穿城区主干道快速化改建工程中的BIM技术应用

陈 燕 黄耀庆 陈渊鸿

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

某大型城市快速化改建工程全长约13.85 km，是城市快速路网系统中重要的东西向通道，依次串联内环、中环、外环、郊环（G1503）（图1），拟采用“主线城市高架＋地面辅道”的形式对原道路进行快速化改建。工程采用预制装配技术，装配率高达90%。

图1 工程总示意

工程Ⅱ标起点桩号为K3＋675，终点桩号为K9＋900，全长6 225 m，包含高架、匝道、立交、桥、地面道路等多种形式，主线高架双向6车道，设计车速80 km/h，地面道路按城市主干路设计标准，为双向六车道，设计车速为50 km/h，两侧设非机动车道及人行道，红线宽度60 m。

1 BIM技术应用需求分析

本工程是城市重大改扩建工程，全线贯穿城区主要交通道路，为最大限度降低改造过程对交通现状的影响，采用预制装配式混凝土结构，拟采用BIM技术解决工程建设重大难题[1-4]。经过调研分析，BIM技术应用需求分析如下。

1）交通组织难度高。项目作为贯穿主城区的交通主干道，交通流量大，组织难度高，采用“借一还一”的原则，全线保证双向6车道，主线匝道、并板段多阶段翻交，标准段、地面桥段一次翻交到位，依托BIM模型优化翻交方案，保证施工过程中的交通有序运行。

2）地下管线保护要求高。工程沿线分布有航油管、工业油管等重大城市生命线，结构与既有管线最小距离仅4.5 m，管线保护难度高，因此需要详细摸排管线位置，确定现有管线与结构管线，合理设计下部结构围护方案及上部结构施工方案，保障施工安全。

3）预制装配式构件体量大、工艺要求高。本工程采用全预制装配式技术，预制范围广、体量大、危险性高、工期紧，尤其跨路口段有地面桥梁改道节点、匝道节点及外环立交高跨点等多个节点，有必要通过BIM模型模拟优化专项吊装方案，制定构件分段、制作、安装方案，合理排布施工流水，保障吊装的经济性和安全性。

4）安全文明施工要求严格。本项目周边具有高端住宅小区、科技园等区段，部分节点工程涉及拆除、危险源集中、淤积、有毒有害物堆积等复杂特殊工况，对安全文明施工有极高的要求，有必要通过信息化手段对施工过程进行精细化管控。

2 BIM技术前期策划与管理

2.1 BIM技术应用组织与管理

1）组织架构：本项目BIM技术采用建设单位主导，各参与方协同应用的方式，同时采用项目领导层、项目管理层以及项目实施层的组织方式，通过分层次的协调管理和项目经理负责制的管理体系来实现组织保障（图2）。在项目初期将BIM技术应用任务分解至项目部各个岗位人员，根据BIM信息管理平台的不同版块需求，将工作分配给项目部相关岗位人员，明确责任人，分工落实。

图2 BIM技术实施组织架构

2）模型存储与管理：在项目初期，根据应用需求制定道路、桥梁等专业BIM模型建模标准，明确项目模型交付文件层级及模型交付格式，以便于模型信息交互及管理。

2.2 BIM应用目标与内容概述

1）BIM技术应用目标：作为城市道路建设重点工程，本工程在实施过程中综合BIM技术、物联网、云计算、移动互联网等先进技术，将施工现场的各种信息源自动收集到数据处理中心，实现数据共享和施工现场“人-机-物-法循环”等关键要素的综合感知和实时互联。利用BIM技术装配式桥梁构件信息化协同管理系统平台，对预制构件信息进行下单、生产、仓储、物流、进场、安装工程全过程的管理及可视化监控。依托BIM技术在本项目施工阶段的应用，实现了项目信息的高效集成，从而辅助项目实现了项目管理的信息化、数字化和智能化。

2）BIM技术应用主要内容：为了保障工程各项建设目标的顺利实现，全过程采用BIM技术辅助工程建设。

① 项目建设前，采用BIM技术，整合道路、桥梁、管道等模型并进行综合碰撞分析，生成多重碰撞报告，协调管线关系及主体结构碰撞，从源头帮助项目解决了各类问题，有效降低了工程成本，提高了施工效率。

