基于BIM 技術的預制梁場施工全過程可視化建模監督方法

安熊

（中鐵十一局集團第二工程有限公司，廣東江門 529000）

0 引言

預制梁場在基礎設施建設的過程中，對總體施工的進程有很大的影響，是總體施工的重要保障。預制梁場作為特有的較為大型的橋梁建設臨時工程，相對比其他臨時施工工程，建設投資大，成本高，運行周期短，橋梁的質量要求較高[1]。目前的預制梁場生產進度多是根據施工進度進行調整，但由于施工現場作業較為復雜，導致施工整體秩序混亂等問題的出現，并且大多的施工進度是工程人員根據經驗制定的，但工程人員的經驗不一致，導致預制梁場的進度合理度不高，可能出現時效性不高或者可視化水平低等問題，進而影響了總體的施工進度，不利于預制橋梁的建設，因此預制梁場的施工全過程如何實現科學高效的可視化監督管理，是施工中一項重要的研究課題。

新興技術的研發不僅加速了預制梁場技術的交叉使用，還成功地將各個技術融合到施工過程中。加強對可視化管理過程的監督，BIM 技術作為施工工程中的一項重要技術，能夠使建筑設施實現更高程度的數字化，從而加強建設項目的信息化與精細化水平，為梁場施工的轉型升級奠定堅實基礎。同時，作為建筑信息的關鍵技術，在工程施工中合理使用BIM 技術有助于優化工程規劃。通過BIM 技術，項目得以實現全壽命周期的信息共享。借助模型設計，可以優化展示效果，并通過導入建筑節能信息，對力學性能進行分析，從而加強對能耗的把握。基于三維設計，將信息化管理貫穿于施工全過程，實現對施工過程的全面監督與管理。通過設計出圖與現場配置的結合，有效避免了物料錯缺等問題，增強了各環節之間的協同工作[2]。鑒于預制橋梁建筑工程的復雜性，將BIM 技術運用在預制橋梁施工全程，并對施工全過程進行建模，實現預制橋梁的可視化監督，將顯著提高預制橋梁的施工效率。

1 基于BIM 技術的預制梁場施工全過程可視化建模監督

1.1 創建預制梁場施工監督模型

為了實現對預制梁場施工全過程的可視化建模監督，創建預制梁場施工監督模型。在基于場景可視化的需求下，構建施工的整體監督模型，為了實現對場景的直觀展示和實時管理控制，主要依賴于從場景的可視化數據庫中提取相關信息，使用剔除算法實行智慧梁場的可視化渲染，預制梁場的施工模型設計流程如圖1 所示。

圖1 預制梁場模型場景的模型設計流程圖

在項目前期，根據施工模型設計，結合當前公路、鐵路橋梁預制場的建造趨勢，決定預制場總體采用液壓模板固定預制區與可移動底模相結合的方式，并引入蒸汽養生、智能張拉和智能控制模型等先進技術，建立出智慧梁場的基本效果圖，如圖2 所示。

圖2 智慧梁場基本效果圖

根據項目中結構，智慧梁場主要包含鋼筋加工區、預制梁澆筑區、蒸汽養護區、預應力施工區、箱梁封端橫移區、噴淋養護區、梁表噴涂區、存梁區、現場辦公區、工人生活區等多個功能區域。在管控信息集成方面，致力于實現梁場的智能化施工，從而構建智慧工地。在梁場施工過程中，用戶能夠根據系統操作各個參數，以BIM 技術為核心進行深度應用。通過中樞下達命令，加強對可視化場景的立體感知，并利用素材設計的數據指導現場施工生產。最終實現施工全過程的可視化建模與智能化監督，創建了預制梁場的廠區布置平面圖，如圖3 所示。

圖3 預制梁場廠區布置平面圖

在預制梁場的建模場景可視化過程中，運用側視網膜圖像差，對可視化的進程進行計算，設定相關的數據參數。同時根據參數，以構件族的方式，定位出標高，將橋梁搭建起來，獲得預制梁場的施工監督模型。

1.2 基于BIM 技術監督預制梁場施工進度

基于預制梁場施工監督模型，利用BIM 的三維模型對預制梁橋的施工進度進行監督。在預制橋梁施工前期，在BIM 三維模型中加入時間維度，通過自動采集數據與人工補充相結合的方式，實現對預制梁場的全面數據采集[3]。隨后，進一步處理和分析梁廠數據，結合現場硬件自動控制，向管理人員提供預警提示，并推動自動化業務流程，從而實現預制梁廠的數字化轉型。借助BIM 技術，將傳統的二維圖紙轉變成為BIM 模型，構建了一個覆蓋施工全過程的檢測系統。預制梁場的BIM 施工過程監測流程如圖4 所示。

圖4 預制梁場BIM 施工進度監測流程圖

為了確保施工全過程監測的可靠性，在預制梁場的BIM 基礎模型上，建立了不同截面高度與應力測點的模型，并將這些測點的編碼及數值參數存儲在BIM 模型中。在添加項目參數時，遵循子模型的存儲要求，將參數名稱及相關規格添加到選擇結構列中。鑒于不同結構內力等參數的要求，將預制橋梁施工預警分為三個監測等級，并為每個等級設置了相應的數據處理系統類型，基于此，進一步規劃了預制橋梁的環形生產線性施工流程，環形生產線施工工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 預制橋梁環形生產線施工工業流程圖

