在巴更大桥建设施工管理过程中引进BIM技术,并推行以BIM技术为核心的综合项目管理方法,依托ProjectWise协同管理平台,系统管理员根据各专业分工建立库文件,项目BIM人员在施工前完成巴更大桥信息模型的搭建,并且在施工过程中不断录入施工过程追溯性信息。业主、监理、设计院、施工单位可在PW平台随时查看、处理权限内允许查看的项目进度、施工情况、信息反馈等内容;

2.2

公司采用Bentley公司BIM解决方案,以MicroStation作为基础设计平台,应用AECOsim Building Designer、BridgeMaster、GEOPAK等专业模块建立三维模型,采用ProjectWise作为数据管理平台,托管项目工作环境并实现数据协同共享;采用Navigator软件进行模型发布及碰撞校验,对大型项目模型轻量化处理。通过各软件的功能实现本工程的BIM建模、工程应用等工作。

2.3

建模前期统一建模标准,建立项目级workspace,利用AECOsim Building Designer的Family DataGroup数据结构定义桥梁构件对象,并为模型定制符合施工需要的必要属性信息。

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图2 利用AecoSim Building Designer的Family DataGroup数据结构定义桥梁构件对象

2.4

利用AECOsim Building Designer工具集中建筑系列工具Parametric Cell Studio(PCS)工具建立参数化桥梁构件,实现桥梁下部结构参数化建模。

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图3 利用PCS建立桥梁参数化构件

2.5

利用ProjectWise协同平台(PW平台)固化统一建模标准,并做为协同平台整合发布数据信息。在PW平台中建立项目管理信息数据库,随施工过程推进建立施工过程管理档案,实现施工过程动态管理。

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图4 利用PW平台建立项目管理档案

3、BIM实施准备

巴更大桥建设过程中,对传统项目部人员组织架构形式及工作流程进行了较大程度的变革,除设置工程管理项目经理负责对工程施工管理实施之外另设置BIM技术应用经理一名,负责BIM技术在本项目施工管理过程中的开展及应用,并增设BIM小组作为“四部一室”的连接纽带。传统“四部一室”为执行层,提出施工管理及BIM技术应用需求,BIM小组为“四部一室”进行施工管理提供必要数据信息支持。

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图5巴更大桥BIM团队组织架构

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图6通过BIM模型协同施工各参与方

4、BIM技术应用

4.1建立三维地面模型及施工场地布置

施工现场采用GPS测量施工线路的地形坐标信息,根据现场勘测结果,利用GEOPAK软件提取测绘数据信息,如DWG、DGN格式的高程、等高线、坐标等数据。模型涵盖了坐标、高程、洼地、地面起伏等施工难以控制的地理特征。GEOPAK提供了方便的数据读取功能,通过生成的数字地面模型(DTM)可以进行土方开挖的设计、算量等。本工程地处峰丛洼地,高边坡开挖、高填方施工段比较多,在GEOPAK软件的中,通过开挖前后的测量数据生成地模,通过地模相对地模的方法能精确地计算出土方开挖量、回填量、平衡量。极大的方便了施工规划及路基开挖、回填施工算量。

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图7巴更大桥施工段三维地面模型

由于巴更大桥所处的地理特征原因,施工现场各类设施布置十分困难,本项目利用三维数字地面模型进行施工总平面布置,设计多套布置方案,根据现场地形情况及方案比选结果确定在桥梁1#墩~7#墩左侧设置预制梁场,在桥梁10#~14#墩右侧设置项目部办公大临区、钢筋加工场及木工棚,此种布置方案最为方便经济,并且可以减少耕地占用面积。

