蔣鵬程，劉澤宏，莫崇杰，劉占省

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510610； 2.北京工業(yè)大學，北京 100124)

0 引言

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟中不可或缺的一部分，直接關(guān)系到大量勞動力就業(yè)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展[1]。自2016年《國務院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》印發(fā)以來，以裝配式建筑為代表的新型建筑工業(yè)化快速推進，建造水平、建筑品質(zhì)明顯提高。2020年住房和城鄉(xiāng)建設部等九部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》，提出加快信息技術(shù)融合發(fā)展，大力推廣BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展智能建造。Lilia Potseluyko等[2]將建筑信息模型(BIM)和擴展現(xiàn)實(XR)技術(shù)應用在現(xiàn)實木結(jié)構(gòu)自建住宅領(lǐng)域，提供全面的簡化BIM系統(tǒng)。鄭文陽等[3-4]提出BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維掃描技術(shù)、智能裝備和建筑機器人在土木工程施工中的綜合應用。

1 工程概況

新建長沙西站項目總建筑面積40萬m2，建筑地下2層、地上2層，局部夾層，建筑高度48m。站臺規(guī)模為12臺22線，其中含常益長高鐵場6臺11線，長株潭城際場6臺11線，站臺長450m、寬12～18m，該工程主體結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼桁架結(jié)構(gòu)屋蓋的混合框架結(jié)構(gòu)體系。

2 施工難點

1)本工程體量大，工期管理難度較大，施工任務重，疫情防控形勢嚴峻，增加工程進度壓力。

2)項目建設要求高，綜合協(xié)調(diào)及管理各分包單位難度大，難以保證現(xiàn)場施工效率。

3)基于信息化、BIM技術(shù)，對關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)難度大，本項目需推廣新技術(shù)、新材料、新工藝、新設備，將技術(shù)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

4)鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量大，施工穿插管理難度高。

3 基于BIM的智能建造技術(shù)應用

3.1 BIM技術(shù)的應用

3.1.1BIM的基礎應用

BIM可具體應用于模型建立、圖紙會審、場地布置、方案交底、進度管理、砌體排布、深化設計、管線綜合中。BIM模型最大的特點是將工程項目所有信息集成在完整模型中，并能很好地兼容其他軟件系統(tǒng)，為工程建設提供數(shù)據(jù)支撐和信息保障。在項目設計階段可進行模型建立、深化設計、管線綜合，在招投標階段可統(tǒng)計工程量，在施工階段可進行場地布置、進度管理、砌體排布、方案交底等，在建筑全生命期中，BIM可發(fā)揮作用以提高施工效率。

3.1.2基于BIM的施工深化設計應用

利用BIM的信息集成、可視化特點，可直接對項目進行三維深化設計，通過基于BIM的深化設計后，大大降低專業(yè)間模型設計的交錯碰撞，同時可利用BIM模型開展各專業(yè)施工方案、施工順序討論，以便直觀、清晰地發(fā)現(xiàn)施工中可能產(chǎn)生的問題，并提前解決，從而大量減少施工過程中的糾紛、誤差，為數(shù)字化加工、數(shù)字建造打下基礎。BIM深化應用如圖1所示。

圖1 BIM深化應用

3.1.3基于BIM的混凝土結(jié)構(gòu)深化設計

混凝土結(jié)構(gòu)深化設計包括完成混凝土結(jié)構(gòu)所需的模板、鋼筋及腳手架工作，直接利用BIM進行三維深化，本項目存在異形混凝土結(jié)構(gòu)，首先確保模板排架定位準確、搭設規(guī)范，因此在設計模型基礎上需充分利用BIM的信息功能，可很好地表現(xiàn)異形構(gòu)件的幾何屬性特點，且基于BIM的模板定制排布，能精準出具模板定位和加工圖，保證模板深化設計精度與結(jié)構(gòu)設計精度高度匹配。

在混凝土結(jié)構(gòu)腳手架搭設方案中，建立腳手架三維BIM模型，利用BIM軟件驗算功能，驗證腳手架搭設的可靠性，通過腳手架漫游了解其布置的合理性，最終保證腳手架深化結(jié)果達到最優(yōu)。

針對鋼筋工程三維節(jié)點深化，選取鋼筋節(jié)點復雜、排布緊密的區(qū)域，建立鋼筋BIM模型，明確鋼筋具體走向、位置，從模型角度不發(fā)生碰撞，并依照深化模型出具鋼筋下料圖，提出鋼筋加工精度標準，保證鋼筋加工質(zhì)量、安裝效果。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設計如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設計

