重慶軌道六號線支線二期機電工程BIM技術綜合應用

彭淼廖小烽

(1.重慶機電控股集團機電工程技術有限公司，重慶 401123； 2.重慶工業賦能創新中心有限公司，重慶 401123；3.重慶市筑云科技有限責任公司，重慶 400042)

引言

隨著我國經濟的發展，城市化進程逐步加快[1]，我國城市軌道交通行業發展迅速，截至2019年底，中國內地累計有40個城市開通城市軌道交通運營，運營線路達到6 730.27km，近20 年，中國城市快速軌道交通線路建設高速發展[2]。軌道交通建設工程具有投資大、規模大、建設周期長、專業系統復雜等特點，對施工過程中的精細化管理水平具有較高的要求[3]。為此越來越多城市在軌道交通建設中引入各種新技術探索軌道交通的數字化建造。重慶軌道交通六號線支線二期工程在站后機電工程施工中引入BIM(建筑信息模型Building Information Modeling)技術、三維掃描、無人機傾斜攝影、MR混合現實、VR虛擬現實、360度全景攝像、數字化建造平臺，探索以BIM+PM(項目管理Project Management)+IoT(物聯網Internet of Things)為核心的數字建造體系，以施工深化、數字化管控、數字化交付為管理途徑，以BIM模型為實施基礎，BIM數字建造平臺為數據載體，實現軌道交通站后機電工程數字化建造的目標。

1 工程概況

1.1 工程簡介

重慶軌道交通六號線支線二期工程坐落于重慶市兩江新區，線路全長14km，共設7座車站，一座車輛段(如圖1所示)，建成后將連接國博中心和水土高新園。

圖1 重慶軌道交通六號線支線二期線路圖

1.2 工程特點及難點

軌道交通站后機電工程屬于多專業、多學科的復雜性系統工程，各專業施工交叉頻繁，施工接口多、雜且管理難度大； 二次深化設計工作繁重，車站內包括設備區走道、公共區、設備用房等區域的線管排布、支吊架布置、點位布置等均需要施工單位結合現場條件進行深化設計； 本項目為線性工程，長達14km，既有地下線路、站點又有高架線路、站點，現場施工條件受到環境的影響和限制，在材料設備運輸吊裝、特有的線性作業、設備試運行等方面都需提前謀劃。因此，建立了數字化建造指揮中心用于輔助現場管理，對所有的地下車站進行了網絡全覆蓋； 實施過程中采用數字化建造平臺結合BIM技術對施工全過程進行管控。

2 組織與應用環境

2.1 應用目標及策劃

重慶軌道交通六號線支線二期工程是重慶國博中心連接水土高新園的重要組成通道，計劃于2020年12月底建成并具備全線試運營條件，工期十分緊張，特別是站后機電工程于2019年11月底才具備部分進場條件，存在工期緊、施工條件復雜、二次深化內容多、采購工作量大、安全質量風險源多、組織協調難度高等難點。針對以上項目難點，通過建立設計階段BIM模型減少圖紙中的錯漏碰缺，提高可實施性； 基于設計階段BIM模型，開展二次深化設計以提高深化質量和效率； 基于施工階段BIM模型結合數字化建造平臺，實現項目進度、質量、安全、成本目標的可視化、指標化控制，以數字化建造管理理念進行項目管控。為保證本項目數字化建造能順利推進，結合項目特點建立了基于數字化建造的項目管理制度，編制BIM模型創建、深化、編碼標準及手冊； 引入了三維掃描、無人機傾斜攝影、360度全景攝像等技術，保證了模型與現場實景吻合。

通過流程固化、多層級多部門的全員參與，保證各業務部門及人員的使用率，并制定全過程的數字化建造實施流程(如圖2所示)。

2.2 實施架構及部署

項目組建BIM、IT、項目管理復合型的數字化實施團隊30余人，由公司級、項目級、研發團隊、專業咨詢團隊組成(如圖3所示)； 設置三級數字化建造指揮中心分別為公司級、項目級、現場級； 通過各層級的需求調研自主研發數字化建造平臺，形成四個層級架構，將BIM模型數據、管理數據、流程數據、現場數據、監測數據與平臺有效串連(如圖4所示)。

圖2 重慶軌道交通六號線支線二期站后工程數字化建造實施流程

圖3 團隊架構

圖4 數據流轉

通過BIM+GIS(地理信息系統Geographic Information System)雙引擎技術與輕量化圖形引擎將BIM模型、GIS模型、傾斜攝影實景模型進行數據互通、實時聯動，共形成8大板塊、40余項具體功能應用，涵蓋項目進度、成本、物資、質量、安全、智慧工地等； 通過專線為所有地下車站建立地下網絡環境，配備無人機、三維掃描儀、全景相機等硬件設備及BIM建模、算量、模擬、BIMVR等軟件。

