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        蘇錫常南部高速公路太湖隧道項目BIM技術應用成果

        中鐵四局集團有限公司

        蘇錫常南部高速公路太湖隧道項目

        BIM 技術應用成果

        中鐵四局集團管理與技術研究院

        一、項目概述

        1.1 工程概況

        蘇錫常南部高速公路常州至無錫段太湖隧道項目樁號范圍K23+658~K35+040,從馬山穿越太湖風景區梅梁湖水域至南泉,主要工點為陸馬公路支線上跨、太湖隧道段(中間風塔)、吳楊路支線上跨。馬山端洞口位于陸馬公路和六里河交叉口東側,南泉端洞口位于橫大江北側、紅沙灣路西側。太湖隧道全長10.79km,其中暗埋段10km,馬山敞開段0.29km,南泉敞開段0.5km 。太湖隧道按雙向六車道高速公路標準設計,全線設置緊急停車帶,設計速度100km/h 。隧道采用堰筑法施工,由兩端向中間逐段推進,流水作業。2017 年年底全面開工建設,2021 年年底建成通車,總工期4年。

        圖1-1 太湖隧道項目區位圖

        1.2 施工難點分析

        通過對太湖隧道項目工程信息及水文地質情況進行詳細梳理與分析,該項目施工過程中存在以下四大難點:

        ①建設規模大:隧道寬約43.6 米(凈40.6 米),是目前國內最長、最寬的水下隧道。其中澆筑砼方量210 余萬方。鋼板樁圍堰長42000 延米??拱螛都s26 萬延米。隧道基坑開挖土方達1000 多萬方,回填土方600 余萬方。

        ②施工組織難:太湖隧道水中圍堰分倉逐段流水施工,每一段都是一項系統工程。同時需要克服長距離土方調運的困難,需要解決隧道開挖與路基填筑在時間和空間上匹配難的問題。

        ③安全風險大:堰筑法施工集超長水中圍堰、深基坑、多種支護形式于一體。施工專用船舶、大型機械設備多,水上作業量大,同時經歷三個汛期。淤泥、淤泥質黏土的軟弱地層對開挖和支護安全風險大。

        ④環保要求高:項目周邊旅游資源豐富,穿越多處環境敏感區,太湖又是無錫重要的生活水源地,環保要求嚴格。

        1.3 項目目標

        • 認真貫徹交通運輸部有關品質工程和“平安工地”建設的各項要求,落實標準化、信息化、綠色化、精細化,創建品質工程和“平安工地”示范項目。
        • 打造新時代江蘇高速公路建設新品牌,打造新時代我國領先水平品質、綠色、安全、舒適的超長超寬水下隧道示范工程。
        • 根據建模指導手冊建立各標段的BIM 模型,開展多應用點、多模塊、系統性協同應用,提升項目信息化管理水平。
        • 根據模型竣工交付標準,將BIM 模型和數據庫信息無縫、無損、完整的移交運營單位,實現運營維護的信息化管理。

        二、工作策劃

        2.1 組織機構搭建

        本項目成立以項目負責人、技術負責人為領導的信息化工作小組,負責信息化組織、領導工作。信息化工作小組下面設置BIM 工作室和系統研發小組。BIM 工作室主要負責BIM 建模、GIS 模型處理、模型深化以及BIM 成果應用。系統研發小組主要負責BIM+GIS 項目管理平臺的研發,物聯網系統的研發及系統集成、維護、升級、培訓等工作。

        圖1-2 人員組織架構

        根據項目實施各階段工作需要,擬在實施過程中配置如下人員:

