基于BIM技術(shù)的高速公路施工進度管理實施框架研究*

楊軍紅，陳寶光，陳國龍，楊 旭

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048； 2.長沙中交京緯工程技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000； 3.北京中交京緯公路造價技術(shù)有限公司，北京 100025)

0 引言

在追求綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的今天，高速公路的設(shè)計和建設(shè)必須有更大的競爭力才能滿足市場需求[1]。因此，降低成本和縮短工期尤為重要。近年來，BIM技術(shù)打破建筑領(lǐng)域傳統(tǒng)的項目管理運行模式，推動進度管理改革進程[2]。傳統(tǒng)的項目進度管理方式依據(jù)設(shè)計圖紙、工程定額等資料，結(jié)合項目管理者的經(jīng)驗，使用虛構(gòu)的方法編制項目進度表。傳統(tǒng)的項目進度管理主要表現(xiàn)在二維層面上，進度計劃和模型彼此獨立，無法實現(xiàn)一對一交互[3]。二維圖紙模型表達抽象，對施工人員技術(shù)要求較高。基于BIM的三維模型可視化技術(shù)大大提高人工模型的交互性。

高速公路項目路線長、工程量大、投資大、專業(yè)范圍廣、周期長、對周圍環(huán)境影響大、施工組織復(fù)雜。因此，高速公路建設(shè)過程中，需要先進的技術(shù)手段解決施工進度管理問題。BIM技術(shù)可對高速公路實施過程中的建設(shè)效率、數(shù)據(jù)傳輸精度、成本控制及項目設(shè)計、建設(shè)及運營維護等產(chǎn)生積極影響，滿足新時代背景下對進度管理的要求，提高我國高速公路建設(shè)過程中的管理水平。

1 技術(shù)難點

BIM技術(shù)具有可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等優(yōu)點。高速公路設(shè)計與建設(shè)過程中，在3D物理模型的基礎(chǔ)上融入進度計劃信息構(gòu)成4D模型[4]，可通過漫游等功能實現(xiàn)對關(guān)鍵技術(shù)在線模擬，便于及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而更好地為項目管理服務(wù)。

1.1 設(shè)計方案到施工模型的轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)建設(shè)項目在設(shè)計階段交付的成果一般是二維CAD圖紙，施工單位根據(jù)二維圖紙進行施工，資料繁多、理解抽象。基于BIM技術(shù)的高速公路項目進度管理依賴于3D BIM模型，將3D模型和進度計劃進行整合，利用BIM技術(shù)實現(xiàn)施工模擬，再借助BIM技術(shù)可視化給人以直觀感受[5]。因此，要實現(xiàn)基于BIM的施工進度管理必須實現(xiàn)二維圖紙到三維物理模型的轉(zhuǎn)變。通常，構(gòu)建施工BIM模型有以下方式。

1)在設(shè)計階段利用BIM技術(shù)構(gòu)建設(shè)計模型，直接交付三維BIM模型，施工單位在設(shè)計模型基礎(chǔ)上構(gòu)建施工BIM模型，添加進度信息形成4D模型，還可添加造價信息構(gòu)成5D模型。

2)設(shè)計單位交付的是二維CAD圖紙，施工單位根據(jù)CAD圖紙構(gòu)建三維施工BIM模型，然后將高速公路三維BIM模型與進度信息整合成4D模型，利用可視化技術(shù)進行施工模擬。

目前，部分設(shè)計院已采用BIM技術(shù)進行設(shè)計，但由于構(gòu)建BIM模型前期資本投入較大，主要受益在施工階段及運營維護階段，所以目前大部分項目采用二維CAD交付，因此采用第2種方式構(gòu)建施工BIM模型更接近實際。

1.2 基于IFC的數(shù)據(jù)流通

BIM技術(shù)的實現(xiàn)依賴計算機，工程項目建設(shè)工期長、參與單位眾多、施工程序復(fù)雜，基于一種或一類BIM軟件并不能實現(xiàn)所有功能。隨著BIM技術(shù)的推進，Autodesk Revit, Autodesk Civil 3D, Autodesk CAD, Autodesk Navisworks, P6/Microsoft Project被開發(fā)上市，然而不同軟件構(gòu)建的模型格式并不統(tǒng)一，模型間信息的整合存在兼容問題，需要形成標準，使各方在同一標準下進行交流。

當前國際上認可較高的是IFC(industry foundation classes)標準[6]，該標準由國際組織IAI(International Alliance for Interoperability，現(xiàn)改名為bSI (building SMART International))制定并維護[7]。如果構(gòu)建BIM模型過程中或需整合的數(shù)據(jù)中選用不支持IFC標準的軟件，則需通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等方式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通。