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图8施工场地布置

4.2深化设计

4.2.1 T梁模板设计

本工程主桥采用预应力钢筋混凝土T型梁,由于制作要求精度高,且横截面形式多变,综合多方面考虑,T梁制作采用定型钢模版,钢模板的拼接采用多段式,为了便于横坡调整,采用可调整的支撑螺杆来实现翼缘板的坡度。本工程考虑到T梁制作工艺的关键性,为保证施工质量,采用Bentley公司的MicroStation软件对T梁定型钢模板进行深化设计,模板构件采用定型化,对面板、背筋槽钢、模板支架、横坡调整支撑螺杆、横隔板等建立构建模型,模型精准,且结构合理。模板制作加工准确,且符合规范要求模板平整度,减少制作误差。

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图9 T梁模板设计模型

4.2.2 T梁提升站结构设计

山岭地区的T梁运输是本工程的施工难点之一,由于地形复杂常规运输车辆无法运梁,故本工程采用AECOsim Building Designer软件进行方案设计,在梁场与桥梁墩柱之间采用一种垂直运梁的提升站方式进行施工。成功解决了预制梁场场地狭小、周边地形情况复杂情况下的T梁运输问题。提升站的架体采用钢结构拼装而成,通过AECOsim软件的结构设计模块,可以方便快捷的调取钢结构材料构件,如工字钢、槽钢、角钢等型材,另外可以自定义添加特殊的节点构件。

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图10 提升站模型设计

根据现场实际情况,通过BIM方案模拟,在方案设计阶段发现提升架的宽度宽于梁板吊装孔的宽度,为解决此施工问题,BIM人员利用AECOsim软件设计添加在T梁两端用于垂直起吊的提梁扁担。通过精细化建模,并动画模拟钢丝绳穿过吊装孔、牢牢套住T梁的两端并将钢丝绳两端与钢扁担连接、插销子固定的施工过程,确保T梁平稳提升,解决了提升站提升架梁的技术难题。

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图11 T梁提升前

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图12 扁担梁侧视图

4.2.3 安全防护设计

本工程跨铁路线施工段采用悬浇施工法,悬浇段0#块施工时,由于施工高度距离地面30多米,安全施工是确保工程顺利进行的前提条件,本项目利用BIM技术对0#块采用三维建模手段,合理设计了施工平台及防护栏杆、临时施工楼梯的空间布置,并验算符合安全要求。

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图13 0#块安全防护设计

跨越铁路线桥梁施工段为避免对列车行驶造成干扰,同时避免铁路接触网高压电压(2.75万伏)对挂篮施工的影响,确保通车及施工安全。本项目通过BIM技术设计在跨线区域设置沿铁路线的安全防护棚,对铁路线路实现封闭式防护。防护棚采用混凝土基础、钢管支撑柱,顶棚设置绝缘材料,充分保障了施工及通行安全。

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图14 跨铁路线悬浇段安全防护棚设计

4.3施工工序模拟

施工模拟主要表现工序及工艺两方面,为保证工程质量,本工程以BIM技术为依托,采用工序、工艺模拟施工进行三维技术交底,利用MicroStation软件的三维可视化功能进行三维动画模拟。由于T梁制作工艺复杂,而且T梁的质量好坏直接影响桥梁结构稳定性、安全性和美观性,故T梁制作质量控制需做到精细化;架桥机架梁施工是本工程质量控制的重点,提高T梁架设精度、架桥机行走移动的安全控制等,通过BIM技术将工程施工中可预见的和不可预见的进行三维施工模拟,为项目提供了极大的技术支持。

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图15 T梁预制施工模拟

动画模拟是通过模型元素得以实现的,模型建立采用AECOsim软件,首先通过三维精确定位来确定模型相对位置关系,再建立预制梁场、龙门吊、天车、T梁、模板、桥台、墩柱、架桥机等三维模型。T梁钢筋模型采用ProStructures软件完成钢筋的布置。当各素材文件建立完成后进行动画编辑。MicroStation提供了一套完整的动画编辑器,通过简单的操作可以实现动画制作效果。本工程根据施工工艺及工序定义素材角色,利用关键帧编辑角色动画时长。动画编辑完成后,可通过软件的输出功能,直接输出视频,也可渲染输出图片序列,通过第三方软件生成视频效果。