        2.2 標準建立

        為統一模型標準,確保設計、施工、運維信息的準確傳遞及模型和WBS 編碼的一一對應關系,模型建立前首先編制建模指導手冊及根據WBS 拆分原則制定WBS 編碼。

        結合本項目特點,制定BIM 技術應用指南。為推進BIM 技術應用落地,切實可行的為項目管理提供信息化技術手段。

        結合本項目特點及國內行業及地方性交付標準,編制模型交付標準,為BIM 的設計、施工、運維信息無縫無損傳遞提供標準性依據。

        2.3 BIM 模型建立

        根據設計單位提供的設計藍圖和WBS 拆分原則,建立隧道主體結構和臨時工程LOD300 模型,并將幾何、非幾何信息與模型關聯。

        2.4 GIS 模型建立

        利用無人機傾斜攝影技術,采集施工現場及周邊環境的三維點云信息,通過專業軟件處理形成實景模型,為下一步平臺的使用做好準備。

        2.5 BIM 技術應用點

        結合本項目特點及土建施工階段的模型要求,針對BIM 模型的原生態應用,策劃在本項目開展場地布置、大臨規劃、VR 安全培訓、深化設計、進度模擬、施工交底、3D 作業指導書、無人機土方算量、電子沙盤等。

        2.6 BIM+GIS 項目管理平臺搭建

        本項目以“提升工程質量、保證施工工期、減少變更風險、提升溝通效率、提高責任可溯性、提升運維管理水平”為目標,以“先進性、兼容性、安全性、可擴展性、可靠性、經濟性、易用性、共享性”為原則搭建項目級BIM+GIS 項目管理平臺,以“模型管理、進度管理、質量管理、安全管理”為核心的BIM+GIS 項目管理平臺搭建,有助于提升項目信息化管理水平,降低各方的協同管理成本。

        同時將既有成熟的業務系統與BIM+GIS 項目管理平臺進行深度集成,前段采用目前市面上較為成熟的物聯網技術進行數據采集,后端系統通過大數據分析、匯總,將現場管理結果數據及信息向項目決策管理層展現,有助于項目整體管理水平的提升。

        三、項目實施成果

        3.1 BIM 技術應用應用點

        3.1.1場地布置

        利用BIM 技術和無人機傾斜攝影技術對項目駐地及構件預制場、混凝土拌合站、鋼筋加工廠場等進行合理規劃布置,以更加形象直觀的方式展現項目施工整體部署方案,有效提高生產效率。

        3.1.2 大臨規劃

        利用無人機傾斜攝影技術生成的實景模型對標段內地形、地貌和既有結構物等全面了解,提前篩選項目駐地、鋼筋棚、拌合站等建筑位置,減少現場調查時間,降低調查勞動強度,隨時調閱現場環境情況,周邊信息掌握更加透徹。

        3.1.3 VR 安全培訓

        通過虛擬現實技術模擬施工環境內存在的如基坑臨邊無防護、高處墜落、施工觸電等各項危險源,使體驗者以第一視角感受危險鄰近的恐懼,提高安全保護意識,加深對項目危險源的敬畏之心,以此達到安全教育的目的。

        3.1.4 深化設計

        通過建立并整合各專業BIM 模型,利用BIM 技術的可視化及碰撞檢查功能進行關鍵施工節點深化設計、管線優化及永臨結合構筑物合理布局等工作。減少設計變更、降低施工返工率、節約成本。

        3.1.5 進度模擬

        運用BIM 模型結合工期計劃虛擬推演施工方案,以空間三維角度驗證方案實施可行性,優化調整施工順序,關鍵時間節點以及資源配置,確保最終施工方案安全、合理、經濟,提高施工效率,降低資源損耗。同時施工期間可根據資源配置表配備現場的人料機,提高資源利用效率,降低施工成本。

        3.1.6 施工交底

        建立細部結構的鋼筋模型,結合二維技術交底文檔,通過三維可視化向施工作業人員進行交底。

        3.1.7 3D 作業指導書

        為避免作業人員對工程重點、難點部位理解不清,將BIM 技術與傳統二維紙質版作業指導書結合,制作BIM 模型與技術文本相對應的3D 作業指導書,以達到可視化指導現場施工、易于學習掌握及方便使用的目的,避免作業人員對二維圖紙及文檔資料理解錯誤造成返工浪費。

        3.1.8 無人機土方算量

        利用無人機上安裝的激光雷達通過精確定位激光束打在目標物上而獲取物體的高精度三維點云信息,形成點云圖像。利用圖像處理軟件對點云圖像中的數據進行計算,高效、精確、便捷的得出目標物的體積、面積、長寬高等信息。

