BIM 技術與智慧工地在內河航道整治工程中的綜合應用

趙建豪，秦 斌，鄔德宇

(1.中交(天津)生態環保設計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

航道整治工程具有施工工期長、影響因素多等特點，并存在返工成本高、質量溯源難、管控難度大等問題。隨著經濟社會的發展和航運需求的日益增長，內河航道整治工程的建設規模不斷擴大、工程構筑物更加復雜，傳統的實施方法已不能滿足施工管理、強度和精度的要求，亟需向可視化、信息化、智慧化發展[1-2]。

BIM 技術因具有可視化、協調性、優化性等優勢而逐漸深入到各個工程領域，顯著提高了工程質量和投資效益[3]。而已有BIM 技術在航道整治工程中的應用多集中在設計階段[4-7]，并主要從正向設計、工程量計算、構筑物創建、可視化交底、施工進度和工藝模擬等方面進行應用，增強了施工人員對擬建工程的整體認知，極大地方便了施工前期工作的開展，但對施工階段的全過程管控還有待深入結合。為此，以物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術為主的智慧工地管理平臺應運而生，通過對施工生產、技術管理等過程加以改造，提升施工現場的管理效率、工作效率和決策能力[8]。但相較于房建領域，內河航道整治工程具有長線型、多區域、隱蔽工程多的特點，因此如何結合工程需求和BIM 技術的全生命周期性[9]，在管理平臺中將BIM 技術與施工管控進行全面融合，是實現內河航道整治工程智慧化建設的重點。

本文以京杭運河長江口門段航道整治工程為例，首先通過可視化編程和實景模型技術實現施工BIM 模型深化創建、復雜航道模型構建和多源模型輕量化集成等應用，為施工階段提供精準BIM 數據；并將BIM 技術與智慧工地平臺相結合，集成應用于內河航道施工全過程管控，實現了混凝土質量溯源、灌注樁智能化管控、工序線上報驗、施工過程實時管理等創新應用。

1 工程概況

京杭運河長江口門段航道整治工程位于長江和京杭運河兩條水道交匯處，項目起自施橋船閘止于六圩長江口，全長5.37 km，施工內容為灌注樁加鋼板樁承臺式護岸、格賓生態護岸、水下航道疏浚等工程(圖1)，具有施工管控難度大、安全環保壓力大、征地拆遷難度大、質量安全標準高的特點。工程著重解決灌注樁施工過程管控、護岸工序報驗、混凝土質量溯源、施工過程實時管理和拆遷統計等難題，通過智能化管控方式指導工程項目建設。

圖1 整治工程分布

2 施工階段BIM 技術深化應用

2.1 BIM 模型劃分

以往BIM 模型的創建多在設計階段，主要依據設計思路和工程需求開展，但要實現BIM 模型的全生命周期應用，更好地實現工程量統計、施工模擬、施工過程BIM 管控等功能，還需結合施工進度計劃和施工工藝進行BIM 模型的二次深化，以真正符合施工階段的應用需求。

項目根據工程劃分原則和施工進度計劃進行了施工BIM 模型的命名和劃分，該過程遵循唯一性、簡明性、完整性等基本原則，利用文字、字母、數字進行一定規律的排列對BIM 構件進行命名(圖2)，同時通過Dynamo 可視化編程，添加各個構件ID 進行唯一性標識、添加坐標信息以準確定位，方便后續工序報驗、施工智能化管控。

圖2 BIM 模型劃分規則

2.2 BIM 模型的創建及應用

內河航道工程BIM 模型創建多集中在護岸[10]、樁基、地形和航道等結構上。針對航道施工樁基數量多、護岸走勢復雜的難點，通過Dynamo 可視化編程，解決了復雜護岸前沿線中的樁模型放置問題，實現沿特定角度、特定間距、特定路徑下的鋼板樁、灌注樁模型自動放置，具有放置精度高、間隔排列準確、搭接緊密且連續的優點(圖3)。

圖3 采用Dynamo 自動放置樁模型

針對航道斷面結構多、各過渡段銜接不明確的難題，采用部件編輯器建立了標準航道部件，通過自動找尋護岸邊界和高程信息對航道進行精確建模，用于施工疏挖技術交底；通過Civil 3D 建立三角網格體積曲面，進行土石方量計算，直觀展現三維土石方量分布情況(圖4)，相對于傳統的斷面法，其計算效率和精度均有所提高[11]。