3.1.4基于BIM的機電深化設計

本項目機電系統(tǒng)種類繁多，強弱電、給排水、通風空調(diào)、鐵路四電等20多個系統(tǒng)匯聚其中，因此直接基于各專業(yè)機電模型進行機電深化設計，將機電BIM模型通過鏈接和中心模型集成等形式，對機電BIM模型內(nèi)管線、橋架、風管進行精準切分，對機電設備末端依照產(chǎn)品采購外形尺寸,建立LOD500級別的BIM模型，優(yōu)化連接頭位置，減少非標尺寸，便于機電預制化加工。

在BIM模型中深化機電管線附屬支吊架，定義管線支吊架位置、連接形式、具體尺寸，利用BIM力學計算功能進行深化校核，保證機電深化支吊架安全可靠，同時與建筑、結(jié)構(gòu)模型鏈接，提前做好基于BIM模型的預留孔洞自動化設計，避免二維設計導致的錯開、漏開及二次堵洞弊病，確保設計質(zhì)量。

3.1.5基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)工程深化設計

鋼結(jié)構(gòu)組成復雜，按照主體結(jié)構(gòu)類型，鋼結(jié)構(gòu)主要涉及鋼管混凝土柱鋼管、型鋼混凝土梁的型鋼、鋼結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)、東西站房基礎轉(zhuǎn)換梁。主體結(jié)構(gòu)主要跨度為20.5，21.5m，鋼結(jié)構(gòu)整體深化設計和加工難度大，因此采用BIM對鋼結(jié)構(gòu)進行深化設計，包括鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點形式、吊裝位置、吊裝措施等，可避免傳統(tǒng)二維鋼結(jié)構(gòu)深化對復雜節(jié)點表達不直觀、鋼結(jié)構(gòu)加工精度誤差的現(xiàn)象發(fā)生，提高整體鋼結(jié)構(gòu)深化設計水平，為鋼結(jié)構(gòu)自動化加工和現(xiàn)場拼裝質(zhì)量打下基礎。

3.2 BIM+技術(shù)的應用

智能建造中BIM是基礎，其他技術(shù)的實現(xiàn)要以BIM做支撐[5]。本項目結(jié)合BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、5G技術(shù)、三維掃描技術(shù)、無人機技術(shù)、放樣機器人技術(shù)等智能化技術(shù)，大大提高智慧工地的數(shù)字化、模型化、信息化應用[6-7]。

3.2.1BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

將BIM與物聯(lián)網(wǎng)集成應用實現(xiàn)建造各環(huán)節(jié)的信息流閉環(huán)，有機結(jié)合虛擬數(shù)字化管理與現(xiàn)實硬件。應用BIM和IoT技術(shù)進行現(xiàn)場施工檢測、材料質(zhì)量和物資設備管理，應用監(jiān)控器、傳感器及RFID技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的采集，采用RFID技術(shù)對材料進行編碼，實現(xiàn)智能化管理。

3.2.2BIM+虛擬現(xiàn)實技術(shù)

BIM結(jié)合虛擬現(xiàn)實集成應用，輔助項目生產(chǎn)成本管控。通過結(jié)合BIM和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，施工前進行虛擬場景、施工成本、施工進度、復雜局部施工方案的模擬及交互式場景漫游，通過模擬工程整個建造過程，施工前即可確定施工方案的可行性及合理性，減少或避免設計中存在的大多數(shù)錯誤，生成相應的采購方案和財務費用，高效改進施工方案。

3.2.3BIM+5G技術(shù)

基于BIM+5G全業(yè)務數(shù)字化管理模式應用，通過搭建5G基站，采用基于5G技術(shù)的BIM+智慧工地管理平臺，進行項目整體智慧建造協(xié)同管理，利用5G技術(shù)的高速率與低時延特性，以BIM模型為基礎，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)模型與現(xiàn)場，實現(xiàn)基于BIM模型的全業(yè)務數(shù)字化管理模式。

3.2.4BIM+三維掃描技術(shù)

在工程結(jié)構(gòu)封頂、機電安裝、精裝修階段，挑選重點區(qū)域應用三維激光技術(shù)，在機電安裝階段全方位精細測量梁、板、柱等位置，將建筑體1∶1三維點云模型導入BIM模型，進行施工質(zhì)量檢測、點云模型、BIM模型碰撞檢測，對比階段性施工誤差，提高測量復核工作效率及準確性，提高施工過程的精細化管理能力，同時為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理工作提供準確依據(jù)。BIM+三維掃描應用如圖3所示。

圖3 BIM+三維掃描應用

3.2.5BIM+無人機技術(shù)

通過全景航拍巡檢技術(shù)記錄和監(jiān)控施工現(xiàn)場全局，輔助場地策劃、管理，實現(xiàn)安全隱患巡檢與排查。將BIM模型與傾斜攝影逆向重構(gòu)地形模型，開展土方平衡、調(diào)整三維場布模型動態(tài)，進行進度檢查、安全隱患排查等應用。BIM+無人機應用如圖4所示。

