面向高速公路施工進度和投資管理的BIM應用案例

魯榮利

(河北曲港高速公路開發有限公司，定州 073000)

引言

曲陽至黃驊港高速公路項目全長92.171km，估算總投資93.46億元。其施工階段多，計劃排布復雜，且投資額巨大，對建設階段投資管理有較高要求。為提高項目施工進度管理和投資管理水平，本案例在曲港高速公路建設和施工階段中引入建筑信息模型(Building Information Model，BIM)技術，研究了BIM技術在進度和投資管理中的應用方法。

BIM技術的一般特征為，將建筑信息與三維幾何模型整合，將建筑構件表示為互聯的對象，其優勢是數據一致且無冗余、模型所有視圖均協調一致，適合高速公路項目這種需要大量協調的應用[1]。引入BIM技術有潛力解決項目施工階段以及不同應用系統之間的信息斷層，也有利于全過程的工程信息有效傳遞[2]。BIM技術支持在電腦上建立虛擬建筑模型，同時BIM也可以調和建筑全生命期的各種功能需求[3]。因此當前BIM已廣泛應用于項目管理[4]。本案例在進度管理中引入BIM技術，在3DBIM模型基礎上附加時間因素，將施工過程以動態方式表現出來。

引入附加時間維度的BIM技術將進度信息形象化，并能將投資數據掛接到施工段或構件，自然地將投資文件組織起來，解決投資信息無法集成和管控混亂等問題。

1 建設管理系統應用點

1.1 基于BIM的進度管理要點

本案例使用了一套定制開發的商業BIM建設管理系統，該系統針對曲港高速公路項目對跨平臺系統權限配置、模型管理、施工模擬、進度管理、橋梁安全監控監測等功能需求，結合業主方的實際應用流程，定制開發了適合于高速公路項目使用的功能。在已有基于BIM的4D施工動態管理系統(簡稱4D-BIM[2])及高速公路項目應用經驗的基礎上，對各個模塊進行了功能拓展和流程定制。其中的4D-BIM的進度模擬具有以下的創新點：

1)系統可以允許建立多套施工進度方案，不同方案可快速切換，進行方案對比分析；

2)可以通過前置任務以及關鍵路徑數據，動態分析當前進度情況對其他任務的影響；

3)其進度計劃可用甘特圖或網絡圖表示，也可4D動態展現，比傳統的表現形式更形象生動。

1.2 WBS和進度應用點

工作分解結構(Work Breakdown Structure，WBS)是進度分析的核心，將實現了系統中WBS節點與Project軟件任務節點的雙向鏈接，是本案例進行進度管理的基礎數據條件。在BIM中，掛接了WBS的構件或施工段獲得了進度時間，加上已有的三維屬性，就可以形成4D信息。

在青藏高原地區，中間宿主椎實螺4—9月在淺水區生活，10月底移入深水區，并鉆入10～40 cm的沙土中越冬。昌都市牧區草場高原濕地、低洼沼澤、自然水潭分布廣泛，每年6—9月溫暖、多雨，氣候等自然條件適宜該病的流行。

應用中，首先在Project中建立WBS，編制進度計劃。然后系統以施工段和工序的名稱編碼，自動將進度信息導入到系統中，生成形成WBS。同時系統中可以編輯這些WBS后反向導出為Project計劃。

1.3 施工4D-BIM建模

通過4D-BIM提供的數據集成機制[6]，建立設計BIM模型與施工進度的動態關聯，并與進度管理的時間、資源管理的人材機、質量安全管理的整改單、任務管理的工程量、預制件的生產工序等施工信息集成，形成施工4D-BIM模型。4D-BIM還可以根據進度、資源、質量、安全、任務等不同管理需要，抽取模型中相對應的屬性數據進行分析計算[7]。

1.4 4D進度管理應用點

本案例的進度管理應用到的工作流包含以下幾個步驟：

(1)施工進度控制：系統會自動更新進度數據庫，并在Microsoft Project中更新進度計劃，同時刷新模型區域的展示，已有一項應用案例[8]驗證了這類進度控制技術的有效性。

(2)實際進度填報與追蹤：BIM平臺內置了遠程數據填報模塊，可按天追蹤各個施工段進度計劃的執行情況，后文的案例可以看到實際進度與計劃進度進行對比分析的效果。

(3)前置任務分析：由現場人員在系統中指定一個施工節點，查找該任務的所有前置任務，并將分析得到的前置任務開始時間、結束時間以及完成情況等信息報告項目負責人。

(4)進度滯后分析：當有進度計劃滯后完成時，系統會應用算法分析所有其它受影響的任務，進行預警。系統可以用不同顏色標出受影響的任務，同時設定開始和完成時間將滯后。

(5)施工進度可視化模擬：實際工作中按照天、周、月等不同模擬間隔、不同模擬速度對制定時間段內的施工過程進行可視化的模擬[9]，并可針對計劃進度和實際進度分別進行模擬，作為工程的施工計劃和實際進度的形象化展示。進一步以餅圖形式同步顯示當前的工程量完成情況，并以列表方式同步顯示當前施工狀態的詳細信息，包括施工段的名稱、工序及顏色、計劃和實際開工時間、計劃和實際的完成時間、施工單位以及工程量和資源等詳細信息(如圖1所示)。

