基于BIM+智慧工地平臺的樁基施工進度管理方式*

張志偉 曹伍富 苑露莎 劉玉雙 張 立 周 軼

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，100068，北京；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京重點實驗室，100068，北京；3.中鐵電氣化局集團有限公司，100036，北京；4.北京市軌道交通設計研究院有限公司，100068,北京；5.北京市軌道交通工程技術研究中心，100068，北京∥第一作者，建筑師)

施工進度管理是建設工程三大控制目標之一。每一項工程都有嚴格的工期要求。為了保障工程項目能根據施工進度按時完成，就必須分析該項工程的施工工藝，采取必要的施工進度控制措施，合理安排一切資源，在保證質量的前提下，保證施工進度，節約成本[1]。

采用基于BIM(建筑信息模型)技術的樁基定位方法，測量人員只需在手機上查看數據并直接輸入全站儀進行放樣，通過模型查看數據并與現場數據進行比對，能夠全面提高樁基放線定位及復核效率，效率提高至少20%[2]。在《住房和城鄉建設部工程質量安全監管司2020年工作要點》中也提到：“推動BIM技術在工程建設全過程的集成應用，開展建筑業信息化發展綱要和建筑機器人發展研究工作，提升建筑業信息化水平[3]。”

基于Dynamo軟件進行樁基模型創建、樁基編號、樁基進度上報等成套技術的研究尚處于空白。本文以北京地鐵19號線一期工程新宮車輛段樁基施工為例，以BIM參數化建模為基礎，通過Dynamo軟件可視化編程和智慧工地平臺建立了一套樁基進度管理的BIM工作流程。該流程可在減少人員和時間投入的情況下大幅提升工作效率。

1 新宮車輛段樁基施工進度管理難點

新宮車輛段為北京地鐵19號線一期工程唯一的車輛停放、檢修基地，占地面積30.05 hm2，建筑面積246 478 m2，共有運用庫、聯檢庫和物資總庫等17個單體。該車輛段樁基施工的合同工期為2016年9月1日—2020年12月20日。該車輛段樁基施工進度管理的特點、難點如下：

1)樁基數量多、工期短，無特殊原因需晝夜不間斷連續施工。

2)樁基施工時，現場實際進度與上報進度有一定的時間差，上報進度往往滯后于現場實際進度。

3)形象進度只能反應整體進度數據，不能反應某個單體的某一區域進度情況，表達方式不夠清晰。

4)施工過程中的質量問題記錄存在缺失現象，因此無法對問題部位進行快速精確定位，難以對施工質量進行溯源。

5)資料整理和數據整理的工作量較大，占用時間較多，使相關人員不能專心于施工現場管理。

2 車輛段樁基施工進度管理現狀問題分析

車輛段樁基施工進度表示主要以形象進度百分比法和圖紙標記法為主，存在的問題主要表現在以下兩個方面：

1)形象進度百分比法能夠展示整體完成率，但是卻不能顯示某個流水段已完成的數量，且需要手動統計已完成的總數，容易造成漏報、錯報。如“聯合檢修庫樁基1 689根，已完成635根，完成37.60%”。

2)圖紙標記法能夠形象展示施工區域內的進展情況，但是，手動涂畫存在錯涂、漏涂的可能；每根樁的施工日期需要手動填寫一次，這增加了技術人員的工作量，也使進度數據查閱不方便，使進度信息無法高效協同。同時，手動修改若出現涂抹，則會影響查閱體驗。

3 基于BIM+智慧工地的車輛基地樁基施工進度管理方式

通過BIM信息平臺，工程項目的各參與方能夠及時更新和修改模型中的信息，實現各參與方的協同合作，實現工程項目的集成化管理[4]。在實際的車輛基地樁基施工過程中，BIM工程師通過BIM軟件進行樁基建模，通過Dynamo軟件快速提取樁基的幾何數據、坐標信息和結構材質等信息，通過Excel表格或者CAD(計算機輔助設計)圖紙向項目測量工程師和土建工程師提資。土建工程師和測量工程師利用BIM軟件輸出的資料進行現場施工作業，使用智慧工地平臺軟件快速填報樁基的施工進度信息。

新宮車輛段樁基施工項目以Autodesk Revit為BIM基本建模軟件，以Dynamo for Revit為快速建模和數據處理軟件。通過Dynamo軟件幫助用戶實現具有互操作性的工作流程文檔管理，以及自動的模型創建、協調、模擬和分析[5]。