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图16 架桥机架梁施工模拟

通过三维施工模拟,颠覆了施工现场传统的纸面交底,交底内容更丰富且形象直观,并且不同作业层都可以明确质量控制要点及工序安排。从项目管理角度来讲,施工工序模拟能提前预演施工方案的可行性,并以三维模型指导施工作业,检查分析现场质量偏差,合理控制施工进度,提出改进措施。

4.4工程量统计

本项目桥梁采用BridgeMaster软件建立模型,通过信息模型,巴更大桥施工实现了材料量精确控制、材料预提、过程控制、结算等方面全部在BIM信息模型基础上进行。模型搭建完成后,即可实现工程量输出。

在施工管理过程中可以通过模型信息处理,对钢筋进行编号,钢筋报表控制材料进场量,减少浪费及材料过载堆放,钢筋下料、制作可以根据数据库实现精确施工。混凝土材料量统计精准高效,施工前输出即将浇筑部位混凝土量,合理计划每次浇筑方量,避免不必要的材料损耗。

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图17 生成钢筋下料表

在经营算量方面实现了快速提取、快速输出工程量清单,包含工程量、供货方、施工方、进场日期、施工日期、型号等,清单内容详细且与工程联系紧密,形成了系统化的数据库,有助于项目风险管理、外包采购管理、沟通协调管理等多方面。

4.5基于BIM模型的施工过程质量验收管理

在巴更大桥施工中,我公司发挥BIM技术优势全过程采用信息化管理模式。以BIM模型为数据信息载体,三维模型整合集成施工管理必要信息,最终发布在ProjectWise服务器,项目参建方依据各自权限,实时调用信息模型,提取信息。通过PW平台,保证“一个模型,各方通用”,从而确保施工信息传递的一致性,实现高效协同作业。

在每一部位施工之前,先由BIM小组利用BIM建模软件根据施工图纸建立BIM模型,建模过程中施工图数据信息就集成于三维模型中,并且还可以根据施工需要,很方便的为桥梁施工部位定制添加各类施工信息。施工员可以利用模型生成构件信息表,甚至可以很方便的利用手机、IPAD等便携设备现场调用模型,便可查阅施工信息,不用翻阅繁琐的施工图纸,从而提高工作效率,避免误查、漏查等情况的发生。

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图18施工图数据集成于三维模型中

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图19利用IPAD等手持设备现场调用模型

构件施工完成后,利用模型超链接功能,对施工过程中如钢筋、混凝土批次、施工时间、工序验收信息追溯性信息进行二次录入,对每一个施工部位进行标签化管理,建立构件施工过程管理档案,实现了施工过程动态管理,每个施工环节都可以追溯,当施工出现质量问题时,极大的方便了分析查找问题原因,切实提高施工质量。

5、BIM应用效果和经济效益分析

本项目通过BIM技术的应用,对构件进行了优化设计,项目实施全过程通过模型属性信息进行管理,改变了传统的管理模式,从而提高了项目施工效率,节约了大量施工成本。并对构件采用cell单元库管理模式,形成了系统的数据库文件,方便模型调取。

BIM技术可以为项目提出最佳的优化设计解决方案,通过模拟施工、精确算量,为项目决策层提供可靠地技术依据,本项目仅在巴更大桥T梁垂直提升架设一项上,节省经济效益15万元,工期缩短56天。

本项目以BIM技术为依托,其中盖梁施工、一种山区桥梁梁体模板、养护喷淋系统、挂篮移位装置、跨铁路防电棚等获得了六项专利授权;“山岭地区复杂地质高速公路工程综合技术研究与应用”荣获2013年度中国施工企业管理协会科学技术奖科技创新成果二等奖;“大型桥梁盖梁抱箍法施工”获得了冶金行业部级工法。

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