        3.1.9 電子沙盤

        利用BIM 軟件將實景模型與施工BIM 模型整合,在觸摸屏進行三維展示,真實反映施工現場進度情況,同時查看施工信息,使管理人員能夠及時了解現場的進度完成情況,對下一步的施工部署提供直觀的現場藍圖。

        3.2BIM+GIS 項目管理平臺搭建

        3.2.1總體框架

        以建筑信息模型和互聯網的數字化遠程同步功能為基礎,以項目建設過程中采集的工程進度、質量、安全等動態數據為驅動,結合固化了項目建設各參與方管理流程和職責的相關平臺產品進行項目協同管理的過程。范圍涵蓋建設、設計、施工、監理等參與方的管理業務,做到用戶、設計、施工、監理單位協同監督四者統一。

        該平臺主要包括BIM 數據中心、云服務平臺、多應用模式和綜合應用平臺。

        3.2.2 系統架構

        以GIS+BIM 為工程數據中心,縱向打通工程各階段內部的有機聯系,以及技術和專業限制;橫向打通設計、施工及后期運維三大階段的隔墻壁壘,建立工程資產全生命周期的動態數字化。

        1)平臺根據各種使用場景及用途,考慮網頁端、桌面端及移動端應用模式。

        2)考慮模型調用的及時性,配備相應的軟件設施與網絡構架,并制定詳細的數據安全保障措施和安全協議,以確保文件與數據的存儲與傳輸安全,為各參與方之間的信息訪問提供安全保障。

        3)制定統一的協同標準作為基本準則,規范具體應用行為。明確規定協同管理平臺存儲文件的文件夾結構、格式要求、命名規則、數據容量等,便于實施逐級分層的管理。

        4)平臺設定不同權限,允許使用各方在自身責權范圍內應用各項功能,同時保證信息數據能在各方之間進行橫向無障礙完整傳遞,為行業內外的用戶和第三方系統提供標準的協議接口和后續開發接口。

        3.2.3 系統集成

        本項目系統數據交換網關采用國際標準通訊協議,數據交換網關是一個Web Server 數據處理平臺,通過對請求指令的處理實現對其他系統實現程序的訪問。

        圖4-7 系統數據交換圖

        ⑴、與工程項目管理系統、平安守護系統的集成

        根據系統集成需求說明書要求,將建設單位既有的項目管理系統和平安守護系統中部分可以對接的數據按照接口方式打通,實現建設單位既有系統中的管理數據可以實時展現再BIM+GIS 項目管理平臺。

        ⑵、與施工物聯系統的集成

        深基坑監測、環境監測(水質監測、噪音粉塵監測)、視頻監控、人員管理、機械設備管理、拌合站系統、試驗室系統、混凝土溫濕度監控等物聯網設備通過互聯網傳輸接口主動向施工單位BIM+GIS 項目管理平臺推送數據,并提供打開查詢詳細數據的鏈接。

        3.2.4 系統功能

        3.2.4.1 BIM 和GIS 綜合應用

        1)三維漫游

        構建太湖隧道項目的BIM 模型與施工場邊周邊三維地理信息場景,以三維可視化動態交互方式達到身臨其境的全方位審視效果,從任意角度、距離和精細程度觀察場景。

        • 飛行視角瀏覽
        • 車載視角瀏覽

        2)GIS 分析

        系統提供了包括測距、測高、面積測量、地表挖開、開啟高程、模型隱藏、改變地形透明度等功能在內的常用GIS 分析技術。

        • 距離測量
        • 面積測量
        • 地表挖開


        3)模型檢索

        通過重點工區、WBS 構件樹等多種方式快速定位和檢索模型,并可以查看任意模型的設計屬性、施工屬性以及相關的文件資料。

        • 通過重點工區快速定位
        • 通過WBS 構件樹快速定位


        4)構件屬性

        • 點擊任意構件,系統將顯示構的實時信息供使用者查詢,屬性信息根據構件類型分別顯示。

        5)二維碼應用

        系統為每個構件自動生成唯一的二維碼信息,用戶通過手機、PAD 等移動設備掃描現場的二維碼,追溯該構件在設計階段、施工階段的詳細信息,包括相關圖紙、砼等級、尺寸、環境等級、模型工程量、實際開工日期、實際完工日期、質量報驗資料等信息,實現對工程部位的信息追溯。