② 在项目实施过程中，充分利用BIM技术辅助各专业深化、场地分析及规划、施工方案优化等，并且结合BIM+技术，如3D打印技术、VR、AR、全息投影等实现项目数字化管理。

③ 在分析交通疏解的过程中，利用BIM技术进行了研究方案比选、车流量分析、三维数据可视化交底等应用，利用四维仿真技术，解决传统编制方案难度大、效率低、难以理解的问题，提高了方案的合理性。

④ 在项目全过程中，采用信息化平台技术对桥梁预制构件设计、生产、物流、安装等全过程进行协调管控，确保构件安装有序进行；通过信息化协同平台，对现场人、机、物、料进行协同管理，提高现场施工效率。

3 BIM虚拟仿真建造技术

3.1 施工模型创建

由于设计院应用的建模软件为Bentley、CATIA等，施工单位BIM系统软件为Autodesk系列软件，所以施工单位根据实际应用需求创建了相应的BIM模型。BIM模型在创建过程中，按照本项目编制的“桥梁专业BIM建模标准”“道路专业BIM建模标准”进行创建，标准中规定了项目交付（存档）文件夹层次及项目模型交付（存储）格式。

3.2 模型深化与协调

1）图纸审查：由于后期平台直接使用设计院的BIM模型挂接相关资料，因此在模型上传至平台前对设计院提供的BIM模型进行了初步审查，主要检查模型的完整度以及构件拆分是否合理；待后期模型上传至平台后，再对构件的编码以及每一类构件的数量进行核对，可有效防止施工过程中产生返工及窝工等问题。

2）BIM辅助专业深化与协调：在项目施工前，利用BIM技术，整合道路、桥梁、管线等模型并进行综合碰撞分析，生成碰撞报告，对各类设计、施工问题进行查找及分析，从而辅助各专业进行深化设计。在预制构件深化过程中，检查盖梁钢筋、立柱钢筋、预应力波纹管、预埋件之间是否有碰撞。通过专业模型整合，发现单一节点的碰撞数最多达148处。最终通过调整部分立柱钢筋布置形式、现场调整箍筋位置、取消临时张拉索、将部分立柱波纹管模块冲突的铁管调整为压浆管或上部改为小直径管通到盖梁顶部等方式，及时、有效地解决了各类碰撞问题，提高了深化质量。

3.3 专项方案及施工组织模拟优化

1）施工组织设计优化：将BIM技术融入施工组织和施工方案的优化中，提高施工效率。基于BIM的施工组织设计优化施工组织设计的流程，提高施工组织设计的表现力。

2）交通组织模拟：外环立交改造为本项目的重要节点，施工难度大、工期紧、交通组织及部署要求高，尤其早晚高峰时段车辆、人流突增，交通组织压力较大。针对该技术难点，结合本项目交通组织方案对该处进行节点建模和交通流量分析，判别该处交通组织方案的合理性。基于外环立交复杂环境下的施工条件，依托BIM技术对交通组织方案进行仿真模拟，并对不同方案进行比选，对工期、交通组织调整次数及对驾驶员影响程度、周边路网压力等因素进行了分析，最终决定外环立交采用“全封闭6个月”的交通组织方案。

3）预制构件吊装工艺模拟：本项目桥梁采用全预制装配技术，包括立柱、盖梁、小箱梁、钢箱梁、钢混组合梁等，仅1个标段就有近3 000个预制构件。大型预制构件的吊装施工的安全及标准化要求高。通过各类预制构件吊装的标准化流程模拟，将模拟成果用于可视化施工交底，提高了项目标准化施工效率，保障了吊装施工作业安全。

4）老桥拆除模拟：本工程施工期间涉及多座老桥的拆除，其中一座地面桥梁因其占据主要路口，对拆除方案的合理性要求较高。桥梁总长368 m，其中板梁结构长299 m，桥梁宽9.5 m，共14跨，全部为预应力混凝土空心板梁。施工过程中要求保证道路畅通运行，老桥拆除施工方案编制过程中，利用BIM技术搭建该区域整体BIM模型，并对不同施工方案进行综合模拟分析比对。从多种方案中选择的初步方案为：采用镐头机、吊机组合拆除防撞墙的施工工艺，施工区域划分为2段，同时施工。在多次运用BIM技术对方案进行优化之后，确定了最终的施工方案，即选择镐头机凿除、吊机吊装、切割机切割相结合的施工工艺，并将施工区域划分为3段。对于该地段存在的诸多交通问题，利用BIM技术对该处交通进行组织运行和施工流程模拟，对于老桥拆除以及高架桥施工节点工艺进行可视化展示，用于施工交底及给交警部门汇报交通组织方案，提高了沟通效率。