圖4 BIM+無人機應用

3.2.6BIM+放線機器人

施工中利用BIM與智能機器人集成應用，通過整合軟件、硬件，將BIM模型通過平板電腦帶至現(xiàn)場，直接利用模型中的三維空間坐標數(shù)據(jù)驅(qū)動智能型全站儀進行點放樣，同時使用360°棱鏡反向獲取點的空間坐標，可大幅改變原始現(xiàn)場采用拉尺放線和輸入坐標的方式。二者集成應用，對比現(xiàn)場測繪所得的建造結(jié)構(gòu)信息與模型數(shù)據(jù)，核對施工環(huán)境與BIM模型間的偏差，為機電、精裝、幕墻等專業(yè)深化設計提供依據(jù)。

3.3 BIM技術(shù)全生命期鋼結(jié)構(gòu)平臺

本項目鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量大，施工穿插管理難度大，利用BIM開發(fā)基于BIM+GIS的鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺。該平臺架構(gòu)以主數(shù)據(jù)的核心，通過網(wǎng)頁交互端、移動APP端，利用數(shù)據(jù)接口自動抓取鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)分包ERP系統(tǒng)信息，集成現(xiàn)有各信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

平臺依托每根構(gòu)件模型，實現(xiàn)設計信息、加工信息、施工信息的全部階段集成，能夠以階段信息驅(qū)動BIM模型顯示，信息關(guān)聯(lián)到模型外，還有數(shù)據(jù)分析功能，能讓信息驅(qū)動BIM模型顯示或隱藏，讓分析結(jié)果一目了然，達到智慧管理與決策的目的。

利用移動端APP作為前端操作入口，同步網(wǎng)頁在輕量化平臺上查看鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點BIM模型，開展環(huán)節(jié)業(yè)務卡控和信息的添加，與生產(chǎn)管理無縫融合，進行深化、更新、維護，并管理、協(xié)調(diào)、整合專業(yè)承包單位的BIM工作。通過智能建造自動分析、控制聯(lián)動技術(shù)，結(jié)合智慧工地綜合管控、鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)智能套料、鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)、鋼結(jié)構(gòu)智能焊接、鋼結(jié)構(gòu)虛擬預拼裝等應用，開展全生命周期鋼結(jié)構(gòu)管理應用。

3.4 BIM技術(shù)綜合應用效果分析

利用BIM技術(shù)可確立工程技術(shù)規(guī)范、質(zhì)量標準、工藝流程、施工管理，對工程信息進行匯總，分析工程偏差，進一步提高工程質(zhì)量，建立工程BIM實施體系，提升項目精細化管理水平，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺共享模型信息，達到同步更新，以解決各專業(yè)、各分包商的協(xié)同問題，提高管理效率。

將BIM模型結(jié)合便攜式移動終端設備與相關(guān)配套軟件，提高工效，強化現(xiàn)場質(zhì)量安全管理，有效控制施工成本，實現(xiàn)全過程造價管理。通過項目數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)施工階段各參與方BIM數(shù)據(jù)共享，使溝通更便捷、協(xié)作更緊密、管理更有效。

在施工階段發(fā)揮BIM技術(shù)三維可視化、虛擬仿真、信息協(xié)同等功能，通過土建算量、三維模型技術(shù)交底等，更直觀地反映施工過程中遇到的技術(shù)問題，借助BIM將復雜工程可視化，利用三維模型模擬施工過程，使各專業(yè)協(xié)同工作，及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整設計以降低風險。實施施工總承包BIM管理，加強項目策劃能力，提高信息溝通效率，增強項目過程管控能力，提升項目精細化管理水平，實現(xiàn)實體工程與數(shù)字工程同步驗收，為物業(yè)運營維護服務提供幫助，實現(xiàn)工程建設收益最大化。

BIM技術(shù)可廣泛應用于建設項目全周期不同階段，推動智能建造快速發(fā)展，具有顯著的社會效益及廣闊的市場前景[8]。

4 結(jié)語

BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點。本文借助長沙西站及其相關(guān)工程，總結(jié)BIM技術(shù)的基礎應用、深化設計應用，通過結(jié)合BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、5G技術(shù)、三維掃描技術(shù)、無人機技術(shù)、放樣機器人技術(shù)等智能化技術(shù)，實現(xiàn)工程建造智能化，同時建立BIM技術(shù)全生命期鋼結(jié)構(gòu)平臺，總結(jié)BIM技術(shù)應用在大型綜合交通樞紐工程中的效果，實現(xiàn)項目建設數(shù)字化、智能化管理，提升項目進度、節(jié)約工期與成本。在未來的土木工程設計、生產(chǎn)、施工、管理運維中，以BIM技術(shù)為基礎的工程創(chuàng)新應用將發(fā)揮更大作用，推進我國土木行業(yè)智能化發(fā)展。