基于高架快速路施工的BIM技術(shù)及數(shù)字孿生應(yīng)用探索

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 2000082)

【作者簡介】李曉波(1994-)，男，BIM工程師，主要研究方向：BIM技術(shù)在路橋工程的研究與應(yīng)用。

引言

隨著計算機行業(yè)發(fā)展，工程行業(yè)BIM(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術(shù)近年來在站點與集約型工程類型應(yīng)用中取得了廣泛的認可。城市高架快速路工程型式粗放呈條帶狀，立交節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，BIM技術(shù)應(yīng)用存在更廣泛的優(yōu)勢和更深層的潛力。工程中輻射出各類信息引起反饋產(chǎn)生的協(xié)同工作，正符合數(shù)字孿生技術(shù)中虛擬現(xiàn)實人、物、環(huán)境等信息構(gòu)成相互映射的關(guān)系。從BIM協(xié)同管理平臺乃至數(shù)字孿生體系，能夠映射項目狀態(tài)并反饋信息的直接手段，也是此類工程精細化、智能化管理的一種可取的模式。

1 工程背景概況

1.1 項目簡介

徐州市城東大道快速化改造工程，道路改造工程全長約12.3km，主線標準為城市快速路，設(shè)計車速80km/h，輔路標準為城市主干路，設(shè)計車速40～60km/h。高架段約10.14km，地面段約2.04km，地道段約0.12km； 樞紐型互通立交5處，全線平行式上、下匝道8對。項目某2處節(jié)點效果圖如圖1所示。

1.2 項目難點分析

城市高架快速路項目類型特點為工程范圍廣且呈條帶狀，施工對周圍環(huán)境、建筑影響大，同時專業(yè)多，施工管控難，參建方復(fù)雜等。結(jié)合實際情況，該工程存在以下難點：

(1)施工過程管控工作量巨大

高架橋梁施工過程中鋼筋、高墩、蓋梁、樁體等不同工程類型，決定項目施工難點多而雜，其攻克過程異常艱難[1]。該項目全長12.3km，涵蓋施工難點多，若以通常手段自上而下進行施工過程管控，需投入極高人力成本并容易出現(xiàn)疏漏。

(2)協(xié)同工作開展困難

工程內(nèi)容復(fù)雜導(dǎo)致對項目的分割，引起協(xié)同工作不暢的情況發(fā)生。無論質(zhì)量、安全、進度等都會涉及到多方的協(xié)同工作。此類大型項目在施工協(xié)調(diào)中投入時間成本比重最高，同時由于前期協(xié)同工作不完善導(dǎo)致的問題也占據(jù)項目問題總數(shù)的絕大部分[2]。

(3)與管廊同步施工處理

該項目在施工階段被要求與管廊同步施工，管廊的基坑開挖與樁基的施工相互影響，若沒有合理的施工計劃以及精確評估，則極易引發(fā)施工過程中的質(zhì)量、安全問題。

(4)總包企業(yè)供應(yīng)鏈關(guān)系復(fù)雜

本項目體量巨大，服務(wù)總包的供應(yīng)商多而雜。而我國現(xiàn)階段總包企業(yè)與供應(yīng)商合作關(guān)系還停留在較為初級的水平上。受短期利益驅(qū)使，導(dǎo)致工程造價成本無法有效配置，“牛鞭效應(yīng)”十分顯著[3]。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用情況

此類工程BIM全生命周期應(yīng)用案例較少，缺少標準化參考，故結(jié)合實際從施工階段所面臨的問題考慮，項目在BIM傳統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，推行數(shù)字化BIM協(xié)同管理平臺。創(chuàng)建符合平臺應(yīng)用標準的信息模型，模型嵌入平臺后展示效果如圖2所示。

圖2 某立交節(jié)點模型展示圖

2.1 三維信息模型

本項目采用CATIA軟件進行三維建模，精度滿足LOD300，如圖3所示。部分屬性信息以表格形式賦予模型(導(dǎo)入平臺后)。由于周邊環(huán)境制約，經(jīng)專業(yè)機構(gòu)進行技術(shù)評估后確認沿線不具備傾斜攝影建模條件。因此項目采用3DMax 軟件進行沿線地物建筑三維建模。

