穿城區主干道快速化改建工程中的BIM技術應用

陳 燕 黃耀慶 陳淵鴻

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

某大型城市快速化改建工程全長約13.85 km，是城市快速路網系統中重要的東西向通道，依次串聯內環、中環、外環、郊環（G1503）（圖1），擬采用“主線城市高架＋地面輔道”的形式對原道路進行快速化改建。工程采用預制裝配技術，裝配率高達90%。

圖1 工程總示意

工程Ⅱ標起點樁號為K3＋675，終點樁號為K9＋900，全長6 225 m，包含高架、匝道、立交、橋、地面道路等多種形式，主線高架雙向6車道，設計車速80 km/h，地面道路按城市主干路設計標準，為雙向六車道，設計車速為50 km/h，兩側設非機動車道及人行道，紅線寬度60 m。

1 BIM技術應用需求分析

本工程是城市重大改擴建工程，全線貫穿城區主要交通道路，為最大限度降低改造過程對交通現狀的影響，采用預制裝配式混凝土結構，擬采用BIM技術解決工程建設重大難題[1-4]。經過調研分析，BIM技術應用需求分析如下。

1）交通組織難度高。項目作為貫穿主城區的交通主干道，交通流量大，組織難度高，采用“借一還一”的原則，全線保證雙向6車道，主線匝道、并板段多階段翻交，標準段、地面橋段一次翻交到位，依托BIM模型優化翻交方案，保證施工過程中的交通有序運行。

2）地下管線保護要求高。工程沿線分布有航油管、工業油管等重大城市生命線，結構與既有管線最小距離僅4.5 m，管線保護難度高，因此需要詳細摸排管線位置，確定現有管線與結構管線，合理設計下部結構圍護方案及上部結構施工方案，保障施工安全。

3）預制裝配式構件體量大、工藝要求高。本工程采用全預制裝配式技術，預制范圍廣、體量大、危險性高、工期緊，尤其跨路口段有地面橋梁改道節點、匝道節點及外環立交高跨點等多個節點，有必要通過BIM模型模擬優化專項吊裝方案，制定構件分段、制作、安裝方案，合理排布施工流水，保障吊裝的經濟性和安全性。

4）安全文明施工要求嚴格。本項目周邊具有高端住宅小區、科技園等區段，部分節點工程涉及拆除、危險源集中、淤積、有毒有害物堆積等復雜特殊工況，對安全文明施工有極高的要求，有必要通過信息化手段對施工過程進行精細化管控。

2 BIM技術前期策劃與管理

2.1 BIM技術應用組織與管理

1）組織架構：本項目BIM技術采用建設單位主導，各參與方協同應用的方式，同時采用項目領導層、項目管理層以及項目實施層的組織方式，通過分層次的協調管理和項目經理負責制的管理體系來實現組織保障（圖2）。在項目初期將BIM技術應用任務分解至項目部各個崗位人員，根據BIM信息管理平臺的不同版塊需求，將工作分配給項目部相關崗位人員，明確責任人，分工落實。

圖2 BIM技術實施組織架構

2）模型存儲與管理：在項目初期，根據應用需求制定道路、橋梁等專業BIM模型建模標準，明確項目模型交付文件層級及模型交付格式，以便于模型信息交互及管理。

2.2 BIM應用目標與內容概述

1）BIM技術應用目標：作為城市道路建設重點工程，本工程在實施過程中綜合BIM技術、物聯網、云計算、移動互聯網等先進技術，將施工現場的各種信息源自動收集到數據處理中心，實現數據共享和施工現場“人-機-物-法循環”等關鍵要素的綜合感知和實時互聯。利用BIM技術裝配式橋梁構件信息化協同管理系統平臺，對預制構件信息進行下單、生產、倉儲、物流、進場、安裝工程全過程的管理及可視化監控。依托BIM技術在本項目施工階段的應用，實現了項目信息的高效集成，從而輔助項目實現了項目管理的信息化、數字化和智能化。

2）BIM技術應用主要內容：為了保障工程各項建設目標的順利實現，全過程采用BIM技術輔助工程建設。

① 項目建設前，采用BIM技術，整合道路、橋梁、管道等模型并進行綜合碰撞分析，生成多重碰撞報告，協調管線關系及主體結構碰撞，從源頭幫助項目解決了各類問題，有效降低了工程成本，提高了施工效率。