        3.2.4.2 進度管理

        進度管理模塊包括形象進度、進度預警、形象進度統計、進度模擬。

        1)形象進度

        在平臺中給主體模型構件中添加時間信息,利用計劃工期和實際工期的對比以及質保資料的掛接,通過不同顏色來區分未完工程、已完工程、第一次計量、最終計量。

        2)進度預警

        計劃進度和實際進度的對比分析,紅色表示進度滯后,綠色表示進度超前。若實際進度發生偏差(包括進度滯后和進度超前),將針對進度滯后的部位進行警示。

        3)進度統計

        根據構件的屬性對已完工構件進行統計分析。通過當月各類構件的完成量及單價統計每月現場完成產值,將計劃產值和實際產值進行對比分析,為管理決策層提供現場最直觀的進度數據。

        4)進度模擬

        建立構件工法庫,收集不同工法下構件生產所需工、料、機等資源的經驗數據。構件BIM 模型與工法庫掛接,結合橫道圖,在時間維度上進行模擬展示。驗證施工計劃可行性,施工生產自動提供資源計劃。

        3.2.4.3 質量管理

        1)拌合站系統

        為嚴格把控拌合站混凝土的質量,在攪拌站部署拌合站系統,對拌合樓開關機時間、產能分析、生產量核算、超標統計、拌合站預警信息等查詢功能。實時記錄拌合站各項生產指標數據以及對超標混凝土的處理措施。

        2)試驗檢測系統

        通過現場智能化檢測設備與BIM 平臺的接口對接,實現將現場使用的鋼筋、水泥、混凝土試塊檢測數據實時自動傳輸到BIM 平臺中。實現數據的自動化分析,避免了人為因素對數據的干擾。

        3)質量巡檢

        利用手機APP 對現場發現的質量隱患及問題隨手拍、隨時傳、即時推送,整改責任人收到信息后立即按照整改要求進行整改,整改完畢后將整改照片上傳至平臺,由巡檢人員對整改情況進行復核,形成質量問題整改閉環。

        4)混凝土溫、濕度監控

        大體積混凝土的養護是一項重點工作,由于養護措施不到位導致內外溫差大,最終混凝土出現裂縫,影響工程質量,也導致水下混凝土出現滲水現象。通過傳感設備,對混凝土養護表里溫度和濕度的自動量測,數據實時傳輸至后臺系統進行自動分析,通過混凝土表里溫差值控制設備自動啟動噴淋養護。

        5)鋼筋加工系統

        從鋼筋原材進場,通過二維碼槍掃描料牌,獲取原材的原始信息,現場加工人員領取原材時,通過掃描二維碼填報領取的數量以及半成品信息,加工過程中通過智能加工設備獲取半成品加工信息,領料單位領取半成品時通過二維碼填報半成品領取數量和使用部位。最終實現原材進場到生產任務排程、半成品加工、半成品出庫、構筑物澆筑完成進行全過程的鋼筋信息追溯以及加工設備、加工人員的質量信息追溯。

        優點:

        ①鋼筋料單優化組合,節省原材。

        ②原材、半成品出庫、入庫數量清晰,數量信息一覽無余。

        ③任務安排科學管理,隨時掌握加工進展情況。

        ④質量追溯信息可靠,人、機、料質量信息全方位掌控。

        3.2.4.4 安全管理

        1)人員實名制管理

        通過和建設單位既有的平安守護系統做數據接口對接,實時調取查詢現場作業人員的進場培訓交底情況以及進場、退場情況。為做好在場人員的實名制管理工作,在每一名作業人員的安全帽上安裝GPS 定位芯片,通過電子圍欄及定位信息實時了解作業人員所在位置及作業情況,通過對作業人員在場施工時長進行統計,作為月度勞務人員工資結算依據。