圖4 三維土石方量計算

基于施工BIM 模型，實現了施工圖紙的三維化表達(圖5)，通過提前優化施工方案和結構布置，降低施工返工風險；同時采用VR 設備并結合Fuzor 軟件進行沉浸式體驗，直觀展示工程重難點，對施工人員進行可視化技術交底。

圖5 施工圖紙三維表達

2.3 多源模型輕量化集成及應用

針對征地拆遷難度大、場地配置規劃難的問題，項目使用無人機傾斜攝影技術，通過控制點布設、測區航線規劃獲取數據，通過空中三角測量解算、控制點設置進行數據處理，創建了施工區域實景模型[12-13]，為區域拆遷、場地布置、工程量核算提供數據支持。

以往研究中在BIM 模型與三維實景模型融合時存在坐標信息不統一、模型體量大、匹配效果不佳等問題[14]。項目基于國產BIM 引擎Black Hole 建立BIM 輕量化平臺，使用Worm Hole Editor編輯器對實景模型進行二次優化和單體化，解決了模型空洞、變形扭曲、模型懸浮等問題；并采用Raster Tools 將GIS 底圖進行坐標定位，通過WMTS 地圖服務坐標系對各源文件進行定位整合，最終將BIM 模型、GIS 底圖、實景模型相融合，實現網頁端多源模型的集成(圖6)，為施工智能化管控提供數據支持。

圖6 網頁端多源模型集成

通過多源模型的輕量化集成實現以下應用:1)實現施工現場全要素信息三維可視化，可對施工場地進行快速布置，有利于管理人員綜合評估施工條件，制定有針對性的資源調度與配置方案；2)針對目前航道工程房屋拆遷采用的實地測量方法，可通過輕量化平臺對拆遷面積、層數、結構及擬建工程部位進行準確統計；3)可直觀簡潔地點擊每個BIM 模型構件，便于技術人員快速查看。

3 BIM+智慧工地在航道整治工程中的應用

智慧工地平臺基于物聯網和移動互聯的軟硬件優勢，針對施工現場管理特點，實現人員考勤、車輛識別、施工質量安全管理、現場監控和機械設備監測等功能，并在房建市政等領域進行了廣泛應用，但受限于航道整治工程施工特點，已有通用化功能并不滿足水運施工的開展。本節基于施工BIM 模型和智慧工地管理平臺，解決航道工程中大體量混凝土澆筑、長線型施工過程管控、隱蔽工程工序報驗、施工及監測數據管理等典型難題。

3.1 混凝土動態管控

通過物聯網技術實時傳輸原材料數據，管理平臺依據傳輸的數據自動進行數據處理、分析，并生成原材料統計報表，供管理人員總體把控，實現材料來源的動態管理；基于智慧工地平臺，通過對原材料入倉配比、拌和時間、試驗檢測等信息進行統計分析，從源頭上加強了拌和數據收集，實現了拌和過程的實時管控。

通過將每倉混凝土與運輸車輛綁定聯動，可查詢該運輸車輛的接料時長、接料強度、接料量、澆筑部位等信息，并實時獲取車輛的運輸軌跡，確保在接料、運輸中信息的準確性和可溯性；同時將每倉混凝土用量與施工BIM 模型中的澆筑部位進行綁定聯動，確保各倉混凝土與所澆筑部位的精準匹配，減少因人工調配錯誤導致澆筑位置不符，并可自動統計出料與入倉澆筑的間隔時間，確保混凝土始終處于最佳狀態(圖7)。

圖7 混凝土動態管控

3.2 施工過程實時管控

針對長線型航道整治工程現場管控難的問題，通過AI 智能抓拍、電子圍欄、手持人員門禁、單兵記錄儀、智能安全帽等手段，實現對現場分散人員的動態管理；通過移動布控球、定位、傳感裝置等對工程車輛、機械、挖泥船等設備實時監管，實現“云監工”；環境監測系統自動對揚塵、噪音、氣象等參數進行采集、存儲、分析，揚塵超標自動啟動噴霧降塵，實現環保自動化管理；施工人員使用手機APP 對工程質量、安全進行“隨手拍”，可進行定期巡查與安全質量監督，數字化賦能航道整治工程智慧建設(圖8)。