1.5 基于BIM的投資管理步驟

本案例在BIM管理平臺中實踐了投資管理技術。首先，可以在BIM系統中導入各級工程的完整資產信息，并掛接時間信息，形成與工程現場有關聯的4D投資數據。然后，管理人員就能查看某個時間點上各項投資的完成情況，以及某個時間節點至本期的時段內完成的主要工作、分項的工程量和施工成本。最后，由高層管理人員根據項目的建設歷史、建設過程、含時資金流變動情況，進行綜合決策。配合BIM平臺定制化的功能界面，各類用戶可以靈活使用投資信息。

圖1 可視化進度模擬

2 案例研究：曲港高速公路

曲港高速項目所經地區屬華北平原的中部湖積平原區，該區域地勢自西南向東北逐步降低、起伏較小。沿線地區平坦無山，人口密集。本段高速公路共設特大橋4 100m/3座，大橋1 004m/5座，中橋343.06m/6座，小橋66m/3座； 互通式立交8座，分離式立交4 121.13m/26座； 服務區4處，停車區2處，匝道收費站5處，養護工區2處，監控通信分中心1處。工程難點主要是：

1)投資額巨大，對建設階段投資管理有較高要求；

2)施工工期長，不同施工項和工序關聯緊密，進度管理難度大。

2.1 進度管理

2.1.1 整體進度展示及標段進度信息查詢

基于宏觀BIM施工模型，可在地圖上展示公路工程的整體線路布局，并用不同顏色標識各個標段的施工進度，支持中高層管理者快速了解項目基本情況和施工進展。選中某一標段可以查看該標段的名稱、起止樁號等靜態信息，同時可查看關聯的所有進度信息； 用戶雙擊選中標段，即可切換至相應的管理視圖(如圖2所示)。

圖2 曲港高速公路全標段項目進度信息查詢

用簡化的3D模型和文字標識標段的線路布局和所含的道路、隧道和橋梁，用不同顏色分別表示各部分的未施工、施工中和已完成等施工狀態，并突出施工中的部分，為中、高層管理者快速了解某標段的基本情況及施工狀態提供可視化的管理平臺。用戶選中某橋隧的模型，可查詢其名稱、施工單位、起止樁號和詳細的施工進度等信息； 對個別關鍵施工區域，還可進入選中橋隧的精細管理視圖(如圖3所示)。

2.1.2 4D精細施工過程

基于線路的4D模型，可模擬該標段的整體施工過程和順序，輔助施工進度管理。在進度管理界面中，通過選擇典型標段、隧道或橋梁進入4D精細管理，為業主曲港高速公路開發有限公司和施工方提供針對某一典型點(橋梁)、線(道路、隧道)和面(服務區)進行精細化的施工動態管理和進度模擬(如圖4所示)。

圖3 LJ1標段項施工信息查詢

圖4 本工程的南水北調特大橋進度模擬

2.1.3 進度任務管理

進度任務由具有填報權限的現場管理人員，通過微信端進行填報，填報的數據實時反饋到客戶端作統計顯示(如圖5所示)，并生成日報、周報、月報。

圖5 進度任務客戶端填報

2.2 投資管理

基于4D-BIM的投資管理技術是本案例的又一重要內容。管理系統對投資管理的Excel表格做了定制化的支持，可在BIM數據庫中導入與相關構件、設備、標段、分部分項工程的完整資產信息，并由BIM班組錄入時間信息，在平臺中做到隨時間動態的投資管理。與傳統做法相比，該技術結合模型信息，可以確保數據的一致性和準確性。傳統的合同、票據、憑證、調查資料等紙質文檔較為繁雜，尤其是在公路項目跨度很大的場地上，這些文檔分布較為零散。而在BIM平臺整合這些信息后，將有助于對全局的把控，并提供更整體性的投資統計數據的展示。

投資管理的應用內容如圖6所示。管理人員錄入項目的開工、竣工及其它節點基礎數據，以指導系統顯示項目的建設歷史。選擇某一里程碑時間點后，可以獲取到該時間點上各項投資的完成情況，以及上一里程碑至本期的時段內完成的主要工作、分項的工程量和施工成本(例如挖方、樁基、梁板安裝的總量和費用)。這些信息可以輔助高層管理者快速獲取項目的建設歷史、把握建設過程、查看各項資金流。圖6以統計圖形式展示了各項投資分布的比例圖，以及對應的投資量。而右側對工程量作了統計，可以結合對比。所有的數據查詢與BIM模型掛鉤，同時具備時變的特征，支持在時間維度上的搜索、切片、聚合操作，具有一定的多維大數據性質。并且形成的圖表也可以同時變化，極大方便了對于工程量和投資情況的查詢。

圖6 投資管理

3 結束語

本項目案例針對高速公路施工進度和投資管理的需求，在曲港高速公路施工進度投資管理中應用了基于BIM的建設管理系統，在進度管理上收效與一般大型建筑類似，同時還反映了高速公路項目的特色，而在投資管理上的應用也驗證了其可行性。綜合來看，本次應用有效提高工程施工進度與投資管理水平，是一次公路工程的全面應用，對于類似的高速公路項目具有一定的參考價值。

本案例不足之處是，部署的BIM系統尚不完善，在長線的公路項目上需要各處單獨安裝數據庫，存在不方便的問題，因此可以考慮引入“云BIM”優化項目數據的存儲方式，這樣可以快速部署到很遠的項目部，并支持高級的分析任務。目前，國家層面的建筑工業互聯網概念剛被提出，時變數據的分析正是其強項，可以形成通用的強大的功能模塊，例如將分部工程作為工業邊緣側進行本地進度預先匯總，然后上傳至工業互聯網的平臺端做更宏觀的整體進度協調分析和管理，計算結果又可以通過工業基礎數據平臺的設施，快速分發至各施工段終端。