圖3 橋梁整體模型圖

2.2 模型傳統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)化提升

(1)碰撞檢查

與傳統(tǒng)管線碰撞檢查不同，該類工程主體為高架橋梁，雨污水管居多。首先考慮主體結(jié)構(gòu)與管線施工時發(fā)生碰撞的問題。主體結(jié)構(gòu)由下而上，構(gòu)件之間可能出現(xiàn)“架空”現(xiàn)象。導(dǎo)致專業(yè)人員對圖紙花費大量的時間進行深入修改，對工期、施工質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。擁有可靠模型的前提下，能夠高效地生成檢查報告并反饋結(jié)果。

(2)施工指導(dǎo)

復(fù)雜立交節(jié)點、結(jié)構(gòu)專業(yè)類型較多等問題客觀存在，通過三維可視化模型，施工管理人員在能夠熟練觀察模型中的復(fù)雜節(jié)點的幾何特征后，可發(fā)現(xiàn)潛在問題并找到解決方案。同時，復(fù)雜節(jié)點施工模擬可指導(dǎo)工程，以及利用BIM-4D模型來制作直觀的施工進度計劃。高架項目規(guī)模大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)工期安排緊張，施工模擬具有指導(dǎo)價值。

2.3 CBIM協(xié)同管理平臺應(yīng)用

數(shù)字化管理平臺以數(shù)據(jù)集成化的管理理論以及協(xié)同工作管理理論為主要理論依據(jù)，以實現(xiàn)BIM技術(shù)的工程實際應(yīng)用為目標，將三維信息模型、數(shù)據(jù)庫作為支撐，通過以數(shù)字協(xié)同管理平臺為核心的方法，將各參與方所參與的工作進行平臺內(nèi)的規(guī)整并應(yīng)用統(tǒng)一的信息模型對數(shù)據(jù)進行收集、整理、存儲、統(tǒng)計分析等[4]，對工作進行多目標綜合管理并針對項目特殊部分開展需求調(diào)研了解實際的需求。其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 BIM協(xié)同管理平臺框架簡圖

2.3.1 平臺實現(xiàn)原則

(1)擁有統(tǒng)一的編碼體系與技術(shù)標準

傳統(tǒng)工程中大量BIM協(xié)同管理平臺應(yīng)用由于項目要求、使用習(xí)慣等客觀因素，往往忽視了嚴格采用統(tǒng)一的編碼體系，嚴格按照統(tǒng)一、規(guī)范、系統(tǒng)化技術(shù)標準的重要性。高架項目具有結(jié)構(gòu)類型多，影響范圍廣等問題，專業(yè)技術(shù)標準主要由質(zhì)量、成本、進度、安全、環(huán)保管理等幾大類組成。編碼及技術(shù)標準作為具備約束、規(guī)范作用的重要依據(jù)，指引用戶按照統(tǒng)一的技術(shù)標準進行作業(yè)，控制了用戶不符合標準、規(guī)范的行為，并提供較為簡潔便捷的參考及指南。此類項目BIM協(xié)同管理平臺初始化階段，擁有一套適用且統(tǒng)一的編碼體系與技術(shù)標準是先決條件。

(2)具備先進的管理工具、技術(shù)

協(xié)同管理平臺宗旨即是堅持先進技術(shù)、理念。針對高架快速路工程的平臺則更需要先進、規(guī)范的監(jiān)測、管理技術(shù)。平臺通過強化動態(tài)過程的控制以及風(fēng)險監(jiān)控，采用BIM的計算機輔助設(shè)計、動態(tài)監(jiān)測等技術(shù)，提供了現(xiàn)代化管理手段。

(3)科學(xué)的項目框架結(jié)構(gòu)分解

項目框架的分解既要滿足設(shè)計等單位對于項目的理解與要求，進行微觀劃分，也要按照具體的業(yè)主方對于整體的大局劃分(宏觀劃分)。做到兩者不沖突、兼容處理工作的效果。將項目各專業(yè)、各個不同階段進行信息互通、動態(tài)控制的綜合性結(jié)構(gòu)分解。