3 實施及應用

3.1 模型創建

圖5 模型構件現場尺寸復核

根據項目實施進度需求將模型創建和應用劃分為設計階段模型、管綜深化階段模型、機房深化階段模型、竣工交付模型，每階段模型都需在上一版本的基礎上進行深化，保證數據統一性及可追溯性。模型創建基于項目編制的實施標準，使用Revit軟件，按照專業劃分創建建筑模型、結構模型、精裝模型、機電模型，通過三維掃描儀、無人機傾斜攝影對土建現狀進行實景模型搭建。設備模型構件創建基于設備廠商提供的產品加工圖、產品說明書等資料，建立通用型和特征型設備族數據庫共計45類，約1 220余個，相關產品到貨后進行現場尺寸復核，以保證模型構件與到貨產品的一致性(如圖5所示)。在模型創建過程中嚴格使用標準文件架構、標準化構件分類與命名，提前考慮平臺功能實現需求，對模型構件進行統一編碼，管線(管道、橋架、風管)按照施工段進行分段劃分，確保模型創建深度符合平臺實施需求。

3.2 BIM深化設計及技術應用

由于城市軌道交通工程中土建工程與機電工程大多為單獨發包，在土建施工時預留的洞口往往和機電施工時實際需求的位置相差甚遠，本項目通過在施工前采用三維掃描對現場結構尺寸及預留洞口進行復測，根據生成的點云模型(如圖6所示)與設計階段模型對比分析，提前優化管線路徑避免結構誤差及減少各類重復開洞370個。

圖6 車站三維掃描點云模型

開展基于設計階段的模型評審，同設計院、監理單位、分包單位進行模型會審，發現碰撞、凈高不足等問題186個，提出優化方案47項，并將問題匯總記錄形成圖紙會審文件進行簽字確認，避免因設計圖紙遺誤造成的返工。

結合本項目的設備用房、設備區走廊、公共區等區域使用綜合支吊架和抗震支吊架的項目需求，開展上述區域綜合支吊架和抗震支吊架的深化設計工作，聯合設計院及生產廠商，針對綜合支吊架和抗震支吊架的深化周期長、深化質量依賴廠商水平、出圖慢等難點，采用BIM技術進行支吊架的深化設計，首先是基于管綜深化成果在BIM模型中根據管線布置情況進行支吊架布置； 使用廠商受力分析軟件進行槽鋼的選型出具計算書； 各分包組織支吊架深化設計評審，審查各自管線的支架布置是否滿足施工需求； 導出平面、剖面及細部節點圖紙和與之匹配的材料清單(如圖7所示)； 采用BIM技術進行支吊架深化設計，可有效提升深化效率、縮短深化周期，提高深化質量，保證深化深度符合現場實施需求。

本項目有地下受限空間的作業工序，因此對作業過程中會產生煙塵、火花、噪聲的作業有嚴格要求，如切割、焊接等。對此，針對工程中工藝相對較成熟固化的風管制作安裝工藝，采用BIM技術進行預制加工，首先是基于管綜深化成果，結合工廠預制模數及現場施工需要、材料運輸等，對模型進行裝配式拆分及深化； 預制裝配深化完成后，輸出裝配式預制深化圖紙及加工料單，提交工廠預制加工； 工廠基于BIM料單進行管道加工，運輸至現場經過質檢后一次性安裝到位，避免現場二次加工(如圖8所示)； 采用BIM技術進行風管預制加工，可有效提升預制加工圖的精度和制作效率，預制裝配率可達到80%以上。BIM技術與工廠化預制加工、現場模塊化安裝的有機結合[4]，有助于整體安裝質量的控制，同時又縮短施工工期和節約施工成本。

圖7 導出支吊架圖紙及材料明細表

圖8 導出風管預制材料表

通過BIM模型建立虛擬建筑工程三維模型，利用數字化技術[5]結合可視化軟件與之融合，模擬站內視頻監控攝像機視角范圍，提前優化攝像機安裝位置、視角角度及與其他各設備點位之間的位置關系，避免監控死角和占位(如圖9所示)。

在三維虛擬樣板間的基礎上引入了人機交互式操作理念，用3D模型展示結構構造，用靜態4D模擬施工工藝流程[6]，在關鍵工藝、工序部位將作業指導書、設計說明、圖集、規范條例、實物照片等與模型綁定鏈接，確保作業人員能充分理解設計意圖、操作要點及誤差范圍(如圖10所示)。

