昆陽路越江及配套道路工程數(shù)字化應(yīng)用

文｜劉攀攀 蔣海里

項(xiàng)目介紹

昆陽路越江及配套道路工程又稱閔浦三橋，位于上海市閔行區(qū)與奉賢區(qū)交界處，是上海市公路網(wǎng)規(guī)劃中連接閔行、奉賢區(qū)的南北向的重要干線公路之一，包含一座跨越黃浦江的越江大橋，以及地面道路、排水工程等。全長約3.49km，黃浦江大橋長約1.94km。主橋?yàn)楠?dú)塔單索面四跨連續(xù)鋼-混凝土疊合梁斜拉橋，跨徑布置為50m+2*220m+50m 總長540m，橋面采用錯層布置，上層供機(jī)動車輛通行，下層供人非通行。主墩采用70 根直徑Φ1500mm 的鋼管樁作為基礎(chǔ)，鉆石型橋塔的塔高為136m。

項(xiàng)目目標(biāo)。依托閔浦三橋工程，采用數(shù)字化技術(shù)，建立橋梁及地面環(huán)境的各類模型，結(jié)合橋梁建造特點(diǎn)，開發(fā)“基于BIM +GIS 的企業(yè)級橋梁建設(shè)數(shù)字化綜合管理平臺”。在綜合管控平臺上，集成橋梁工程各種管理類數(shù)據(jù)并將其中部分?jǐn)?shù)據(jù)映射至三維模型。

關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

建模工具包開發(fā)。Microstation 軟件的精準(zhǔn)繪圖與強(qiáng)大的兼容性和擴(kuò)展性這兩大特點(diǎn)滿足大型橋梁建模的要求，利用Microstation 軟件建立了LOD400 的閔浦三橋主橋永久結(jié)構(gòu)模型，可清晰的展現(xiàn)鋼筋及預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)、拉索錨固系統(tǒng)、附屬設(shè)施等所有圖紙存在的構(gòu)件（圖1），所有構(gòu)件按照工程分部分項(xiàng)劃分建立樹狀結(jié)構(gòu)的父子關(guān)系。

圖1 閔浦三橋主橋永久結(jié)構(gòu)模型

圖2 按引導(dǎo)線生成鋼錨梁

圖3 項(xiàng)目早期實(shí)景模型

斜拉橋橋梁構(gòu)造復(fù)雜，其內(nèi)部構(gòu)造會隨著每一個節(jié)段的鋼錨梁與鋼錨箱的斜拉角度的變化而存在巨大差異，為了實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模的需求，基于Microstation 開發(fā)專業(yè)插件工具，采用C#編程語言編制，主要實(shí)現(xiàn)鋼錨梁與鋼錨箱參數(shù)化建模，可以根據(jù)所定義的斜拉索角度自動生成鋼錨箱與鋼錨梁中所有構(gòu)件。此工具包包含了導(dǎo)入?yún)?shù)表、導(dǎo)出參數(shù)表、各組成構(gòu)件參數(shù)實(shí)時修改與預(yù)覽功能、原點(diǎn)生成鋼錨梁、按引導(dǎo)線生成鋼錨梁等功能，大大提高了建模效率。

工程環(huán)境建模。閔浦三橋項(xiàng)目工程環(huán)境復(fù)雜，為了保證周邊村民在施工期間的通行，協(xié)調(diào)工程與環(huán)境的空間關(guān)系，對施工環(huán)境進(jìn)行實(shí)景建模。嘗試采用大疆的精靈4 與M210 兩種無人機(jī)采集高疊合率照片，利用實(shí)景建模軟件ContextCaputure 建立誤差范圍在5cm 以內(nèi)的工程環(huán)境實(shí)景模型。在進(jìn)場時的原貌、中期階段、項(xiàng)目后期以及竣工驗(yàn)收四個階段更新實(shí)景模型并載入自主開發(fā)的管理平臺中，進(jìn)行深化使用。