(4)全過程的BIM應(yīng)用理念

現(xiàn)階段全過程BIM應(yīng)用非常少，但其優(yōu)勢在于全過程的應(yīng)用能夠自我關(guān)聯(lián)修改。從立項、勘察、設(shè)計到施工、運營，若能夠盡可能地利用各個階段信息的關(guān)聯(lián)傳遞，能夠減少大量的重復(fù)勞動，做到任意位置發(fā)生改變其他位置進行聯(lián)動。

(5)云計算

通過采用虛擬的分支整合可用信息，項目方能夠憑借組織機構(gòu)權(quán)限劃分及身份驗證通過網(wǎng)絡(luò)實時對平臺進行訪問，且不需要管理云端資源，能夠較好地整理資源、降低成本。

2.3.2 平臺功能模塊

BIM協(xié)同管理平臺作為承載項目全生命周期管理的載體，功能全面且泛用，本文主要介紹快速路施工過程中平臺核心模塊：進度、質(zhì)量、造價、安全環(huán)保四大模塊[5]，不對所有功能進行詳細敘述。

(1)進度

以最小單元劃分至工序級別管控實際工序情況，即是否開工、完工，形成項目形象進度； 依據(jù)年、月、周進度計劃形成項目形象進度計劃。(均關(guān)聯(lián)模型構(gòu)件，故模型精度、編碼必須符合應(yīng)用標準)從模型的形象對比、報表的數(shù)量對比、圖形(柱狀圖)的直觀對比，所有計劃、實際進度可以按需呈現(xiàn)。

(2)質(zhì)量

按照分部分項檢驗批，細分至最小工序控制點，即每一張質(zhì)檢、記錄、抽檢表單類型。確定每種類型檢驗批對應(yīng)工序及控制點后，在施工中制作檢驗批時，創(chuàng)建并關(guān)聯(lián)模型即可(模型非幾何信息需完備)。前一道工序未完成時無法進行下一道工序表單填報，將線下流程轉(zhuǎn)化為規(guī)范的線上填報。

(3)造價

將清單按照模型工程部位進行分解處理，并通過與質(zhì)量模塊形成的邏輯限制，完成自動提取，自動計量功能，有效規(guī)避傳統(tǒng)工作流程中常見的施工過程造價分配失調(diào)、工程量難以有效控制等問題。

(4)安全環(huán)保

通過設(shè)置已知危險源數(shù)據(jù)庫、硬件設(shè)備實時監(jiān)控數(shù)據(jù)等方法，以平臺采集能力為基礎(chǔ)，設(shè)置部分閾值或節(jié)點，當觸及安全線或工序開展至某節(jié)點時，自動提供定向報警功能。

3.3.3 平臺多項目應(yīng)用

平臺擁有統(tǒng)一的模型錄入要求，包括構(gòu)件拆分精度及要求，統(tǒng)一的編碼體系等。同時，平臺質(zhì)量標準庫前期通過多次多方協(xié)商會議確定了高架快速路中各個單位工程下分部分項工程類型及對應(yīng)工序，形成了標準化的質(zhì)量管理體系。在擁有統(tǒng)一的信息模型標準錄入要求、規(guī)范化的高架快速路質(zhì)量管理標準庫、完備的項目所涉及公路及市政用表的條件后，該平臺框架對于高架快速路項目具有強繼承性。平臺標準體系、標準庫擁有較強的自定義屬性，其他類型工程項目也可通過相同技術(shù)路線制作企業(yè)級應(yīng)用平臺。

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用探索

3.1 數(shù)字孿生空間構(gòu)建及運作

數(shù)字孿生(Digital Twin)技術(shù)最早由美國密歇根大學(xué)格里弗斯教授在2003年提出。2012年NASA正式定義數(shù)字孿生：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬信息空間完成對物理實體的映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程[7]。