3.3 基于數字化建造平臺的項目管控

重慶軌道交通六號線支線二期站后機電工程總承包的項目管理，基于一體化數字建造的管控思路，全線采用自主研發的數字化建造平臺，建立 BIM+PM+IoT集成應用。

基于IOT物聯網技術與數字化建造平臺的集成，將環境監測、實名制、監控等現場智慧物聯設備數據無縫對接到數字化建造平臺，實現物聯設備數據對接、遠程管理及控制。同時將物聯網設備位置信息、分布情況集成到以BIM+GIS模型為元數據的中控臺，實現物聯設備數據的三維可視化監管。采用人工智能(AI)識別技術利用現場布置的攝像頭進行風險源的自動識別和報警(如圖11所示)，監管人員可通過現場布置的揚聲器及時制止不安全行為，提升物聯設備的智能化控制。

圖10 交互式三維虛擬樣板間

圖11 AI危險源識別

充分利用一碼多用體系，在施工前將BIM輕量化模型分區分段引入數字化建造平臺生成二維碼，實現施工技術方案交底和模型實時在線查閱，加強管理人員和施工班組對設計意圖的準確理解。同時，構建一碼多用體系，即一個二維碼承載技術交底、質檢狀態輸入、過程信息錄入、定點電子巡更等多方位應用(如圖12所示)。

圖12 二維碼交底

通過定時定點使用手持式三維掃描儀、360度全景攝像技術等，將現場實體的實施現狀及時反饋至數字化建造指揮中心； 另一方面定人定崗，利用MR混合現實技術，將模型帶入施工現場，對施工現場實體現狀進行點對點、面對面的進度、質量復核； 形成由現場反饋中心、中心指導現場兩維一體的數字化協同聯動機制(如圖13所示)。

圖13 數字化建造指揮中心

打通BIM模型與算量的數據壁壘，提高工程造價算量的工作效率和確保數據準確性； 同時打通了BIM數據在數字建造平臺各個功能板塊之間的數據共享、數據互聯等綜合應用，實現基于BIM的信息化平臺深度融合(如圖14所示)。

圖14 數據互連

圖15 進度管理流程

基于 BIM 與工程數據的進度管理實施[7]，將BIM基礎數據(工程量)與進度計劃百分比深度掛接，支撐項目進度計劃的編排、控制和糾偏； 同時采用施工現場日志編寫、數據填報進行進度提取，定時定點利用三維掃描、全景攝像進行進度復核，平臺支持偏差分析、輔助決策，達到進度糾偏，實現整體進度控制(如圖15所示)。

在質量安全管理方面，PDCA安全隱患整改追溯機制與基于數字化建造平臺安全巡檢整改模塊深度融合，實現對項目安全隱患類型的時空分析和對安全管理人員的績效考核[8]，通過人員分工、區域化管理流程，提高現場施工管理效率，做到了各類施工隱患及時上報； 通過對后臺數據自動統計分析，按日、周、月、季顯示各作業隊伍運行情況、現場人員管控情況、問題頻發部位等等(如圖16所示)。

圖16 質量安全巡檢統計分析

在物資管理方面，數字化建造平臺包括供應商管理、物資分類、用料申請、材料入庫、材料出庫、庫存管理、物資估算和退庫申請等板塊[9]，實現物資全流程的線上操作(如圖17所示)，利用構件編碼及二維碼獲取物資數據(如圖18所示)，動態更新物資情況，將物資成本、投資產出比、安裝進度與工程量掛接，有效串連了物資、工程、調度等各部門。

圖17 物資全流程

4 實施效益及總結

圖18 導出申請表

基于BIM技術和數字建造化平臺的深度應用，經測算，已產生成本節約類經濟效益460余萬元(如表1所示)，施工現場質量安全管理效果顯著，未發生因技術問題和管理問題帶來的返工浪費和工期影響； 數字平臺各板塊共計產生管理數據10萬余條，項目管理中的成本管控、施工工期、

表1 效益測算表

質量安全等各方面取得較大提升； 對公司推進精細化管理和提升建筑企業誠信綜合評價，發揮了重要的作用。

本項目研發了基于BIM的軌道機電數字建造平臺，實現以下技術融合及應用創新：

(1)實現BIM平臺與項目管理流程的深度融合，建立一套基于BIM的數字建造體系，實現傳統項目管理流程向數字化管理流程的轉型。

(2)深度推進二維碼融合技術，定制化研發一體化二維碼系統。一個二維碼解決技術交底、定點巡檢、BIM圖模查看、設備管理、進度信息反饋等綜合應用，實現一碼多用。

(3)研發了基于BIM軌道機電工程設備編碼體系，基于編碼體系實現基BIM模型構件與平臺物資數據、工程計量數據、運維數據等相關業務數據的連接，實現BIM數據庫集成化管理。

(4)新技術與BIM技術融合，項目深度推進三維掃描技術、全景直播技術、MR技術、預制裝配技術、AI數據分析等新技術在現場的落地應用。

我們將持續推進以BIM模型為核心的數字化建造平臺建設，將先進技術手段與軌道交通工程實施緊密結合，使軌道交通工程建設踏上智能化、智慧化管理的新征途[10]。