無人機(jī)采集的模型為橢球坐標(biāo)系，通過技術(shù)研發(fā)并設(shè)定控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用的城市坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)“虛擬的橋梁結(jié)構(gòu)模型”與“真實(shí)的三維工程環(huán)境”的無縫銜接，如圖4所示。整合后的模型在項(xiàng)目區(qū)域真實(shí)三維環(huán)境下快速應(yīng)用到交通模擬、場地布置和施工模擬中，通過比選可以快速確定施工每個時期交通模擬、場地布置和施工模擬等工作的方案，最大程度的減少施工工期與施工成本。閔浦三橋南北兩岸立柱安裝計劃工期分別為142 個工作日和148 個工作日，立柱施工期間南岸配合實(shí)景模擬做場地布置與施工模擬，整個工期提前了3個工作日，北岸在立柱施工期間未建實(shí)景模型，工期比計劃推遲了26 個工作日。

圖4 “虛擬的橋梁結(jié)構(gòu)模型”與“真實(shí)的三維工程環(huán)境”無縫銜接

圖5 驅(qū)動巨量鋼筋模型

圖6 圖形引擎中剖切功能的使用

圖7 電子圍欄與人員位置數(shù)據(jù)

圖形引擎。本工程的管理平臺采用由參評單位秉匠信息科技自主研發(fā)名為“黑洞”的圖形引擎，用于對大體量、高精度的橋梁模型以及地形模型的云端展現(xiàn)，該引擎在多源模型整合方面的表現(xiàn)優(yōu)異，支持多種格式的BIM 模型數(shù)據(jù)（.dgn/.i.dgn/.rvt/.ifc 等）和GIS 實(shí)景模型數(shù)據(jù)，并且具備豐富的二次開發(fā)接口。本項(xiàng)目全橋模型的文件大小達(dá)到了40G+，每個階段的實(shí)景模型達(dá)到10G+。

操作流暢也是該引擎的一大特點(diǎn)，面對閔浦三橋如此大體量的精細(xì)化模型，即使是瀏覽鋼筋也能非常流暢，漫游到任何視角都不會卡頓。配合隱藏地形、構(gòu)件隔離隱藏與顯示、頂點(diǎn)捕捉、距離與角度測量、包圍體剖切、構(gòu)件屬性查看與設(shè)置、視圖保存、動畫漫游、GIS模型的單體化與拍平這些基本操作功能即可實(shí)現(xiàn)對模型在線共享的最大化利用。

基于模型的人員定位管理。為了提高現(xiàn)場人員管理效率、掌握人員動態(tài)，現(xiàn)場架設(shè)人員定位基站，人員根據(jù)集定位卡、飯卡、門禁卡于一體的卡片進(jìn)入，芯片采集的人員位置數(shù)據(jù)傳遞到管理平臺中，管理平臺將人員位置數(shù)據(jù)與模型相整合，在三維虛擬施工現(xiàn)場中可以準(zhǔn)確直觀的顯示人員基本信息、人員空間位置及周邊環(huán)境信息。

在管理平臺中繪制虛擬電子圍欄并定義安全區(qū)域，快速預(yù)警離開安全區(qū)域的人員。管理人員通過查看工人的歷史軌跡和進(jìn)出閘機(jī)信息，綜合實(shí)現(xiàn)了考勤管理及在場時間統(tǒng)計功能，從而對現(xiàn)場分塊區(qū)域管理。依托實(shí)景模型，整個現(xiàn)場管理尤其是人員定位可以更加清晰、直觀的展現(xiàn)。

管理平臺。為了更高效的管理大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“基于GIS+BIM 的企業(yè)級橋梁建設(shè)數(shù)字化綜合管理平臺”。平臺采用基于角色的工作流訪問控制模型，即根據(jù)工作流需求，設(shè)置統(tǒng)一的角色集，并分配各角色相應(yīng)的訪問權(quán)限。平臺共開發(fā)了12 個一級功能模塊，與模型緊密關(guān)聯(lián)的主要有綜合監(jiān)控、全景展現(xiàn)、人員管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理和智能監(jiān)測6 大模塊。