3.1 BIM模型創建

以新宮車輛段聯合檢修庫為建模對象，該檢修庫有兩種類型的樁，即ZHA-1樁和ZHA-2樁。ZHA-1樁的樁長為22 m，樁徑為1 000 mm；ZHA-2樁的樁長為32 m，樁徑為1 000 mm。基于Autodesk Revit 2016軟件，通過Dynamo軟件對樁基進行快速建模。

3.1.1 樁基模型創建

采用Dynamo for Revit軟件智能識別圖紙中的圓形來創建樁基模型。具體操作如下：

1)清理CAD圖。僅保留樁基圖形和樁頂高程說明，然后將CAD圖導入Dynamo for Revit軟件并將CAD圖完全分解。在Dynamo for Revit軟件中框選導入的CAD圖形，以獲取樁位信息。

2)利用Circle.Center Point軟件求出圓形的中心，即樁位點坐標。由于某些CAD圖在完全分解后，會在相同位置上出現兩個或者多個圓形，所以要對圓心進行一次公差范圍內的清理。一般視覺上同一位置的多個圓的圓心坐標相同，少部分可能會有少于1 mm的偏差。在本工程中采用1 mm的公差范圍，即將圓心坐標在1 mm內的偏差視為相同位置，清理后只保留一個坐標。處理方法如圖1所示。

圖1 獲取圓心并在公差范圍內清理重合的點

3)獲取圓形的半徑。在CAD圖中，存在圓形的半徑不是整數的情況，因此對半徑進行四舍五入后計算半徑的唯一值；將該值乘以2即可得到樁徑；將樁徑轉換為對應的文字，并加上前綴、后綴，通過示例構件類型創建新的構件類型。

4)獲取半徑值在半徑唯一值中的索引，用來確定每根樁的構件類型。然后通過對應的坐標創建樁基模型。快速創建樁基流程圖如圖2所示。

圖2 快速創建樁基模型流程圖

3.1.2 按規則對樁基進行編碼

完成樁基快速建模后，需對樁基按照一定規則進行編號。這部分樁基施工準備階段工作對于工程技術人員來說是非常耗時和枯燥的。使用Dynamo軟件可以快速完成樁基編號。

新宮車輛段聯合檢修庫樁基編號規則為:樁長22 m樁的編號前綴為LD，樁長32 m樁的編號前綴為LC。前綴相同的樁的排列方式為“W”形排列，如圖3所示。

圖3 前綴相同的樁按照“W”形排列

1)框選要編號的雙排群樁模型。對于雙排群樁，奇數排樁在Revit軟件坐標系的x軸上的值(N)總是大于偶數排的值。獲取樁基坐標的x軸上的值并按其大小排序；獲取這個新排列的坐標在原坐標列表的索引，再使用索引值對框選的樁基進行排序。將新的樁基列表等分成兩份，完成對奇數排和偶數排樁的分離。

2)無論是奇數排還是偶數排樁，樁基在Revit軟件坐標系的y軸上的值(E)總是左邊的小于右邊的，因此需要對兩排樁分別按y軸上的值進行排序，并按照新的索引重新對樁基進行排序。

圖4 快速樁基標號流程圖

3)創建一個數字列表，奇數排樁編號起始值為樁基的第一個編號，偶數排樁編號起始值為奇數排樁編號起始值+1。數列中數值的數量可以通過List.Count軟件獲取的樁基數量確定，List.Count軟件的步進值為2。將生成的數字序列轉換為文字序列，并添加編號前綴后生成新的文字序列，并將文字寫入到Revit軟件樁基的“樁編號”參數中。

3.1.3 生成樁基放樣數據

完成樁基編號后，需獲取樁基坐標才能用于最后的施工放樣。因Revit軟件除了項目基點和測量點外還存在內部原點這一概念，所以在Dynamo軟件中使用Element.GetLocation軟件獲取到的坐標為基于內部原點為坐標系的坐標(內部原點坐標永遠為(0，0，0))。而一般情況下項目基點與內部原點是完全重合的，因此在Dynamo軟件中直接使用Coordinates.BasePoint軟件獲取到的項目基點坐標為(0，0，0)，這顯然與想要的結果不一致。通過分析項目基點、測量點和內部原點，創建如下數學模型。

圖5為項目北與真北重合的理想狀態，項目O內部坐標為(0，0)，點P內部坐標為(x1,y1),由此可以得出點P到y軸的距離為x1、到x軸的距離為y1。已知項目基點真實坐標為(x,y),由此可以求出點P的坐標為:x2=x+x1,y2=y+y1，即點P的真實坐標為P(x+x1,y+y1)。

