胡忠華，余暉，鄭忠波，王海東

（1.浙江省建投交通基礎(chǔ)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012；2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750004；3.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

在全球科技進(jìn)步的浪潮下，建筑行業(yè)作為經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅(jiān)持科技創(chuàng)新。而施工階段作為橋梁工程全生命周期中最為復(fù)雜和重要的部分，在其安全、質(zhì)量、進(jìn)度、技術(shù)、投資等方面的管理手段也需要與時(shí)俱進(jìn)，否則在面對(duì)復(fù)雜和工程量巨大的工程項(xiàng)目時(shí)，存在傳統(tǒng)管理模式無法適應(yīng)新環(huán)境下發(fā)展需求的問題。

科學(xué)技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展，對(duì)我國建筑業(yè)的信息化提出了更高的要求[1]。各個(gè)參建單位之間信息孤島問題有待解決，溝通效率有待提高，以避免不必要的資源浪費(fèi)[2]。因此，高效管理和運(yùn)用項(xiàng)目實(shí)施過程中產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)并使得參建方有效協(xié)同是施工管理的重要目標(biāo)。BIM技術(shù)因其可視化、模擬性、信息化的特質(zhì)，能夠很好地進(jìn)行4D施工模擬和信息數(shù)據(jù)管理，而現(xiàn)階段還鮮有標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的施工管理平臺(tái)投入應(yīng)用。

鑒于此，本文自主研發(fā)了基于BIM技術(shù)的施工管理系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際中，解決了信息失真和傳輸延遲的問題，避免了信息孤島問題的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了施工過程信息數(shù)據(jù)的集成化管理并輔助降低了橋梁建設(shè)中的成本和風(fēng)險(xiǎn)，為橋梁工程施工管理的可視化、協(xié)同化及精細(xì)化提供了參考范例，并推動(dòng)了橋梁建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)也拓展了BIM技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，深化了其信息化特性在施工階段數(shù)據(jù)信息管理中的作用。

1 基于BIM的施工管理系統(tǒng)開發(fā)

通過對(duì)橋梁工程參數(shù)化建模方法的研究，將BIM模型與施工管理系統(tǒng)搭接，進(jìn)行管理系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊的精細(xì)化設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)基于BIM技術(shù)特性對(duì)施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化、協(xié)同化管理，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的分布式整理，將分散的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行邏輯統(tǒng)一化，并將統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫用于各方信息交互共享，為信息管理系統(tǒng)研究提供了范例。

1.1 反演預(yù)測(cè)方法

針對(duì)橋梁工程中異型結(jié)構(gòu)較多，需要進(jìn)行各類模型、模塊的拼接且考慮橫坡、縱坡的情況，大部分相關(guān)BIM軟件的存儲(chǔ)文件格式不一致，而Bentley平臺(tái)系列軟件均使用DGN格式[3]，因此，基于Bentley平臺(tái)開展異型結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模研究，如鋼拱結(jié)構(gòu)段的參數(shù)化建模方法，將BIM模型作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依托和信息管理主體，從而提高建模精度和建模效率。

圖1所示為復(fù)雜結(jié)構(gòu)異型鋼拱的BIM模型，本文提出了參數(shù)化建模方法如下：

（1）將參數(shù)化坐標(biāo)X,Y,Z導(dǎo)入MicroStation生成坐標(biāo)點(diǎn)，部分坐標(biāo)如表1所示，導(dǎo)入后通過四點(diǎn)同平面原則自動(dòng)化檢測(cè)坐標(biāo)值的有效性和準(zhǔn)確性。

表1 某鋼拱結(jié)構(gòu)段部分坐標(biāo)值

（2）依據(jù)坐標(biāo)值生成BIM結(jié)構(gòu)，在實(shí)體結(jié)構(gòu)上繪制橫隔板截面，運(yùn)用布爾運(yùn)算切割生成橫隔板單體，如圖1（a）所示。

（3）標(biāo)記橫隔板單體坐標(biāo)，在每段首位兩塊橫隔板繪制加勁肋斷面，沿板間路徑放樣生成加勁肋，如圖1（b）所示。

（4）對(duì)鋼拱結(jié)構(gòu)段邊緣四點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，生成頂、底、左、右四面，應(yīng)用BIM模型簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)法生成頂、底、左、右四板得到鋼拱結(jié)構(gòu)段，完成后將各個(gè)拱段拼接得到整體鋼拱結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示。

