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        BIM+3DGIS技術集成在高速公路項目的應用

        中電建路橋集團有限公司

        BIM+3DGIS技術集成在高速公路項目的應用

        1 項目概況

        紅河州建水(個舊)至元陽高速公路項目位于云南省紅河州,連接建水縣、元陽縣與個舊市,建設里程約124.530公里。批復的設計概算投資約227.7億元,其中建安費用183.069億元,占總投資比例80.4%,平均每公里造價1.82億元。建水(個舊)至元陽高速公路計劃建設工期3年4個月,于2017年8月25日開工,2020年12月31日建成通車。

        圖1.1 項目地理位置圖

        2 BIM實施的必要性

        2.1 BIM技術的優勢

        圖2.1 BIM應用概念圖

        BIM系統其核心是通過三維設計獲得工程信息模型和幾乎所有與設計相關的設計數據,并傳遞至施工階段,持續即時地提供項目設計范圍、進度以及成本等信息,信息完整可靠,質量高并且完全協調。通過工程信息模型可以使得:

        (1)交付速度加快(節省時間);

        (2)協調性加強(減少錯誤);

        (3)成本降低(節省資金);

        (4)生產效率提高;

        (5)工作質量上升;

        (6)收益和商業機會增多;

        (7)溝通時間減少。

        2.2 BIM實施的必要性

        2.2.1 國家及地方政策要求

        2014年至2017年,交通運輸部先后7次發文要求推進“覆蓋公路建設項目管理全過程的信息系統”、“建筑信息模型(BIM)”的推廣和應用。

        圖2.2BIM技術應用政策指導

        2016年7月,云南省交通運輸廳發布的《關于在全省高速公建設項目中推行建筑信息模型(BIM)技術的通知》,文件要求在“十三五”期間,所有高速公路建設項目需全面推行BIM技術。

        2.2.2 項目評獎報優的需要

        2016年云南省住房和城鄉建設廳關于開展2016年度云南省優秀工程勘察設計獎評選工作的通知的相關要求摘錄如下:

        結合云南省工程建設和城鄉建設中心工作,在2016年度全省優秀工程勘察設計獎的評選工作中,BIM技術應用項目、鋼結構應用項目可獲優先加分,鼓勵州市縣勘察設計單位完成的項目、建筑智能化等設計項目積極申報。

        本項目規模大,是云南省乃至國內勘察設計及施工管理難度最大的項目之一,項目采用BIM技術是在后期評獎報優中獲得優異成績的重要條件。

        2.2.3 本項目建設的實際需求

        本項目具有路線長、范圍廣、投資大、工期長、工期緊、地質地形情況復雜、橋隧比高、施工難度大、技術復雜及工程參與者眾多的特點,是云南省建設難度最大的高速公路之一,項目重難點比較突出,控制性工程(紅河特大橋、五老峰特長隧道、興隆特長隧道)施工難度大、施工周期長等特點,BIM技術的應用將能有效的控制施工進度、質量和安全。

        圖2.3項目主要特性

        根據以上特性,決定了本項目對BIM應用的需求如下:

        (1)設計階段提高設計質量及方案合理性、優化項目投資、最大限度地減少變更工作量。

        (2)施工階段利用基于BIM的項目信息管理系統,提高管理效率、降低管理難度,更有效的對質量、進度、安全、投資進行控制。

        (3)竣工階段建立完整的BIM信息檔案及數據庫,提高竣工驗收的效率及準確性、縮短竣工驗收的時間,同時為項目的評優奠定重要的基礎。

        (4)運營階段建立全生命周期的建筑信息系統,有效節約運營成本。

        (5)通過本項目BIM技術的應用,培養出一批BIM技術管理人才,為BIM技術在高速公路建設管理中的推廣奠定基礎。

        (6)建立具有自主知識產權的基于BIM技術的項目建設管理信息系統,并推廣至中國電建集團其它基礎設施項目中。

        3 BIM軟硬件建設方案

        3.1 硬件建設方案

        數據中心為“數據中心項目管理”的重要基礎設施,數據中心的建立,將項目管理、BIM(建筑信息模型)、工程檔案、視頻采集等工程數據進行集成、交換和共享,形成項目的“建筑信息工程指揮中心”,實現對項目的宏觀掌控,微觀調控。

        BIM數據中心應用平臺由硬件(服務器、存貯設備、網絡交換機、網絡安全設備等)和應用系統(項目管理系統、BIM(建筑信息模型)、工程檔案管理系統等)構成,硬件是BIM數據中心構建不可獲缺的支撐平臺,設備選型綜合考慮BIM管理系統功能需求,同時兼顧硬件設備更新換代速率。

        BIM數據中心的架構如下圖:

        圖3.1 BIM數據中心構架圖

        圖3-2 BIM數據中心實景圖

        3.2 軟件建設方案

        本項目采用中國電建昆明院HydroBIM平臺。HydroBIM認真總結三維設計實踐學習借鑒建筑業BIM和制造業PLM理念和技術,引入“工業4.0”和“互聯網+”概念和技術,發展起來的一種多維(3D、4D-進度/壽命、5D-投資、6D-質量、7D-安全、8D-環境、9D-成本/效益…)信息模型大數據、全流程、智能化管理技術,是土木工程規劃設計、工程建設、運行管理一體化、信息化的最佳解決方案。

        針對本項目沿線地形、地質條件復雜的特點,在本項目的勘察設計及施工、運維中,全過程采用HydroBIM—交通工程模塊進行真實場景建模、智能布線、三維模型構建與拼裝、大場景展示,HydroBIM集成的軟件有InfraWorks360、Civil3D、Inventor、Revit等,采用這些手段將大大提高本項目勘察設計進度和質量,為項目提供一種全新的、從全局把控項目的手段。

        圖3.3 HydroBIM構架

        4 BIM團隊建設

        中電建路橋集團有限公司(以下簡稱路橋集團)成立BIM技術應用領導小組,成員由路橋集團與中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司(以下簡稱中電建昆明院)領導組成,是BIM技術應用的領導核心,BIM實施單位是中電建昆明院。

        圖4.1 BIM中心架構

        項目公司設立BIM中心,在BIM技術應用領導小組領導下獨立開展工作,負責BIM系統研發和應用的組織和具體實施,BIM中心領導成員由項目公司領導與BIM實施單位項目負責人組成,項目公司總經理擔任BIM中心主任。

        5 BIM應用點價值分析

        5.1 技術架構

        圖5.1BIM應用技術架構

        5.2 創新點及價值

        1.基于開源框架的GIS多要素融合分析基礎平臺技術。該技術成果支持RVT、IFC與FBX等多種格式BIM數據與GIS數據的深度融合,解決了目前BIM模型難以支撐長距離海量數據和GIS數據內部結構信息較少的兩大難題。

        2.基于BIM+3DGIS的高速公路項目建設管理信息系統技術。在GIS環境下,將構件級BIM模型與質量、計量支付與安全等信息進行掛接,實現信息的可視化集成、查詢、申報與審核,以及智能化管控決策。

        3.高速公路工程全要素對象的數字化集成技術。創建公路、隧道與橋梁等工程的可視化展示模型、結構模型、重點工程精細化模型與集成應用綜合模型,以模型為載體,對設計、建設與運維階段的物理和功能特性進行數字化表達。

        4.高速公路BIM數據庫與數據中心建設技術。建立構件級三維模型與質量、計量支付、進度、安全等項目管理信息、空間地理信息多維關聯的工程劃分結構(WBS)建筑信息模型(BIM)數據庫與BIM數據中心,實現多源數據的統一存儲、傳遞與共享。

        5.基于webgl開源框架的預警預報平臺技術。具體包括基于隧道信息模型的隧道監控預警系統技術、基于三維地質模型的地質超前預報系統技術與基于工程劃分結構(WBS)模型的物資管理系統技術,實現隧道預警、地質預報、物資調撥的智能化決策。

        5.3 BIM應用創新

        5.3.1 技術路線

        基于三維協同設計平臺,多專業實現建模出圖一體化設計,BIM模型成果通過管理平臺進行集成。

        圖5.2技術路線

        5.3.2 標準規范

        項目之初,公路行業BIM應用相關標準缺失,為了滿足項目BIM技術應用需求,編制完成項目全套BIM模型分類、編碼、應用、交付標準。

        圖5.3項目BIM標準體系

        5.3.3 模型創建

        1.基礎地理信息集成

        根據交通廳數字路網基礎地理信息數據標準,使用優于0.5米正攝影像和提供的1:2000地形圖生產沿線基礎地理信息并生產三維空間場景。

        圖5.4地理信息模型

        2.地理信息模型

        完成全線124.530km區域三維地質模型,反映路線與不良地質區域的相互關系,結合地質適宜性分析,輔助進行道路選線。

        圖5.5區域三維地質模型

        同步完成了重點工程的精細化三維地質模型,通過三維地質模型,可實現地質條件的三維可視化、模型空間分析、輔助開挖工程量計算、隧道圍巖分級等,為施工階段的工程開挖與支護提供一定的地質依據,并可根據地質勘察深度的增加及施工開挖時地質條件的揭露,不斷修正與完善三維地質模型。  

        圖5.6五老峰隧道三維地質模型

        3.BIM結構模型建模

        開發首個公路工程參數化標準族庫,為公路工程BIM設計和后續階段數據應用提供重要的資源基礎。公路工程參數化標準族庫已集中存儲500余類標準族和7000余項參數化設計數據,有效解決了公路工程族文件的集中存儲、共享與調用,實現了對公路工程參數化標準族庫的規范化管理。