5）预制构件吊装进度模拟：外环立交的改造涉及9条匝道的拆除（共计118跨）以及12条匝道的新建，且新建桥梁采用全预制装配技术，预制范围广、体量大、危险性高、难度大、工期紧迫，尤其是跨路口、有地面桥梁改道节点及有匝道节点，且外环立交高跨点多。为了保证立交改造在工期紧张的情况下能按期完工交付，进行老匝道拆除及预制构件吊装进度模拟，实现多版方案的模拟验证，对施工次序的排布优化有重要帮助。

4 基于BIM现场智慧协同管控平台与技术

4.1 BIM协同管理平台

本工程应用BIM信息管理平台对现场进行BIM信息管理，平台从进度管理、质量管理、安全文明施工管理、预制构件生产安装管理、投资控制管理等多个维度来进行项目综合管理。施工单位在项目施工阶段上传相关工程资料。为保证后续资料上传的及时性，在前期BIM小组召集了项目部资料员、安全员、技术负责人以及各工区、各分包的相关人员，进行了BIM平台操作培训，为相关人员开通账号及权限，并根据项目编制的“BIM平台资料上传负责人”表确定各类资料上传的负责人，以保证后续资料上传的及时性，便于后续BIM信息化技术工作的开展。

1）进度协同管理：进度模块主要把握重要节点，形成整体计划，在各个重要节点之间细化施工筹划。重要节点在正常条件下不允许调整，在节点之间细化的施工筹划，可根据施工情况适当调整，但整体上应保持可控，保证重要节点按时完成。在进度管理过程中，将进度计划上传至平台的进度管理版块，并与模型关联，督促各工区根据现场实际情况，填写每个构件的实际开始时间和完成时间。此外，进度模块可根据项目进展，通过模型展示施工完成情况，并可与计划完成情况进行对比，确保关键节点的完成。

2）质量协同管理：质量协同管理模块整体分为2个部分，一是施工资料的情况，二是物料的使用情况。施工资料主要为检验批资料，在施工前需要明确，并与相应的构件挂钩，每个构件需对应资料内容。在这些检验批资料中，有些资料待施工完毕后，马上即可完成并上传，但有些资料由于需要检测信息，不能立即上传，在检测资料完成后可补充资料。根据项目实践，施工完成后4 d内完成检验批资料的上传，对于需要后补的资料，一般控制在35 d内完成上传。关于物料使用，采用扣除制，对于进场的大型材料，先进行入库管理，入库需要上传进场材料数量、相关的产品合格证、检测报告等，形成材料库。待构件施工时，选择相应的大型材料，直接在材料库中进行扣除。

3）安全协同管理：安全协同管理模块主要涉及人员、机械的管理。在人员管理方面，由施工单位上传新进场人员名单，包括相应的人员个人信息、三级教育情况、证书情况和进场时间，监理对其进行审核。人员出场后，施工单位将出场人员更新为出场状态。在机械管理方面，施工单位要将相关的检验合格证、入场信息等情况上传至平台，大型设备需关联操作员，监理同步进行平台审核和纸质材料审核。每天及时填写当日危险源并关联提醒相关人员。

4）文明施工协同管理：BIM平台的反馈版块分为快速反馈、监理通知单和外部工单这3类。在实际施工管理过程中，对于文明施工问题进行快速反馈和处理，及早发现问题并及时督促相关人员进行整改回复，以便于现场的问题管理，确保项目顺利实施。

5）会议管理：会议模块中的会议报告及会议纪要功能，既节约了管理人员编写会议报告的时间，又满足了汇报需求，且会议纪要功能明确了各项工作的相关责任人，便于各项工作的有序开展，提高了工作效率。