        2)深基坑監測

        將監測平臺中的監測數據和BIM 平臺中的模型進行關聯,通過模型可是實時查詢對應部位監測點的監測數據變化情況,監測數據和測點部位綜合分析更加有利于數據結論的研判。

        3)機械設備管理

        基于NB-IoT 無線廣域物聯技術的大數據系統,通過在工程機械設備上安裝集成有車載北斗定位、油料監控及九軸姿態分析等一整套終端感知硬件設備。實現對施工現場工程機械設備的油料消耗、運行狀態、里程及軌跡進行實時監控、報警等功能,可清晰的反映和記錄車輛運行全過程狀態。

        4)安全巡檢記錄

        利用手機APP 對現場發現的安全隱患及問題隨手拍、隨時傳、即時推送,整改責任人收到信息后立即按照整改要求進行整改,整改完畢后將整改照片上傳至平臺,由巡檢人員對整改情況進行復核,形成安全問題整改閉環。

        3.2.4.5 環保管理

        1)水質監測

        在臨時圍堰站房內安裝水質監測設備對太湖水體COD 、總磷、總氮、氨氮進行連續實時監測,隨時掌握水質狀況,對水源保護提供早期預警,做到早發現早治理,避免施工污染進一步擴大。

        2)噪音、揚塵監測

        對施工現場環境進行24 小時不間斷的實時監測,監測數據傳入后臺系統進行分析,在粉塵超標時聯動各處噴霧設備進行除塵,保證項目周邊空氣環境清潔、干凈。移動氣象站與攝像頭進行聯動,對惡劣天氣施工現場違規施工進行自動抓拍,實時報警。針對現場重大或較大風險實現人工語音播報,提高現場應急反應能力。

        四、項目總結

        4.1實施難點

        4.1.1WBS 拆分

        1)分部分項工程拆分時,各標段要明確統一的拆分細則,約定WBS 編碼后期修改原則,例如模型變更時如何在原有WBS 編碼基礎上增加而不會影響其他未變更模型的編碼順序。

        2)每次模型變更后,編碼增加、減少或者調整內容要有明確的記錄,確保模型與編碼的對應關系以及模型掛接信息的對應關系。

        3)WBS 拆分要綜合考慮模型應用需求,對于一些臨時設施構件和非永久結構構件,可以考慮簡化拆分細度。

        4.1.2 模型建立

        1)如果由設計單位提供模型,因為設計單位和施工單位對模型的使用需求不同,因此需要根據施工工藝等對模型進行拆分。

        2)現場土建施工階段臨時工程建模工作量大,分部分項工程采用分倉段劃分,因此無法做到單個構件對應一個編碼,考慮到進度管理需要又需要按照單個構件拆分,因此臨時工程模型要根據施工步序建立。主體結構模型在曲線段存在相鄰模型內外側重疊以及分開狀況,本項目采用Dynamo+revit 參數化編程建模。

        3)土建施工階段的模型能否滿足機電階段的應用需求,否則到下一個施工階段又要重新建立模型。需要土建階段的建模團隊對機電以及其余施工階段的施工有一定程度的了解。

        4.1.3 施工模擬

        1)施工模擬需要施工計劃橫道圖按照構件級別劃分,這個對于項目上的難度很大,尤其是細化到單個構件的具體施工日期。本項目綜合考慮各種因素,采用重主體輕臨時工程的原則,結合項目施工經驗數據(定量的人機料配備情況下單構件的完成工時消耗量),主體結構按照單個構件掛接計劃工期,臨時工程按照單天可完成量掛接,存在多個構件共用一個編碼掛接一個計劃工期。

        2)施工模擬不能完全依賴項目上的計劃工期掛接模型,按照施工步序去模擬施工,這種方式是無法檢驗資源配備和工期計劃的合理性。需要按照現場既有的人機料資源,結合以往類似工程該工法完成某一構件的耗時時間去虛擬推演。

        4.1.4 3D 作業指導書

        1)作業指導書制作人員需在項目技術人員的配合下建模,否則模型建立的細度滿足不了作業指導書展示要求。

        2)3D 作業指導書的制作對技術人員技術水平有較高要求,需要技術人員能否熟練掌握該施工方法的注意要點,否則按照套模板方式制作的3D 作業指導書不具有可實施性,一線作業人員無法通過三維可視化的方式掌握該工序的施工要點。