1.3 高速公路4D模型的動態(tài)修改

高速公路施工進度管理是施工階段的動態(tài)管理過程，施工進度依據(jù)4D模型進行管控，當實際施工進度與4D模型偏差較大時，需及時調(diào)整進度，以達到工期要求。然而調(diào)整進度涉及三維模型與進度等多重數(shù)據(jù)，工作量、工作難度較大[8]。因此，高速公路施工4D模型動態(tài)修改成為實現(xiàn)該技術(shù)的難點之一。

為突破這一難點，主要采取以下解決方案：①起初實現(xiàn)進度管理與BIM物理模型相分離狀態(tài)，即施工單位在進度管理平臺或軟件中編制進度管理計劃，然后與BIM物理模型整合成4D模型。該情況只需在進度管理平臺或軟件中修改進度信息，重新整合后即形成新的4D模型。②直接在4D模型中選取高速公路相應(yīng)的施工模塊，逐條修改需修改的信息。

2 基于BIM的高速公路施工進度管理架構(gòu)

基于BIM技術(shù)的高速公路施工進度管理4D模型包含三維地形信息、道路建筑物信息、施工進度信息等，各種信息間互相銜接實現(xiàn)施工進度模擬。

2.1 基于BIM的高速公路建模流程

依據(jù)高速公路的施工進度管理需求，采用Autodesk公司產(chǎn)品，對技術(shù)難點提供解決方法。高速公路施工模型建模流程如圖1所示。分別利用不同軟件進行三維地形建模、三維建筑物建模、施工進度計劃編制，最后通過高速公路工程施工進度管理平臺進行信息整合，從而實現(xiàn)施工進度可視化模擬。

2.2 進度管理BIM應(yīng)用架構(gòu)

基于BIM的高速公路施工進度管理需考慮組織、過程、信息、系統(tǒng)要素[9-10]，其中組織要素主要指施工過程中的各參與者、管理模式、合作方式及權(quán)責分配。過程要素主要包含施工準備、實施、工程竣工的整個流程及各流程所包含的工作、資源投入等。信息要素指施工過程中產(chǎn)生的施工信息及表達方式等。系統(tǒng)要素主要負責工程及創(chuàng)建和使用信息的計算機軟件與系統(tǒng)。考慮以上要素及其相互聯(lián)系，結(jié)合圖1，構(gòu)建基于BIM的施工進度管理框架，如圖2所示[11]。

圖2 基于BIM的高速公路施工進度管理框架

3 建立高速公路施工BIM模型

高速公路工程基于自身特點，若采用傳統(tǒng)的施工管理模式，工作效率低、易造成信息流失等，而采用BIM集成技術(shù)可有效解決這些問題。相比產(chǎn)品設(shè)計和建筑設(shè)計，高速公路具有項目規(guī)模龐大，需與路基、橋梁、道路等專業(yè)相互協(xié)調(diào)配合等特點，因此需采用不同設(shè)計流程[12]。不同之處主要體現(xiàn)在表達方式、信息豐富程度及功能特性等方面[13]。

3.1 地形模型

地形模型是三維實景模型，可很好地反映高速公路建設(shè)地區(qū)的地形、地貌特征，具有直觀、形象、逼真的特點[14]。地形模型由地形測繪數(shù)據(jù)和實景影像組成，一般采用以下方法構(gòu)建地形模型。

1)收集高速公路工程所在區(qū)域的地形影像、周圍建筑物的三維數(shù)字模型及地形、地貌矢量數(shù)據(jù)等信息，導(dǎo)入BIM軟件進行處理，構(gòu)建地形、地貌三維模型。

2)首先建立三維地形曲面模型(由測繪人員現(xiàn)場測量得到地形數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入BIM軟件)，然后利用BIM軟件疊加實景影像(可由谷歌地球等軟件獲得)與曲面模型，從而得到高速公路工程建設(shè)區(qū)域的三維地形模型。

3.2 高速公路BIM模型

為使施工模擬和實際施工過程實現(xiàn)最大化吻合，以高速公路施工過程為研究對象，基于施工方案計劃，將項目分解成不同施工區(qū)域進行建模[15]。該模型是實現(xiàn)高速公路施工進度管理的基礎(chǔ)，集成物理特性和功能特性，包含項目所處空間位置、形狀結(jié)構(gòu)及所用材料屬性等信息[16]。高速公路模型構(gòu)建主要分為2種，具體流程如圖3所示。

圖3 高速公路模型構(gòu)建流程

無論是地形實體模型，還是符合分區(qū)的實體模型，部件LOD精度直接決定施工分區(qū)實體模型精度，可利用編輯器提升部件精度。

3.3 施工進度計劃

基于BIM技術(shù)的施工進度計劃相比傳統(tǒng)橫道圖控制施工進度計劃，具有更好的可視性[16]，可借助Microsoft Project創(chuàng)建施工進度計劃，根據(jù)施工方案及施工進度計劃編制施工進度橫道圖。