② 在項目實施過程中，充分利用BIM技術輔助各專業深化、場地分析及規劃、施工方案優化等，并且結合BIM+技術，如3D打印技術、VR、AR、全息投影等實現項目數字化管理。

③ 在分析交通疏解的過程中，利用BIM技術進行了研究方案比選、車流量分析、三維數據可視化交底等應用，利用四維仿真技術，解決傳統編制方案難度大、效率低、難以理解的問題，提高了方案的合理性。

④ 在項目全過程中，采用信息化平臺技術對橋梁預制構件設計、生產、物流、安裝等全過程進行協調管控，確保構件安裝有序進行；通過信息化協同平臺，對現場人、機、物、料進行協同管理，提高現場施工效率。

3 BIM虛擬仿真建造技術

3.1 施工模型創建

由于設計院應用的建模軟件為Bentley、CATIA等，施工單位BIM系統軟件為Autodesk系列軟件，所以施工單位根據實際應用需求創建了相應的BIM模型。BIM模型在創建過程中，按照本項目編制的“橋梁專業BIM建模標準”“道路專業BIM建模標準”進行創建，標準中規定了項目交付（存檔）文件夾層次及項目模型交付（存儲）格式。

3.2 模型深化與協調

1）圖紙審查：由于后期平臺直接使用設計院的BIM模型掛接相關資料，因此在模型上傳至平臺前對設計院提供的BIM模型進行了初步審查，主要檢查模型的完整度以及構件拆分是否合理；待后期模型上傳至平臺后，再對構件的編碼以及每一類構件的數量進行核對，可有效防止施工過程中產生返工及窩工等問題。

2）BIM輔助專業深化與協調：在項目施工前，利用BIM技術，整合道路、橋梁、管線等模型并進行綜合碰撞分析，生成碰撞報告，對各類設計、施工問題進行查找及分析，從而輔助各專業進行深化設計。在預制構件深化過程中，檢查蓋梁鋼筋、立柱鋼筋、預應力波紋管、預埋件之間是否有碰撞。通過專業模型整合，發現單一節點的碰撞數最多達148處。最終通過調整部分立柱鋼筋布置形式、現場調整箍筋位置、取消臨時張拉索、將部分立柱波紋管模塊沖突的鐵管調整為壓漿管或上部改為小直徑管通到蓋梁頂部等方式，及時、有效地解決了各類碰撞問題，提高了深化質量。

3.3 專項方案及施工組織模擬優化

1）施工組織設計優化：將BIM技術融入施工組織和施工方案的優化中，提高施工效率。基于BIM的施工組織設計優化施工組織設計的流程，提高施工組織設計的表現力。

2）交通組織模擬：外環立交改造為本項目的重要節點，施工難度大、工期緊、交通組織及部署要求高，尤其早晚高峰時段車輛、人流突增，交通組織壓力較大。針對該技術難點，結合本項目交通組織方案對該處進行節點建模和交通流量分析，判別該處交通組織方案的合理性。基于外環立交復雜環境下的施工條件，依托BIM技術對交通組織方案進行仿真模擬，并對不同方案進行比選，對工期、交通組織調整次數及對駕駛員影響程度、周邊路網壓力等因素進行了分析，最終決定外環立交采用“全封閉6個月”的交通組織方案。

3）預制構件吊裝工藝模擬：本項目橋梁采用全預制裝配技術，包括立柱、蓋梁、小箱梁、鋼箱梁、鋼混組合梁等，僅1個標段就有近3 000個預制構件。大型預制構件的吊裝施工的安全及標準化要求高。通過各類預制構件吊裝的標準化流程模擬，將模擬成果用于可視化施工交底，提高了項目標準化施工效率，保障了吊裝施工作業安全。

4）老橋拆除模擬：本工程施工期間涉及多座老橋的拆除，其中一座地面橋梁因其占據主要路口，對拆除方案的合理性要求較高。橋梁總長368 m，其中板梁結構長299 m，橋梁寬9.5 m，共14跨，全部為預應力混凝土空心板梁。施工過程中要求保證道路暢通運行，老橋拆除施工方案編制過程中，利用BIM技術搭建該區域整體BIM模型，并對不同施工方案進行綜合模擬分析比對。從多種方案中選擇的初步方案為：采用鎬頭機、吊機組合拆除防撞墻的施工工藝，施工區域劃分為2段，同時施工。在多次運用BIM技術對方案進行優化之后，確定了最終的施工方案，即選擇鎬頭機鑿除、吊機吊裝、切割機切割相結合的施工工藝，并將施工區域劃分為3段。對于該地段存在的諸多交通問題，利用BIM技術對該處交通進行組織運行和施工流程模擬，對于老橋拆除以及高架橋施工節點工藝進行可視化展示，用于施工交底及給交警部門匯報交通組織方案，提高了溝通效率。

