一座世界級跨海集群工程的BIM探索與實踐

文/圖 深中通道管理中心 劉健 羅林杰 中路高科交通檢測檢驗認證有限公司 卜慶晗 林述濤

改革開放以來，我國交通基礎設施建設取得了舉世矚目的成就，創造了“中國速度”。為實現從“交通大國”向“交通強國”的轉變，黨中央在“十四五”規劃中明確提出，加快數字化發展，推動數字經濟和實體經濟深度融合。BIM作為一種全新技術，涉及工程項目從規劃、設計、施工到運營維護全生命周期的技術與管理的創新。

解決全生命周期復雜管理需求

作為國家“十三五”重大工程，深圳至中山跨江通道（以下簡稱“深中通道”）工程是繼港珠澳大橋之后又一座世界級集“橋、島、隧、水下互通”為一體的跨海集群工程，承擔著推動行業從“工程建造”向“工程智造”發展的責任與使命。

深中通道路線起自廣深沿江高速機場互通，以6.8公里的特長海底隧道穿越機場支航道及礬石水道，經西人工島橋隧轉換后再以特大跨徑橋梁跨越伶仃西航道及橫門東水道，最后登陸于中山市馬鞍島，全長約24公里。

圖1.深中通道全線構造物平面布置圖

深中通道工程位于內伶仃洋海域，規模宏大，施工制約因素多，建設環境異常復雜，涉及專業、行業及參建單位眾多，工期要求緊，協調組織難度大。為滿足復雜的管理需求，深中通道工程秉持BIM技術，并將其貫穿于工程的全生命周期。其中，建設期BIM技術的應用重點在于提升工程建造智能化、項目管理無紙化和工地管控可視化的水平。

智能建造支撐跨海集群工程

深中通道工程以需求為導向，以工業化與信息化的深度融合為基礎，以《中國制造2025》為契機，以提質增效為中心，全面推行智能建造,引領交通行業高質量發展。

圖2.智能建造體系

沉管鋼殼智能制造

深中通道沉管共32個管節,總用鋼量達32萬噸,平均每個管節1萬噸,排水量相當于1艘中型航空母艦；管節構造非常復雜,單個標準管節由2800個隔艙組成，橫縱隔板、連接件交錯;單個管節焊縫累計長度達27萬延米；交通工程和機電設施等預留預埋設施達每管節3.2萬個；鋼殼制造幾何精度要求在正負10毫米，遠高于鋼箱梁和造船行業的精度要求；為保證建設工期,鋼殼制造需要滿足每月1節的出廠要求。

深中通道工程方研發了國內重工業行業首個“四線一系統”沉管鋼殼制造體系，包括板材、型材智能下料切割生產線、片體智能焊接生產線、塊體柔性智能焊接生產線、智能涂裝生產線和生產制造執行系統（MES），實現了基于MES系統的車間產能智能排產、拆解工作包、精細派工至每個班組，以及小節段車間智能制造、中節段場地數字搭載和大節段塢內自動總組。同時，工程方還建立工廠物聯網，以實時采集物料、設備、工藝數據，并建立三維焊縫地圖，通過焊縫實名制管理，對焊縫設計、生產及檢驗全過程質量溯源。

圖3.沉管鋼殼智能制造MES系統

鋼殼混凝土智能澆筑

深中通道沉管鋼殼隔艙混凝土澆筑面臨眾多難點——自密實混凝土性能要求高,拓展度要求控制在600毫米至720毫米，配制和質量穩健性控制難度大；單個管節隔艙數量超過2500個，規格多,工藝參數控制及施工組織難度大；密肋封閉結構,混凝土不易填充密實,施工難追溯,脫空要求不大于5毫米，脫空缺陷難檢測；自密實混凝土有效澆筑時間少于或等于90分鐘。

為保障自密實混凝土澆筑質量,工程方研發了智能化澆筑裝備,通過傳感器和智能澆筑小車可實現混凝土自動布料、快速自動尋位、自動澆筑及澆筑速度控制；基于BIM、智能傳感和物聯網技術,研發涵蓋混凝土生產、運輸、澆筑及檢測的鋼殼沉管混凝土澆筑全過程智能化、信息化管理系統,利用大數據輔助決策,實現沉管預制各環節任務智能分配、實時監控記錄及施工缺陷快速定位、自動生成報表的優質、高效、智能化和精細化管理,實現“管節預制全過程信息化管控”。

鋼殼沉管管節智能安裝

深中通道工程沉管隧道預制工廠距離隧址約50公里。受到工程水文泥沙條件、管節尺寸、航道水深、運輸距離、基槽約5公里的長距離橫拖、對接安裝精度、氣象窗口等因素制約,超大體量鋼殼沉管管節的運輸安裝及沉放難度大、風險高。

為降低施工風險、保障水上公共安全、提高對接精度、減少疏浚量，工程方結合項目需求，研發沉管運輸安裝一體船——集沉管浮運、定位、沉放和安裝等功能于一體,具有DP定位和循跡功能,以及航跡線控制、自航速度快、抵抗橫流、減少航道通航影響、可實現應急回拖等優點,能提升長距離管節浮運施工安全保障能力,并大幅提升浮運安裝工效,實現智慧安裝。此外,工程方還配備了沉管沉放姿態控制系統,可實現沉管水下40米的厘米級對接。

鋼箱梁智能制造

深中通道鋼箱梁制造的主要難點——正交異性鋼橋面板在鋼箱梁橋運行過程中容易出現疲勞裂紋；鋼箱梁“U”形肋與頂板的全熔透焊接對加工制造提出了更高的要求；深中通道工程位于白海豚保護區，對橋位涂裝提出了更高的環保要求。