管理平臺有小程序與網(wǎng)頁端兩種訪問方式。小程序主要滿足采集工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)、快速查看拍照和重要的信息等需求。Web 端可滿足所有功能模塊的任務(wù)需求，現(xiàn)場人員通過集成在模型中的現(xiàn)場視頻攝像頭，可清晰直接的觀看現(xiàn)場實(shí)時畫面；現(xiàn)場人員通過施工日志關(guān)聯(lián)每日工作量，可在對應(yīng)的模型展現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度；特殊工種信息的錄入與證書圖片的上傳、特殊工種證書到期提醒、安全教育與安全交底人員、次數(shù)與時長進(jìn)行統(tǒng)計、文明施工與問題跟蹤的錄入與查看、設(shè)備的證書與狀態(tài)管理等功能便捷、省力的完成安全管理。

圖8 管理平臺主頁面

通過此管理平臺與小程序，項(xiàng)目現(xiàn)場人員可對工程與周邊環(huán)境有直觀的可視化了解，施工各部門對工作的流程也更清晰明了，有力的節(jié)約了溝通時間與新人工作的培訓(xùn)時間，有助于各部門人員更好的了解此部門的工作以及與其他部門的合作，對施工的時間與進(jìn)度的控制有很大的提升。

應(yīng)用總結(jié)

圖9 小程序主要頁面功能

以企業(yè)級橋梁施工管理平臺在閔浦三橋的實(shí)際應(yīng)用為依托，從模型建立、施工模擬、圖形引擎、人員定位、管理平臺等幾個方面探索橋梁施工行業(yè)的數(shù)字化綜合應(yīng)用。平臺在BIM+GIS 模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)庫建設(shè)，根據(jù)不同崗位的施工管理者需求，歸納施工各要素之間的相互關(guān)系以及對工程項(xiàng)目整體進(jìn)行分部分項(xiàng)拆分的基礎(chǔ)上，對施工現(xiàn)場質(zhì)量、安全、進(jìn)度、人員的可視化與動態(tài)管理。

一是對核心建模軟件Microstation 進(jìn)行深入的探索與研究，應(yīng)用自主開發(fā)的建模工具包快速、精準(zhǔn)的生成橋梁實(shí)例，體現(xiàn)了Microstation 軟件平臺c#語言編程的強(qiáng)大功能，積極探索Microstation 在橋梁工程領(lǐng)域的模型應(yīng)用優(yōu)勢，具有廣大的應(yīng)用前景和通用性。

二是首次在大型橋梁施工過程中實(shí)現(xiàn)全員云端共享模型，此平臺在閔浦三橋項(xiàng)目承載了來自不同數(shù)據(jù)源的81 萬個構(gòu)件，2.5 億個面片,項(xiàng)目參與各方能夠通過輕量化平臺共享高精度的模型，用普通硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型的共享，強(qiáng)化了信息的分享、溝通與交互。

三是數(shù)據(jù)的日常錄入均由項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中各管理責(zé)任方自行錄入，無第三方在項(xiàng)目使用過程中的輔助，使得此平臺真正成為項(xiàng)目管理的工具。自開工以來，在平臺可以看到，項(xiàng)目安全檢查記錄累計有84 條數(shù)據(jù)，安全交底64 次，累計時長達(dá)到120 個小時；合同登記42 份，設(shè)備登記管理69 條等，大大減少了各類紙質(zhì)報表的使用，使得文件管理更加科學(xué)。

四是在施工領(lǐng)域技術(shù)上取得進(jìn)度，高精度模型與實(shí)景模型通過引擎實(shí)現(xiàn)云端瀏覽，同時功能模塊集成人員定位信息、閘機(jī)出入數(shù)據(jù)等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，為整個行業(yè)帶來技術(shù)突破，同時在施工管理上可一定程度的縮減人力、財力和物力。

五是響應(yīng)全國推進(jìn)BIM 建筑信息模型技術(shù)的號召，貫徹“互聯(lián)網(wǎng)+”的指導(dǎo)理念，將BIM 與GIS 技術(shù)納入到施工管理來，對于整個施工行業(yè)能起到整體效益的提升，對于行業(yè)的信息化和數(shù)字化推進(jìn)具有巨大意義。