圖8 施工過程實時管控

3.3 施工階段協同管理

在基于BIM 技術、物聯網、移動互聯的基礎上，為進一步提升航道整治工程的信息化、智慧化管理水平，各參建方基于智慧工地平臺和手機APP 進行施工線上協同管理。平臺涵蓋通知公告、科技創新、黨政廉潔、班組管理、檔案管理、設備管理、合同管理、應急管理等功能，實現數據信息共享、資料查詢有序、線上審批操作，提升了參建各方管理效率(圖9)。針對航道整治工程安全管理難的問題，平臺實現了風險源點管控、安全教育、安全考試等功能加強人員培訓，提高了質量安全管理水平。

圖9 施工協同管理

3.4 施工工序線上報驗

航道整治工程中隱蔽部位較多，針對施工工序的質量控制要點，如何利用先進的管理手段和管理辦法加強對工序質量的控制與管理是有效提升施工質量水平的重要方式。

項目結合施工需求，通過管理平臺對報驗流程、單元劃分進行預先設置，將BIM 模型信息與BIM 輕量化平臺和智慧工地管理平臺相關聯(圖10)，最后利用手機APP 在施工現場對隱蔽工程進行線上報驗，實現圖片、視頻在線上傳，檢測表格在線填寫，報驗位置自動記錄等功能，報驗全過程線上操作，提高了施工信息化水平。

圖10 施工工序報驗管理

工序報驗具有如下特點:1)將模型ID 作為報驗信息傳遞的依據，實現報驗部位與BIM 模型動態關聯，報驗結果可與BIM 輕量化平臺進行實時聯動；2)通過BIM 模型顏色區分，直觀展現已完工和未完工段的所在位置，便于對施工進度進行總體把控；3)通過點選平臺各個構件，可顯示工程部位、工序信息、責任人員和澆筑信息，提高質量管控和溯源能力；4)通過拖拽時間進度線，可直觀查看施工先后順序，方便管理人員進行進度規劃。相較于傳統的4D 施工進度模擬，該技術具有實時性、可溯性、自動性的優點，真正實現了BIM 模型在施工階段質量、進度管控中的融合應用。

3.5 施工數據實時管理

灌注樁須在施工現場短時間內連續完成，作為隱蔽工程其施工質量較難監測。首先采用Revit和Dynamo 精確創建施工BIM 模型并添加施工信息，上傳至管理平臺作為數據基礎；并基于北斗導航的載波相位差分定位技術[15]，實現對打樁位置的自動定位與導航，將打樁坐標與平臺模型信息進行比對，以精確控制鉆孔誤差；通過接觸式儀器組合法和諧振音叉傳感技術，運用物聯網手段將成孔檢測、泥漿監測數據自動上傳至管理平臺進行整理分析，實現對灌注樁施工全過程智能化管控(圖11)[16]。

圖11 灌注樁智能化管控

針對工程鋼筋、混凝土用量大，試驗檢測效率低等問題，基于管理平臺、物聯網技術，實現對混凝土抗折抗壓、鋼筋力學性能試驗數據的動態監測、自動上傳、分析整理、待辦信息自動推送等功能(圖12)，試驗數據全程可查，確保試驗、檢測全過程可追溯，保障工程材料質量安全。

圖12 試驗監測過程管控

4 結論

1)為了實現BIM 技術與施工管控的融合，須結合現場環境因素、施工進度和施工工藝對BIM模型進行二次深化；在航道整治工程中，使用可視化編程能較好地完成施工BIM 模型深化創建、復雜航道模型構建和航道土石方量計算。

2)通過輕量化BIM 管理平臺，可將BIM 模型、GIS 底圖、實景模型相融合，實現施工現場全要素信息三維可視化，為施工場地快速布置、房屋拆遷統計和BIM 模型信息查詢提供數據支持。

3)結合施工BIM 模型及管理平臺，可對混凝土材料來源、拌和、運送、澆筑全過程進行實時管控，提升混凝土質量溯源能力。

4)基于移動互聯和物聯網技術，對分散人員、施工機械、固定監測設備進行動態管控；可依據航道整治工程特點和管理需求，將管理平臺從物聯網端向線上協同管理端進行擴展，實現工程智慧化綜合管理。

5)基于BIM 模型進行結構劃分，并將模型信息與管理平臺關聯，實現對隱蔽工程線上工序報驗，提高施工信息化水平。

6)基于管理平臺、物聯網技術，可實現對混凝土、鋼筋試驗數據的動態監測、自動上傳、分析整理等功能，保障檢測全過程可追溯。