圖5 數(shù)字孿生體系—進度

BIM應(yīng)用點、項目協(xié)同管理平臺等應(yīng)用類近年來已取得大規(guī)模的實際應(yīng)用，但BIM技術(shù)的擴散及應(yīng)用仍有大量阻力，BIM技術(shù)服務(wù)主體的不同、單一技術(shù)到集成應(yīng)用的差異性及實際價值的評估方式均潛移默化地對項目BIM應(yīng)用設(shè)置障礙。由于多方利益?zhèn)戎胤较虿煌瑢?dǎo)致應(yīng)用重心偏移，成效此消彼長[6]。BIM傳統(tǒng)應(yīng)用點可認為是“點”應(yīng)用，而平臺中每個統(tǒng)籌協(xié)同的特定功能模塊可認為是“線”，形成協(xié)同管理平臺這個“面”，而平臺在持續(xù)接收數(shù)據(jù)的過程中，也逐漸形成了數(shù)字孿生體系所必備的“虛擬現(xiàn)實空間”，其不斷反饋有效信息作用于工程實際，最終一個完整的數(shù)字孿生概念。通過維護該虛擬空間，達到對漫長的項目建設(shè)期內(nèi)存在的易產(chǎn)生的、緊急突發(fā)的問題，予以現(xiàn)實正向反饋的效果[8]。本文由于篇幅所限，選取幾個較有代表性的信息反饋模塊進行分析。

3.1.1 虛擬進度空間

模型同時反饋實際、進度計劃：計劃按照年、月、周進行更新錄入； 實際進度通過工序報工按時上報。在征遷情況、工作人員機械等客觀數(shù)據(jù)已填報至平臺并有效維護的前提下，“虛擬進度空間”逐漸形成。

負責(zé)現(xiàn)場進度人員可以通過該空間輕易了解所關(guān)注的內(nèi)容，并通過計劃進度、實際進度、施工能力的信息，較為準確地推導(dǎo)出未來進度計劃是否能夠如期完成、進度計劃是否需要調(diào)整、是否需要增加投入以增加施工能力等實際問題。這也達到了模型——信息輸入——虛擬現(xiàn)實空間——反饋現(xiàn)實的良性循環(huán)圈，如圖5所示。

3.1.2 虛擬造價空間

圖6 數(shù)字孿生體系—造價

造價清單拆分至模型工程部位(無法以實體模型表示的清單，均以虛擬部位形式儲存)，整體工程模型賦予造價屬性，量價均明確。同時，質(zhì)量模塊由施工、監(jiān)理單位共同維護，系統(tǒng)中檢驗批關(guān)聯(lián)模型部位后與造價產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系，由于平臺質(zhì)量管理精細至工序控制點級別，故能夠滿足項目對于造價計算中某些特殊要求，例如完成混凝土澆筑計部分，強度報告后計部分，通過更改造價累計觸發(fā)條件即可實現(xiàn)。

通過賦予模型造價信息，及設(shè)置計價觸發(fā)條件，在人員不斷對檢驗批資料錄入的同時，完成了“虛擬造價空間”的構(gòu)建，負責(zé)現(xiàn)場計量人員通過觸發(fā)累計條件生成的造價條目，可有效地反向進行申報資料的審核及報表冊(自動生成)金額核對。通過數(shù)字孿生體系，實現(xiàn)了過程中以造價信息模型結(jié)合質(zhì)量信息錄入，自動生成過程造價信息的有效反饋，邏輯如圖6所示。

3.1.3 虛擬安全環(huán)保預(yù)警空間

平臺應(yīng)用硬件采集數(shù)據(jù)并設(shè)置閾值報警技術(shù)在地道監(jiān)測、揚塵監(jiān)控等領(lǐng)域已經(jīng)運用廣泛，本文不做贅述。平臺“虛擬安全環(huán)保預(yù)警空間”其建立核心是通過前期對危險源、問題易發(fā)點或設(shè)備進行錄入后，按照進度模塊中上報的工序情況進行觸發(fā)式信息提醒、巡檢任務(wù)安排等。

負責(zé)現(xiàn)場安環(huán)人員除對采集數(shù)據(jù)報警予以處理外，針對過程中虛擬空間由于工序報工而觸發(fā)的信息、任務(wù)進行排查、執(zhí)行，高效地消除危險源及安全隱患，并對存在安全、環(huán)保問題的地點或設(shè)備進行處理。通過觸發(fā)式的引導(dǎo)，虛擬空間對現(xiàn)實的反饋大幅提高了安全環(huán)保工作的針對性，具體反饋機制如圖7所示。

3.1.4 虛擬項目圈子

在移動設(shè)備普及率較高的現(xiàn)代，如微信朋友圈此類的“圈子”被廣泛使用。針對傳統(tǒng)項目管理中各方對各類問題交流信息不對稱、問題執(zhí)行情況透明程度不高等問題，屬于項目參建人員的虛擬圈子就具有重大的意義(實際應(yīng)用中僅移動、PC雙端開放此功能)。同時，BIM-GIS提供的完備的模型部位及地理環(huán)境信息均可進行標注、討論等操作，提供了一種新的理念模式[9]。