圖1 異形鋼拱結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

建模中橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)，提高了BIM模型精細(xì)度，模型細(xì)節(jié)等級(jí)達(dá)到LOD400且可用于指導(dǎo)施工。在完成全橋模型創(chuàng)建后，將其作為施工管理系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)主體，在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)，即可實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在系統(tǒng)中的深度搭接和應(yīng)用。

1.2 施工管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)傳統(tǒng)管理模式下信息交互困難、施工質(zhì)量不易把控、項(xiàng)目工期影響因素復(fù)雜等問題，基于BIM的施工管理平臺(tái)，面向建筑施工階段，緊抓組織、過程、信息這三個(gè)要素，進(jìn)行功能架構(gòu)整體設(shè)計(jì)。技術(shù)架構(gòu)開發(fā)思路主要遵循以下五點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)信息均基于IFC進(jìn)行結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化分類存儲(chǔ)；

（2）平臺(tái)數(shù)據(jù)輕量化處理，支持大體量模型運(yùn)行與巨量數(shù)據(jù)整合；

（3）模塊化設(shè)計(jì)保證管理系統(tǒng)功能綜合全面，細(xì)分信息、技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資模塊；

（4）保證管理系統(tǒng)普及度，保證各參建單位均應(yīng)用此系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，信息互通聯(lián)動(dòng)；

（5）系統(tǒng)使用方法簡(jiǎn)化，充分使用移動(dòng)端App、模型、二維碼技術(shù)。

基于以上技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了施工管理系統(tǒng)的云端協(xié)同工作，模型的輕量化處理，以及基于WEB端的決策分析三大類功能，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、實(shí)時(shí)控制和輔助決策。

在傳統(tǒng)施工管理中，信息在交互中的流失會(huì)導(dǎo)致信息轉(zhuǎn)換率過低，基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)信息集成化管理可以使得信息統(tǒng)一化和離散信息完整[4]，在數(shù)據(jù)量過大時(shí)云端服務(wù)器可以通過并行方式將數(shù)據(jù)庫擴(kuò)增從而滿足平臺(tái)需求。施工階段的數(shù)據(jù)信息具有來源廣泛、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)格式復(fù)雜及數(shù)據(jù)更改需求頻繁四大特點(diǎn)，這些特征也增大了數(shù)據(jù)處理的難度。在完成BIM模型與系統(tǒng)平臺(tái)的對(duì)接后，使用者可隨時(shí)在移動(dòng)終端和WEB端通過模型對(duì)管理信息進(jìn)行查看并進(jìn)行授權(quán)部分的信息編輯調(diào)整，各參與方對(duì)整體施工過程信息可即時(shí)查看、即時(shí)處理和即時(shí)溝通，真正實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

1.3 施工管理平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

本平臺(tái)根據(jù)各方需求設(shè)計(jì)模塊，分別為項(xiàng)目管理、技術(shù)管理、質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度管理和投資管理，以安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資管理為重點(diǎn)模塊進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。

施工階段，為了保證項(xiàng)目在可控狀態(tài)下施工，必須以安全、質(zhì)量、進(jìn)度及投資為出發(fā)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目落地，保障業(yè)主、施工單位、監(jiān)理單位的利益。安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資四者之間既相互聯(lián)系又相互制約，既對(duì)立又統(tǒng)一。例如：在項(xiàng)目施工階段，若各方只是加強(qiáng)對(duì)安全的投入，可能會(huì)造成施工進(jìn)度延緩，投資額增加，但是施工質(zhì)量會(huì)得到保證；若各方只注重施工質(zhì)量時(shí)，不安全操作事故會(huì)減少，但是施工進(jìn)度會(huì)減慢，投資額會(huì)增加；如果在施工階段加快進(jìn)度，則可能造成施工質(zhì)量下降，安全性也可能隨之下降，投資額反而會(huì)增加。若在施工階段不合理地控制投資費(fèi)用或投資費(fèi)用不及時(shí)到位，相應(yīng)地也會(huì)造成安全、質(zhì)量、進(jìn)度大幅受損。