        3)3D 作業指導書的制作周期較以往傳統作業指導書的制作周期較長,因此需要技術人員在該工序施工前提前做好作業指導書,便于施工前的交底。

        4.1.5 BIM+GIS 項目管理平臺搭建

        1)目前國內對于BIM 模型的真正輕量化手段較少,很多輕量化手段易導致模型的構件信息丟失或者模型丟失,因此基于BIM 的平臺運行速度受模型體量大影響,運行速度較慢。

        2)目前國內基于BIM 的項目管理平臺業務功能有限,多數都是做數據匯總展示使用,因此需要結合一些其他信息化業務系統管理手段來提供管理數據,部分數據需要前端的智能采集設備提供原始數據,通過一定的算法分析獲得管理需要的結果。

        3)BIM 項目管理平臺的功能無法適應所有項目,因此前期需要做大量的調研工作,了解項目需求和管理模式。BIM 項目管理平臺的搭建周期相應就會增加,對于有些項目建設周期較短的項目是個巨大的挑戰。

        4)如何將BIM 模型和現場管理的結果進行關聯,同時將這些信息傳遞到運維階段。大量的信息和模型掛接,如何保障平臺的正常運轉。

        5)要提前策劃服務器的配置標準以及使平臺運轉的軟硬件配置標準,防止后期平臺運轉不暢。

        4.2經濟及社會效益

        4.2.1經濟效益

        1)利用無人機傾斜攝影技術,進場前建立場區內的三維實景模型,為項目部的大臨規劃,道路選線提供了直觀藍圖,可以直接在三維場景內規劃道路的走向和三場布設,大大減少了現場前期調研所耗費的人力、財力和時間。

        2)利用BIM 的可視化特征進行現場的進度管理,可有降低各方的溝通成本,更迅速、更高效的解決現場進度問題,避免因對象不統一的溝通浪費時間。

        3)結合BIM 技術和物聯網技術進行現場安全、質量管控,確保管理數據的真實性和時效性,大大提高了工程項目質量標準。通過大量的安全質量問題的分析匯總以及針對性的應對措施,降低了同類問題的發生頻次,減少了由于安全質量問題的整改而引起的成本增加,工期延誤。

        4)利用BIM 模型的可模擬性,對施工計劃進行優化,從源頭上解決了由于施工計劃編排不合理、資源準備不充分導致的工期延誤和資源浪費。

        5)通過BIM 模型的三維可視化交底,讓現場工人從感官上對施工重點和難點部位做深層次的了解,更加有利于現場施工,減少了由于理解偏差導致的誤工、返工。

        4.2.2 社會效益

        本項目的BIM 技術及信息化應用充分結合了項目特點及建設、施工單位的管理要求,從進度、質量、安全、技術等角度,利用現有的信息化技術和BIM 的可視化、可模擬性特征進行項目管理。

        結合BIM+GIS 項目管理平臺,建設單位直觀查看各標段形象進度完成情況,有利于建設單位對工程整體工期進度的把控。實現了對安全、質量、環保主要關注點(深基坑、圍堰等高風險結構安全以及混凝土質量、太湖水質等)的數字化監管??商峁┹^為完整的竣工模型和數據庫,為運營階段的資產管理和設備維護保養工作提供關鍵性數據和信息?!靶畔⒒芸亍敝屏颂K錫常南部通道“品質工程”建設,推動了我國交通工程領域“智慧建造”技術的進一步落地,促進了傳統施工管理理念和項目監管模式的進一步轉變。

        從現場施工管理角度考慮,物聯網設備實時采集現場安全、環保、質量監控等數據,自動分析、預警,智能化管控、可視化查看。依托BIM+GIS 項目管理平臺開展施工組織管理,資源配置高效,為施工安排提供可靠依據。

        項目開工一年多時間,BIM 技術及信息化應用在各大媒體報道30 余次,接待各級領導檢查、參觀100 余次,受到了參建單位和各級領導的好評,提升了公司的社會形象和公眾影響力,也為企業下一步升級轉型提供輔助性幫助。

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