        圖5.7橋梁工程參數化標準庫

        圖5.8橋梁工程參數化設計成果

        5.3.4 BIM應用

        1.可視化方案比選

        利用BIM系統軟件,實現可視化的快速方案比選,大大提高設計效率,同時為方案決策提供快速準確的數據支持。路線方案比選見圖5.9、圖5.10,橋梁涂裝方案比選見圖5.11。

        圖5.9道路接線方案一

        圖5.10道路接線方案二

        圖5.11橋梁涂裝方案比選

        2.碰撞檢查

        基于三維實景環境,對設計成果進行全面核查,如構造物設置、模擬駕駛、凈空核查等。道路凈空核查見圖5.12。

        圖5.12 道路凈空核查

        3.工程量統計

        基于BIM模型,可通過軟件自動提取,進行精確的工程量統計。同時,當設計方案進行調整,BIM模型與工程量將自動更新。隧道洞口開挖模擬見圖5.13,橋臺工程數量表見圖5.14。

        圖5.13隧道洞口開挖圖

        圖5.14橋臺工程數量表

        5.3.5 項目建設管理信息系統

        在項目施工階段,應用勘察設計階段建立的BIM模型、集成項目施工階段的管理信息、工程檔案信息、視頻信息,實現建水(個舊)至元陽高速公路空間基礎地理信息、質量安全監控數據、項目管理信息等數據的整合、交換和共享。

        在此基礎上,進行項目管理系統開發。項目管理系統是貫穿于紅河州建水(個舊)至元陽高速公路項目施工全階段應用的綜合管理系統,包括前期管理、質量管理、計劃進度管理、安全生產管理、計量支付管理、變更設計管理、OA辦公、門戶網站、移動OA辦公APP、試驗管理、合同管理、技術資料管理、竣工檔案管理、項目管理移動APP、CA數字證書管理等16個模塊?;贐IM技術,實現計量支付、質量、試驗、安全等文件的可視化申報、審核、審批,審核文件時自動定位到該文件對應的工程構件。

        系統將構件級BIM模型與進度、質量等項目管理信息進行掛接,二三維數據動態聯動,實現工程屬性與項目管理信息的可視化查詢、申報、審核與決策。

        圖5.15系統界面(a)

        圖5.16系統界面(b)

        5.3.6 數據云交付平臺

        為了實現十二個標段BIM模型、圖紙的移動端輕量化瀏覽,項目還研發了數據云交付平臺,工程師可攜帶移動端,在現場隨時查看模型與圖紙。

        圖5.17數據云交付平臺(a)

        圖5.18 數據云交付平臺(b)

        5.3.7 隧道監測及預警系統

        開發“基于BIM開發的隧道監測及預警系統”,并成功應用于項目施工,監測數據在線錄入,系統自動分析、自動預警,問題情況通過信息發送至工程管理者。第一時間反饋隧道質量及安全問題。

        圖5.19 隧道監測及預警系統

        5.3.8 超前地質預報管理系統

        開發“基于BIM的超前地質預報管理”,并成功應用于項目施工?;诔疤綔y技術和三維地質模型,為項目建設提供精確的地質預判,同時構建遠程專家團隊,通過信息化手段快速基于地質信息進行專家會診,指導現場施工。

        圖5.20 超前地質預報管理系統

        6 BIM應用效益分析

        6.1 技術效益

        依托項目開展“高山峽谷區長距離帶狀組合建筑物”科技研發,立項為云南省科技計劃項目,入選2018年度交通運輸部重點科技項目清單。項目部主創人員應邀參加交通運輸部BIM技術應用研討會

        圖6.1交通運輸部重點科技項目清單

        基于建個元高速公路BIM技術的研發與應用,共同完成了8項軟件著作權申報。

        圖6.2軟件著作權申報

        6.2 社會效益

        項目成果被新華網、紅河日報、紅河電視臺等多家媒體關注報道,社會效果顯著。

        圖6.3相關媒體報道

        6.3 經濟效益

        本項目成功應用于紅河州建水(個舊)至元陽高速公路,從綜合效益上看,節約項目總投資5%,項目投資效益提高了25%,企業綜合效益提高了15%。采用MTP測定法,計算得出2年間創造的經濟效益累計為1600萬元。

        7 應用推廣價值

        長距離帶狀組合建筑物普遍具有建筑物延伸距離長,沿線地形地貌變化大,環境復雜多變,建筑物種類繁多,結構復雜,工程規模巨大 的特點,高速公路BIM應用成果,可廣泛推廣至鐵路工程、引水工程、軌道交通工程等多個領域,市場潛力巨大。

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