5）預制構件吊裝進度模擬：外環立交的改造涉及9條匝道的拆除（共計118跨）以及12條匝道的新建，且新建橋梁采用全預制裝配技術，預制范圍廣、體量大、危險性高、難度大、工期緊迫，尤其是跨路口、有地面橋梁改道節點及有匝道節點，且外環立交高跨點多。為了保證立交改造在工期緊張的情況下能按期完工交付，進行老匝道拆除及預制構件吊裝進度模擬，實現多版方案的模擬驗證，對施工次序的排布優化有重要幫助。

4 基于BIM現場智慧協同管控平臺與技術

4.1 BIM協同管理平臺

本工程應用BIM信息管理平臺對現場進行BIM信息管理，平臺從進度管理、質量管理、安全文明施工管理、預制構件生產安裝管理、投資控制管理等多個維度來進行項目綜合管理。施工單位在項目施工階段上傳相關工程資料。為保證后續資料上傳的及時性，在前期BIM小組召集了項目部資料員、安全員、技術負責人以及各工區、各分包的相關人員，進行了BIM平臺操作培訓，為相關人員開通賬號及權限，并根據項目編制的“BIM平臺資料上傳負責人”表確定各類資料上傳的負責人，以保證后續資料上傳的及時性，便于后續BIM信息化技術工作的開展。

1）進度協同管理：進度模塊主要把握重要節點，形成整體計劃，在各個重要節點之間細化施工籌劃。重要節點在正常條件下不允許調整，在節點之間細化的施工籌劃，可根據施工情況適當調整，但整體上應保持可控，保證重要節點按時完成。在進度管理過程中，將進度計劃上傳至平臺的進度管理版塊，并與模型關聯，督促各工區根據現場實際情況，填寫每個構件的實際開始時間和完成時間。此外，進度模塊可根據項目進展，通過模型展示施工完成情況，并可與計劃完成情況進行對比，確保關鍵節點的完成。

2）質量協同管理：質量協同管理模塊整體分為2個部分，一是施工資料的情況，二是物料的使用情況。施工資料主要為檢驗批資料，在施工前需要明確，并與相應的構件掛鉤，每個構件需對應資料內容。在這些檢驗批資料中，有些資料待施工完畢后，馬上即可完成并上傳，但有些資料由于需要檢測信息，不能立即上傳，在檢測資料完成后可補充資料。根據項目實踐，施工完成后4 d內完成檢驗批資料的上傳，對于需要后補的資料，一般控制在35 d內完成上傳。關于物料使用，采用扣除制，對于進場的大型材料，先進行入庫管理，入庫需要上傳進場材料數量、相關的產品合格證、檢測報告等，形成材料庫。待構件施工時，選擇相應的大型材料，直接在材料庫中進行扣除。

3）安全協同管理：安全協同管理模塊主要涉及人員、機械的管理。在人員管理方面，由施工單位上傳新進場人員名單，包括相應的人員個人信息、三級教育情況、證書情況和進場時間，監理對其進行審核。人員出場后，施工單位將出場人員更新為出場狀態。在機械管理方面，施工單位要將相關的檢驗合格證、入場信息等情況上傳至平臺，大型設備需關聯操作員，監理同步進行平臺審核和紙質材料審核。每天及時填寫當日危險源并關聯提醒相關人員。

4）文明施工協同管理：BIM平臺的反饋版塊分為快速反饋、監理通知單和外部工單這3類。在實際施工管理過程中，對于文明施工問題進行快速反饋和處理，及早發現問題并及時督促相關人員進行整改回復，以便于現場的問題管理，確保項目順利實施。

5）會議管理：會議模塊中的會議報告及會議紀要功能，既節約了管理人員編寫會議報告的時間，又滿足了匯報需求，且會議紀要功能明確了各項工作的相關責任人，便于各項工作的有序開展，提高了工作效率。

6）傾斜攝影全景可視化：每周固定時間使用無人機航拍，遠程、實時掌握工程動態信息并了解施工進度，實時巡查安全文明施工情況并實時上傳平臺，實現數據共享，參與方可同步查看；可在例會中輔助展示，反映現場施工情況。