在環形生產線施工工業的基礎上，將管理平臺與視頻監控系統、環境監測系統相融合，并結合施工工業流程，搭建出三維模型。根據實際攝像頭設置情況，在平臺內設置虛擬攝像頭，并將實際設備與平臺設備結合起來，形成一一對應關系，便于后期在平臺中控制攝像頭的視角和畫面，同時設置了虛擬攝像頭進行實時同步，以便將虛擬模型與施工現場的對比情況實時發送到系統平臺，通過這一平臺，能夠實時掌握施工狀況，便于后期處理[4]。通過數據接口開發，形成了BIM 技術下完整的預制梁場施工數據監測結構。對承包單位承包的施工總體進度計劃進行了詳細分解，制定了與工作能力和實際情況相匹配的進度控制目標，根據進度目標對模型進行分解，并編制了相應的編碼，將這些編碼添加到模型的屬性信息中，并通過專門的插件強化了編碼的傳輸功能[5]。通過模塊的預留接口，根據軟件的配置信息，將自定義的字段與進度信息和模型進行了關聯，這一步驟大大加強了進度信息與模型信息的集成度。在此基礎上，進一步構建了預制梁場的各個功能布局，并根據預制梁場各施工區域的數據進行了數據之間的轉化工作，Xm表示施工區m 的橫坐標；Ym表示施工區m 的縱坐標；Xn、Yn分別表示施工區n 的寬度數據和長度數據；0.5 表示施工區m 與施工區n 之間必須保留的間隔數據；c 表示功能區之間的物料搬運需要的成本；d 表示施工區m 與施工區n 直降的中心距離。通過優化目標，構架出求最小值的多目標函數表示：

根據最小的功能區之間的函數數值，設置Q 的量化值，量化值的關系等級如表1 所示。

表1 Q 量化值關系等級表

根據關系等級量化表，將對應的量化表數值與最小值目標數據進行加權求和，并對單目標函數數值進行轉化，得到預制梁場三維施工進度的數據矢量，函數表達為：

根據最終的數值和相應的數據權重，能夠在程序中精確地選取所需的數據，同時，結合預制梁場的多個監測數據，完成預制梁場施工監督模型中對預制梁橋施工進度的監督。

1.3 監督預制梁場施工可視化平臺信息

在掌握預制梁橋施工進度的基礎上，基于預制梁場施工監督模型，對預制梁橋的可視化平臺信息進行了全面監督。在構建施工數據監測結構的過程中，利用預制梁場可視化信息監督管理模型，對可視化平臺信息進行監督，方便查看預制梁場的存梁方向以及架梁進度等關鍵信息[6]。此外，還提取了施工模型將梁片的生產狀況信息，用于查詢各個生產線對應的生產詳情。通過一物一碼的關聯制造信息，進一步細化了數據粒度，生成了BIM 監測模型，從而獲取了豐富的電子數據。基于這些模型，錄入了材料的設備參數、施工信息等重要數據，并與相應的工程設計圖紙進行了連接，錄入了三維模型數據，施工進度數據平臺的預制梁場信息如表2 所示。

表2 施工全過程的平臺主要信息

基于相關的施工監督平臺，為各個設備和構件貼上二維碼，并將這些二維碼錄入到施工監督管理平臺，形成了明確的對應的關系，這些數據共同組成了構件信息數據庫，極大地方便了后期監管人員進行驗收或者質量檢查[7]。在此基礎上，設置施工信息平臺的協同管理平臺端口，并確定了監管模式。在監管過程中，一旦發現施工質量問題，可以實時上傳至監管系統。監管系統通過對數據的深入分析，能夠得出精準的監管質量數據，實現數據平臺的信息集成和高效后續管理，通過這些信息，完成了對預制梁橋的可視化平臺信息監督。

2 實驗論證分析

2.1 實驗過程

利用專業軟件精心編制了施工進度計劃，明確了施工各個環節的信息數據，設定了固定的工程量信息。在此基礎上，進一步確定了施工過程的持續時間和勞動量等數據。為了更直觀地展示施工情況，將施工模擬結果以動畫的形式呈現[8]。通過模擬施工進度的過程，及時發現并糾正潛在的作業次序錯誤，通過調整施工進度或計劃，有效指導了實際施工工作。同時，精心配置了生產區的資源配置，得出了主要的實驗資源配備參數，其生產區的主要的生產資源配備信息如表3 所示。

表3 預置梁橋生產區的主要生產資源配備表

在施工過程中，充分利用BIM 技術進行建模，以實現對實際施工進度的精確檢測。提取了生產線上的工廠流水化信息監督管理數據，建立了相關模型，并與參數數據形成對比，使用參數化建模和點云建模等監督方法進行檢查，得到不同方法下的數據結果。

2.2 實驗結果與分析

基于上述實驗過程，基于BIM 技術的梁橋全過程可視化建模監督方法與傳統監督方法進行對比分析，并對監督精準度進行測試，最后得出的實驗測試結果如圖6 所示。

圖6 不同方法下的預置梁橋施工模型精準度比較

從圖6 可以看出，基于BIM 技術對預制梁橋施工全過程的監督精準度相較于其他建模監督方法更為優越，能夠準確地反映出施工全過程的真實狀況，滿足對預制梁場施工全過程進行監督的需求。

3 結語

BIM 技術極大地推動了預制梁場施工從傳統的人工作業向機械化轉型的進程。通過BIM 技術，施工過程的可視化監督也變得更加智能，施工機械化也進一步向自動化升級。結合BIM可視化云平臺技術，從材料進場、試驗檢測、各工序施工、成品檢測、成品梁出庫等各個環節，實現了預制梁場的三維可視化過程。通過軟件的二次開發，能夠有效地控制預制梁場的施工進程，從而顯著提高了預制梁場的生產效率，并提升了預制梁場的管理水平。