綜上所述，在項(xiàng)目施工階段不能偏頗地控制某一指標(biāo)，要獲得理想的結(jié)果，必須從安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資中選取平衡點(diǎn)，以滿足項(xiàng)目管理目標(biāo)。因此，施工管理平臺(tái)設(shè)計(jì)模塊主要從安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資四個(gè)方面來滿足各參建方的需求。

2 工程實(shí)例

中衛(wèi)南站黃河大橋，起點(diǎn)位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)平安西路與機(jī)場(chǎng)大道平交口處，終點(diǎn)位于黃河南岸。線路走向基本由北向南，全長(zhǎng)1.84km，雙向四車道一級(jí)公路，其中橋梁長(zhǎng)1.049km。全橋有裝配式T梁、變截面連續(xù)箱梁、鋼混組合梁、拱梁組合體系四種類型，主橋設(shè)計(jì)為跨黃河異形鋼拱和80m+120m+80m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。中衛(wèi)南站黃河大橋從整體結(jié)構(gòu)來看，不但橋型復(fù)雜，而且跨黃河流域施工風(fēng)險(xiǎn)及難度較大，交通系統(tǒng)空間關(guān)系復(fù)雜、專業(yè)眾多，施工周期緊張且進(jìn)度管控要求高，施工作業(yè)受限，技術(shù)操作復(fù)雜，多方參與的PPP投融資模式，使得項(xiàng)目協(xié)同管理難度大。

因此本項(xiàng)目擬通過BIM建模，進(jìn)行多專業(yè)設(shè)計(jì)信息整合及設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)核，保障設(shè)計(jì)質(zhì)量；通過BIM技術(shù)分析，進(jìn)行施工進(jìn)度計(jì)劃可視化模擬，驗(yàn)證進(jìn)度安排的合理性；通過BIM技術(shù)分析，進(jìn)行施工方案可視化模擬，實(shí)現(xiàn)可視化施工作業(yè)指導(dǎo)；通過BIM平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息共享和管理協(xié)同，使項(xiàng)目在質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資等方面均達(dá)到優(yōu)質(zhì)工程項(xiàng)目交付要求。

首先根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)階段圖紙進(jìn)行全線BIM參數(shù)化建模，全線BIM模型建模精度達(dá)到LOD300等級(jí)，其中大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造建模精度達(dá)到LOD400等級(jí)，如鋼梁和拱肋節(jié)段。利用高精度的BIM模型指導(dǎo)構(gòu)件加工，部分模型如圖2所示。

圖2 參數(shù)化BIM建模

依托所建參數(shù)化BIM模型進(jìn)行施工階段信息、技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資管理，其中BIM模型與管理系統(tǒng)搭接應(yīng)用主要體現(xiàn)在進(jìn)度管理和工程量可視化核算過程中。通過在橋梁BIM模型上選定指定構(gòu)件進(jìn)行信息查看，根據(jù)選中屬性欄可知相應(yīng)編號(hào)構(gòu)件的準(zhǔn)確工程量。界面菜單欄中除屬性之外，還可即時(shí)查看設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量、安全、計(jì)價(jià)及施工日志信息。

施工管理系統(tǒng)與BIM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了施工過程的可視化、信息管理的協(xié)同化以及管理的動(dòng)態(tài)化。各參與方在系統(tǒng)中進(jìn)行工程信息共享，可就整個(gè)施工流程中出現(xiàn)的問題及時(shí)溝通協(xié)調(diào)，保證了施工過程中數(shù)據(jù)、信息的高效流轉(zhuǎn)和運(yùn)用。

3 結(jié)語

本文研究了復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)BIM參數(shù)化建模方法，對(duì)施工管理系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，基于BIM技術(shù)研發(fā)了施工管理系統(tǒng)并將其應(yīng)用于橋梁工程中。通過此系統(tǒng)在工程實(shí)例中的應(yīng)用，驗(yàn)證了管理系統(tǒng)的有效性以及其相對(duì)于傳統(tǒng)管理模式的可視化、協(xié)同化、動(dòng)態(tài)化優(yōu)勢(shì)，證明了該管理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

此外，通過BIM技術(shù)在管理系統(tǒng)研發(fā)中的應(yīng)用，拓寬了此技術(shù)的研究范圍，同時(shí)也為新技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用提供了范例和參考。