對此，深中通道工程方研發了鋼箱梁“四線一系統”，其中“一系統”即MES系統，可圍繞產品交付周期、項目計劃、設計、工藝等管控要素，通過實施數字化、制造單元智能化、建立管理層與各業務層閉環管控鏈路，打通各管理層級、業務部門之間壁壘，并基于產品BIM模型，對接“四線”應用，方便各級管理層及時掌握生產經營狀況，提升管控能力。

智慧梁場建設

深中通道工程打造了國內一流的智慧梁場，集成混凝土拌和智能控制系統、鋼筋自動化加工生產線、模板自動液壓控制系統、智能張拉壓漿系統和自動噴淋養護系統等，通過建立鋼筋集中加工配送中心、引進鋼筋自動加工流水線、打通鋼筋BIM與數控加工設備的接口，實現了鋼筋3D建模，生產訂單數據網絡傳輸，設備自動化生產及對原材料及半成品動態物流管控等的智能化管理；通過建立混凝土拌和智能控制中心和ERP系統，可自動監控原材庫存消耗、配合比設計、混凝土質量及車輛運行調度情況；通過建立基于BIM的智慧梁場管理平臺，實現了對工廠生產管理、物資材料、勞務人員、特種設備及車輛調度等的信息化管控，進而實現了整個項目的進度可視化、生產自動化、管理扁平化。

數字化協同管理打破“數據孤島”

基于BIM的協同管理

深中通道工程具有工作界面多、管理線條多、參建單位多等特點，內業與外業協同管理的需求十分強烈。同時，工程還存在軟件系統眾多，各系統數據之間相對獨立，極易形成“數據孤島”。

對此，深中通道工程建立了基于BIM的協同管理一體化平臺，除統一門戶和實名制賬戶，深度開發十余個業務管理子系統外，還建立統一的分部分項工程編碼與分項工程量清單編碼，把施工BIM模型單體化，模型與WBS編碼關聯，以現場工序報驗為最小管理單元。施工人員在手機端發起工序報驗，監理驗收合格后上傳云端，可及時反饋實際進度，并與計劃對比分析。在質量監督管理系統中，基于統一的分部分項工程編碼填報工程質檢數據，生成工程質保文件支持計量支付，使各業務系統形成的電子文件可自動歸檔到檔案管理系統中。深中通道工程首次實現了“BIM-現場工序-進度反饋-質量檢驗-計量支付-電子檔案”的全業務流程協同管理。

基于物聯網和大數據的智慧工地管控

深中通道工程建設管理平臺

針對施工現場質量監控難，以及施工過程中存在的安全事故發現難、事后查證難、人員行為管控難等情況，工程方通過GPS記錄人員和設備行動軌跡，實時跟進人員、設備情況；對塔吊、浮吊、運架一體船等特種作業設備，搭建特種作業設備實時在線安全監控系統，實現對現場特種設備的實時在線監測；建立數據接口標準，與門禁設備對接，授權和查看現場人員通行記錄；實時采集拌和站與試驗室過程數據，由后臺自動統計分析，在發生異常時立即發布預警提示消息，確保相關人員第一時間趕至現場。基于BIM集成施工監測數據，還可動態監控數據變化，超出閾值自動預警；監測海洋環境，設置浮漂、觀測點和氣象站，實時監控海浪、海流、氣象等數據，切實保證沉管浮運安裝的安全。

研發智慧深中數字指揮平臺

研發智慧深中數字指揮平臺，基于多種風格的二維GIS地圖，集成人、機、船、視頻監控、門禁、場站等坐標、屬性和鏈接等信息，對投資與產值數據進行動態對比與統計；追蹤機械設備進退場、類型及在線情況等；動態追蹤各類隱患問題并分類管理；在線監控拌和站與試驗室生產數據并在異常時發出預警；統計項目組卷、八大類案卷和各標段組卷數據；集成智能制造系統，直觀掌握生產進度和關鍵數據。

推行項目電子文件歸檔與電子檔案管理

深中通道工程是國家檔案局電子檔案“單套制”管理五個試點工程之一，也是公路交通基礎設施領域唯一的一個試點工程。深中通道工程引入CA認證技術，完成各大業務系統升級改造，并建立以電子文件歸檔和電子檔案管理規范化、科學化為核心，覆蓋“形成、流轉、歸檔、利用”等全流程的電子文件管理制度體系；攻克了在建工程電子文件管理及其系統開發中涉及的元數據、電子簽名、電子公章、封裝和備份等關鍵技術，解決了在建工程電子文件憑證效力問題的管理機制和管理模式；首次實現了工程業務過程管理與檔案管理的融合，徹底解決了以往工程信息化管理“兩張皮”的問題根源，國內在工程建造領域首次實現項目管理無紙化。

BIM及數字化技術在深中通道工程中的應用，推動了我國公路建設走向“工業化、標準化和智能化”，推動了基于BIM的三維數字化協同設計和施工期全方位BIM技術應用，為項目數字化模型建養一體化傳遞、共享和利用打下了基礎，提升了工程質量和交付品質。深中通道工程以BIM和數字化技術為核心，改變了工程參建各方的交互方式和工作管理模式，持續改進了工程質量、進度、安全、環保、成本等方面的管控，推進了工程從經驗管理走向數據管理。目前，深中通道工程數字建造的研發與應用成果，已逐步在粵港澳大灣區乃至全國范圍的公路交通基礎設施項目中推廣與應用。