很顯然，理想狀態下的模型不常有。一般情況下，建筑物的項目北與真北有一個夾角θ。將圖5中的模型以項目基點O為軸旋轉一個角度，結果如圖6所示。

圖5 項目北與真北重合坐標模型

圖6 建筑物與真北旋轉一定角度模型

由圖6可見，點P的新內部坐標為(x3,y3),此點到項目基點坐標系(細線坐標軸)的x、y軸的垂線長度仍為x1和y1。點P的真實坐標為：x4=x+a1+a2，y4=y+b2=y+b-b1。根據三角函數可得出：a1=y1sinθ,a2=x1cosθ,b=y1cosθ,b1=x1sinθ，由此可以得出點P的真實坐標為P(x+y1sinθ+x1cosθ，y+y1cosθ-x1sinθ)。Dynamo軟件計算樁基真實坐標流程圖如7所示。

獲取Revit軟件模型中所有樁基構件。然后獲取Revit軟件中項目基點的真實坐標和到正北的角度。根據圖6原理，使用Dynamo軟件中的Python軟件編寫計算樁基真實坐標的程序。將真實坐標分別寫入到Excel和Revit軟件樁基構件中，直接利用Excel表格或者將模型文件導出Dwg文件進行查看。

經實踐檢驗，從模型輸出的樁基坐標數據的精度達到±1 mm，滿足施工放樣的要求。至此測量工程師可以使用該表格中的數據進行測量放樣，BIM端的工作完成。

3.2 智慧工地平臺

通過建設“智慧工地”轉變傳統的施工現場管理工作方法，為項目的各參與方提供全新的信息交互方式，實現工地管理的信息化、智能化和可視化，從而徹底改變工地的管理模式[7]。最終實現下列目標：一是聚焦于施工現場一線的生產活動，實現信息化技術與生產過程的深度融合；二是保證數據實時獲取和共享，提高現場基于數據的協同工作能力；三是強化數據分析與預測支持，輔助進行科學決策和智慧預測；四是充分應用并集成軟硬件技術，滿足施工現場變化多端的需求和環境，保證信息化系統的有效性和可行性[8]。

圖7 Dynamo軟件計算樁基真實坐標流程圖

3.2.1 搭建智慧工地平臺

智慧工地平臺主要由感知層、網絡層和應用層組成，三者分別為實現更透徹的感知、更全面的互聯互通和更深入的智能化提供保障和支撐[9]。

本項目以廣聯達智慧工地平臺中的構件跟蹤為基礎，將Revit軟件模型導入到智慧工地平臺的PC(客戶)端，將BIM模型中的樁基編號與智慧工地中的跟蹤編號相關聯，如圖8所示。同時指定現場管理人員跟蹤該項工作任務。

圖8 模型導入BIM5D客戶端后的智慧工地平臺

3.2.2 上報進度數據

施工現場管理人員可以通過手機App進行樁基任務跟蹤，根據現場實際的施工進度搜索樁號并進行樁基施工進度的錄入。

3.2.3 查看三維進度數據

在日常樁基施工生產中，可以在智慧工地平臺上隨時查看已經完成的樁基施工信息，只要輸入樁號并填寫樁基的開始、結束時間和主控項目等施工過程中的信息即可。在跟蹤模型視圖中可以快速查看某些區域的施工完成狀態，如圖9所示。在計劃圖標中可以查看具體完成的數量和該施工流水段總的樁基數量，如圖10所示。

圖9 深色區域代表已經完成的樁基施工

圖10 施工流水中樁基的數量

3.2.4 輸出進度管理報表

通過智慧工地平臺的報表統計功能可以輸出進度管理報表，將已經施工完成的樁基生成樁基臺賬，如圖11所示。

圖11 樁基臺賬

4 結語

新宮車輛段聯合檢修庫共有樁基1 689根，Dynamo軟件建模比手工建模的建模速度提升5倍、編號速度提升9倍、提取坐標速度提升85倍，極大地提升了工作效率和準確率。對于有經驗的工程師而言，通過Dynamo軟件進行程序編寫和調試所需時間較短，能夠根據項目的需求快速做出部署，在高周轉的建筑施工背景下具有很大的意義。同時Dynamo程序在相同的工作范圍內可以重復使用，做到一次編寫重復利用。

在樁基施工階段，使用BIM+智慧工地平臺可實時掌握樁基施工進度。通過查看統計報表中的詳細數據，可了解樁基施工過程中出現的各種問題，通過對問題進行分析總結并采取針對性解決方案，可有效提高樁基的施工質量。