6）倾斜摄影全景可视化：每周固定时间使用无人机航拍，远程、实时掌握工程动态信息并了解施工进度，实时巡查安全文明施工情况并实时上传平台，实现数据共享，参与方可同步查看；可在例会中辅助展示，反映现场施工情况。

4.2 基于BIM的现场智慧管控技术

在BIM信息施工管理平台的基础上增加智慧管理版块，并对其进行开发。立足于“互联网＋大数据”的服务模式，采用云计算、大数据和物联网等技术，以可控化、数据化以及可视化的智慧系统对市政工程建设管理进行全方位、立体化的远程监控，并根据实际情况做出实时响应。最终确定BIM信息化智慧管理平台分为人员管理、设备管理、视频监控、环境管理这4个版块，明确各方管理人员的职责和目标。

1）人员管理：汇总总包、工区人员信息及照片并上传至智慧工地平台与门禁系统关联，基于安全帽管理、门禁管理和人脸识别技术，实现施工人员实时管理，达到随时掌握场地内人员施工情况，确保施工作业文明、安全。

2）设备管理：汇总设备信息并上传至智慧工地平台，生成二维码，并与门禁系统关联。对进出施工现场的设备进行二维码管理，设备进场安装并经监理验收合格后，方可启动设备使用，保证设备的安全性。

3）视频监控：施工场地摄像头全覆盖，实时调取视频查看施工现场情况。当发现场内有未戴安全帽的人员，且超过一定时间时，会触发安全帽检测报警。

4）环境管理：采集现场扬尘监测设备、扬尘控制设备相关信息，实时控制敏感区域声、尘情况，自动启动雾炮机和喷雾。与空气质量指标IAQI指数对应，当空气质量指数大于100（良以下），对应悬浮颗粒物指数大于0.3 mg/m3时，自动联动启动扬尘控制措施，也可以由管理人员根据现场智能监测系统传输回平台的数据，手动控制现场的智能监测设备，提前预防环境问题的产生。

4.3 基于BIM的预制构件精细化管理

汇总构件生产时间，填写《预制构件订单导入》表，包括：预制构件编号、墩号、预制构件名称、规格、计划完成日期、计划装车日期及计划吊装日期等，并及时上传至预制构件平台，做到预制构件从原料供应、构件制作、运输、现场吊装，到连接灌浆等全过程“模块化”的高效管理。

本项目利用BIM技术，结合协同平台，对预制构件进行全过程数字化管控。基于平台对构件的下单、生产、仓储、运输、安装等阶段进行管理，确保预制构件的生产质量，提高预制厂约15%的生产效率。

1）结合二维码技术，对预制构件进行实时追踪。将平台上构件的模型、编码、信息全程关联，可通过二维码对构件全生命周期的信息进行快速查询，整体提升了约40%的效率。

2）结合图表大数据分析技术，通过平台自动汇总的构件信息及统计图表，管理人员可对预制构件的加工及安装计划及时作出调整，降低了约10%的管理成本。

5 结语

BIM技术在本工程建设阶段的应用，不仅解决了工程难点，而且通过模块化施工和规范化管理，降低了工程建设的整体投入和运行成本，有效地提高了项目管理效率，为企业信息开发储备了专业技术人员，完善了信息系统，其主要应用价值如下。

1）可视化的方案表达，使论证具有更全面、更直观的可视化效果，节约了会议讨论时间。针对交通组织、预制拼装工艺、施工进行了模拟，其中交通组织模拟的应用效果较为明显，BIM三维立体交通组织清晰、直观，节约会议讨论时间，为方案决策和审批提供有效途径。

2）专业协调与优化：全线共发现1 000多条管线出现碰撞，桥梁钢筋工程碰撞事故约100起，同时对各类设计、施工问题进行查找和分析，协助各行业深化设计和绘制，从源头处帮助项目解决了各类问题，有效降低工程成本约15%，提高施工效率约30%。

3）信息化管理平台广泛应用于现场施工管理：通过信息化协同管理平台对进度、质量、成本、安全文明及现场环境等各要素进行全面协同管理，大幅提升现场管理效率；通过现场智慧管理平台对人员、设备、安全、环境进行智能化管理，有效提升现场智能化管理水平；通过平台对预制构件进行精细化管控，对生产、仓储、运输、安装各环节进行跟踪，提升管理效率，降低管理成本。