3.4 高速公路施工4D模型

基于BIM的高速公路施工4D模型構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 高速公路施工4D模型構(gòu)建流程

如圖4所示，高速公路施工4D模型是施工進度計劃任務(wù)包與高速公路3D BIM模型的集成。構(gòu)建施工進度計劃任務(wù)包時可借助Microsoft Project 軟件，基于WBS分解建立高速公路施工進度計劃。

使用Autodesk Navisworks能實時提供整體項目視圖，支持高效三維協(xié)作、四維規(guī)劃、照片級可視化、動態(tài)仿真與精確分析。Navisworks 能確保所有相關(guān)人員在創(chuàng)建、查看與審閱三維模型時使用一致的數(shù)據(jù)。借助Autodesk Navisworks Management，Microsoft Project軟件建立高速公路施工4D模型的過程如下。

首先將高速公路三維模型導(dǎo)入Navisworks Management中，然后將高速公路三維模型WBS與Microsoft Project施工進度計劃通過字段選擇器對話框進行鏈接，鏈接時需選擇相應(yīng)的同步ID。另外，當前Navisworks Management中的Time Liner模塊支持如Microsoft Project，P6進度計劃軟件的數(shù)據(jù)格式。

高速公路3D模型與進度計劃必須準確關(guān)聯(lián)才能使4D模型發(fā)揮作用[17]。關(guān)聯(lián)高路公路3D模型與進度計劃主要有如下方法。

1)逐項添加進度參數(shù) 施工進程中，可隨時在Navisworks Management平臺的Time Liner模塊中進行調(diào)整。選擇“任務(wù)”選項卡，添加任務(wù)進度信息。

2)按既定規(guī)則自動附著 利用Navisworks Management平臺的Time Liner模塊自動附著功能進行鏈接。但采用此方式利用Project制定進度計劃和構(gòu)建高速公路3D模型時，需使用相同的命名規(guī)則。之后在高速公路3D模型中，分區(qū)項目將自動關(guān)聯(lián)進度任務(wù)信息，然后可根據(jù)進度輸入相關(guān)輔助信息，如任務(wù)項的基本時間信息，以鏈接高速公路3D模型與進度計劃。

以上方法都能完成高速公路4D模型的構(gòu)建，但各有特點，使用自動附著方式速度快，但要求較高，3D模型和進度信息間的施工任務(wù)命名必須完全一致，否則不能實現(xiàn)關(guān)聯(lián)[18]。相反，逐項添加方式無需完全一致，并且可根據(jù)實際施工過程隨時進行調(diào)整，比自動附著方式靈活度高，但此種方式量大繁雜、速度慢。

4 高速公路項目的施工模擬

4D模型構(gòu)建成功后可進行施工模擬，即高速公路施工進程以可視化形式呈現(xiàn)[19]。進行現(xiàn)場施工前，管理人員可對關(guān)鍵技術(shù)進行施工模擬，以便進行更優(yōu)良的資源分配，從而提高施工效率、縮短工期、節(jié)約成本[20]。基于BIM技術(shù)的高速公路施工進度模擬可從以下層面進行。

1)任務(wù)層面 通過關(guān)聯(lián)高速公路3D模型和施工進度計劃完成。該關(guān)聯(lián)需借助Navisworks Management平臺模擬功能，快速高效，但對施工設(shè)備、臨時工序及場地資源關(guān)注較少。

Navisworks Management平臺模擬功能可進行多種操作，項目管理人員根據(jù)自身需要選擇順時執(zhí)行或逆時執(zhí)行。若不清楚部分施工工序可選擇暫停操作，以便熟悉高速公路各施工工序間的關(guān)系，同時可及時發(fā)現(xiàn)并處理影像施工計劃中的問題。

當高速公路施工進度計劃與實際施工操作出現(xiàn)偏差且需要調(diào)整時，可在Project中調(diào)整進度計劃，然后在Navisworks Management上刷新數(shù)據(jù)源，不必重新進行關(guān)聯(lián)，節(jié)約時間、提高效率。

施工4D模型完成后，即可通過Time Liner模塊輸出功能輸出視頻，通過視頻項目管理各方可更直觀、形象地了解高速公路施工全過程[21]。

2)操作層面 高速公路施工進度模擬相比基于任務(wù)層面的模擬更具精度、過程更繁雜，該方式通過詳細模擬施工工序，使管理人員更了解施工資源使用情況以便協(xié)調(diào)。此層面模擬通常用于對關(guān)鍵工程重要節(jié)點的施工方案必選及優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)實施高速公路施工進度管理研究，并針對性地提出解決方案，系統(tǒng)介紹該項目施工4D BIM模型的構(gòu)建流程，在4D模型基礎(chǔ)上制定基于BIM的施工進度管理架構(gòu)，基于此架構(gòu)系統(tǒng)闡述基于BIM的施工模擬流程。