4.2 基于BIM的現場智慧管控技術

在BIM信息施工管理平臺的基礎上增加智慧管理版塊，并對其進行開發。立足于“互聯網＋大數據”的服務模式，采用云計算、大數據和物聯網等技術，以可控化、數據化以及可視化的智慧系統對市政工程建設管理進行全方位、立體化的遠程監控，并根據實際情況做出實時響應。最終確定BIM信息化智慧管理平臺分為人員管理、設備管理、視頻監控、環境管理這4個版塊，明確各方管理人員的職責和目標。

1）人員管理：匯總總包、工區人員信息及照片并上傳至智慧工地平臺與門禁系統關聯，基于安全帽管理、門禁管理和人臉識別技術，實現施工人員實時管理，達到隨時掌握場地內人員施工情況，確保施工作業文明、安全。

2）設備管理：匯總設備信息并上傳至智慧工地平臺，生成二維碼，并與門禁系統關聯。對進出施工現場的設備進行二維碼管理，設備進場安裝并經監理驗收合格后，方可啟動設備使用，保證設備的安全性。

3）視頻監控：施工場地攝像頭全覆蓋，實時調取視頻查看施工現場情況。當發現場內有未戴安全帽的人員，且超過一定時間時，會觸發安全帽檢測報警。

4）環境管理：采集現場揚塵監測設備、揚塵控制設備相關信息，實時控制敏感區域聲、塵情況，自動啟動霧炮機和噴霧。與空氣質量指標IAQI指數對應，當空氣質量指數大于100（良以下），對應懸浮顆粒物指數大于0.3 mg/m3時，自動聯動啟動揚塵控制措施，也可以由管理人員根據現場智能監測系統傳輸回平臺的數據，手動控制現場的智能監測設備，提前預防環境問題的產生。

4.3 基于BIM的預制構件精細化管理

匯總構件生產時間，填寫《預制構件訂單導入》表，包括：預制構件編號、墩號、預制構件名稱、規格、計劃完成日期、計劃裝車日期及計劃吊裝日期等，并及時上傳至預制構件平臺，做到預制構件從原料供應、構件制作、運輸、現場吊裝，到連接灌漿等全過程“模塊化”的高效管理。

本項目利用BIM技術，結合協同平臺，對預制構件進行全過程數字化管控。基于平臺對構件的下單、生產、倉儲、運輸、安裝等階段進行管理，確保預制構件的生產質量，提高預制廠約15%的生產效率。

1）結合二維碼技術，對預制構件進行實時追蹤。將平臺上構件的模型、編碼、信息全程關聯，可通過二維碼對構件全生命周期的信息進行快速查詢，整體提升了約40%的效率。

2）結合圖表大數據分析技術，通過平臺自動匯總的構件信息及統計圖表，管理人員可對預制構件的加工及安裝計劃及時作出調整，降低了約10%的管理成本。

5 結語

BIM技術在本工程建設階段的應用，不僅解決了工程難點，而且通過模塊化施工和規范化管理，降低了工程建設的整體投入和運行成本，有效地提高了項目管理效率，為企業信息開發儲備了專業技術人員，完善了信息系統，其主要應用價值如下。

1）可視化的方案表達，使論證具有更全面、更直觀的可視化效果，節約了會議討論時間。針對交通組織、預制拼裝工藝、施工進行了模擬，其中交通組織模擬的應用效果較為明顯，BIM三維立體交通組織清晰、直觀，節約會議討論時間，為方案決策和審批提供有效途徑。

2）專業協調與優化：全線共發現1 000多條管線出現碰撞，橋梁鋼筋工程碰撞事故約100起，同時對各類設計、施工問題進行查找和分析，協助各行業深化設計和繪制，從源頭處幫助項目解決了各類問題，有效降低工程成本約15%，提高施工效率約30%。

3）信息化管理平臺廣泛應用于現場施工管理：通過信息化協同管理平臺對進度、質量、成本、安全文明及現場環境等各要素進行全面協同管理，大幅提升現場管理效率；通過現場智慧管理平臺對人員、設備、安全、環境進行智能化管理，有效提升現場智能化管理水平；通過平臺對預制構件進行精細化管控，對生產、倉儲、運輸、安裝各環節進行跟蹤，提升管理效率，降低管理成本。