所有參建人員，均可在項目圈子中類似微信朋友圈發(fā)表、轉(zhuǎn)發(fā)、評論內(nèi)容，虛擬的社區(qū)帶來的便利即是，所有有效的信息輸入(指分類明確、表達清晰、客觀存在)均可快捷、公開地得到反饋，若無及時反饋，也能依據(jù)問題發(fā)起時間、負責(zé)人等信息透明追責(zé)。仿真的項目圈子，徹底解放了參建人員的協(xié)調(diào)時間，并透明化協(xié)調(diào)內(nèi)容，邏輯如圖8所示。

3.2 效益分析

圖7 數(shù)字孿生體系—安全環(huán)保

圖8 數(shù)字孿生體系—項目圈子

從空間應(yīng)用過程角度出發(fā)，以高架快速路項目中上文涉及的幾個特殊空間進行樣本分析。雖然該工程存在空間范圍廣、專業(yè)復(fù)雜等問題，但空間對該物理對象有著符合邏輯、明確細致的反映，考慮人、機、物、環(huán)境等要素并忠實地給予了反饋信息。同時，精細化建模帶來的優(yōu)勢即是虛擬空間的構(gòu)建可真實、可靠地開展，例如計量、進度空間的建立。模型攜帶越完備的幾何、非幾何信息則數(shù)字化映射產(chǎn)生的行為反饋及規(guī)則制定都會更為明確直觀。在過程中，孿生空間帶來的動態(tài)集成數(shù)據(jù)，擁有其自動智能運行、全面精確管控、數(shù)據(jù)來源可靠等巨大優(yōu)勢。

從空間前期搭建的角度出發(fā)，前期工作投入不可避免地增加，但鑒于項目特點(詳見本文2.2小節(jié))，在傳統(tǒng)方式中即使前期進行了有效規(guī)劃，由于管廊、高架同步施工以及工作范圍大、專業(yè)類型多的固有特點等客觀問題，施工過程中質(zhì)量、安全環(huán)保、造價計算等調(diào)整變更等工作量依舊龐大。反觀利用孿生空間，在擁有完備的邏輯編程語言后，僅需要前期投入進行空間的構(gòu)建以及過程中數(shù)據(jù)的更新維護，即可自動獲得一個能夠反哺現(xiàn)實工程的數(shù)字孿生體系，解決大部分難點工作、痛點問題。因此，前期數(shù)字孿生體系的搭建及數(shù)據(jù)維護更新具有相當重要的意義。

4 結(jié)論及展望

本文通過實際項目難痛點分析及針對性的BIM技術(shù)應(yīng)用點優(yōu)化、BIM協(xié)同管理平臺搭建以及數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用探索，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

(1)市政高架快速路工程作為重要的基礎(chǔ)建設(shè)，同時具有周期長、范圍廣、專業(yè)多的特點，亟需針對其施工過程中進行數(shù)字化管理。概述了在高架項目中部分BIM技術(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用點的針對性優(yōu)化。

(2)概述了標準化BIM協(xié)同管理平臺搭建原則。并從高架快速路項目施工階段實際應(yīng)用出發(fā)，分析了平臺重要模塊運作邏輯及效果。

(3)從數(shù)字孿生技術(shù)出發(fā)，以BIM協(xié)同管理平臺功能為基礎(chǔ)，架構(gòu)項目施工階段多方位虛擬空間，并從實際出發(fā)分析虛擬現(xiàn)實的多類正向反饋。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用減少了大量過程中突發(fā)問題，增加了大量工作的針對性，大幅提升了工程數(shù)字化、自動化程度。

鑒于數(shù)字孿生技術(shù)的顛覆性與發(fā)展?jié)摿Γ杂性S多問題需要更進一步的探索。同時，現(xiàn)階段工程數(shù)字化應(yīng)用實例多而雜，個人在研究中也難免存在不同解讀。但相信在不遠的未來，會有更多人投入到此類工作中，共同推動該類型項目的數(shù)字化進程。