摘 要

本次BIM 仿真技術(shù)應(yīng)用立足于大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，首次將BIM技術(shù)結(jié)合 Bentley 平臺應(yīng)用于大型海工項目的智慧建造過程管理，通過對云平臺搭建、復(fù)雜工程量的快速計算以及針對極端天氣的災(zāi)害定損等方面的探索與應(yīng)用，實現(xiàn)了該項目智慧建造過程中的有效管理，打造了大型復(fù)雜海工項目施工數(shù)字化、信息化、一體化的智慧管理模式。

前 言

當(dāng)前我國沿海地區(qū)所面臨的人口增長、資源短缺與環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)峻，用地矛盾突出、城市發(fā)展空間不足己經(jīng)成為制約沿海城市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。因此，在當(dāng)前形勢下，通過海上人工島的建造有助于充分開發(fā)利用廣闊的海洋空間增加陸地面積，有效緩解用地矛盾，拓展新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間和生存空間。在國外，通過海上人工島建設(shè)來解決土地資源短缺的問題早有先例，對于土地資源匱乏的日本、韓國及新加坡等眾多沿海國家，海上人工島在其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的道路上發(fā)揮了巨大作用。

智慧化是從數(shù)據(jù)化、信息化轉(zhuǎn)變過來的，建造模式的智慧化即“智慧建造”作為一個新興建造理念是由楊寶明博士提出，主要闡述了智慧建造的兩方面含義，其一是整個建筑行業(yè)能走可持續(xù)發(fā)展道路，保證整個建造過程能高效的利用各項資源，實現(xiàn)低碳節(jié)能要求，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染；其二是利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段實現(xiàn)整個建造過程的智慧化，各方主體能協(xié)同工作，信息數(shù)據(jù)得到有效共享，真正實現(xiàn)共贏局面。

BIM技術(shù)推動著工程建設(shè)行業(yè)的一次重大變革。起源于美國，然后擴展到歐洲、日本及新加坡等發(fā)達(dá)國家，我國直到2003年才開始引進(jìn)。利用BIM技術(shù)的參數(shù)化輸入，其智能運算功能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工計算，不僅大大降低了前期投資成本，節(jié)省了人力資源，也使工程造價的估算更精確、更具科學(xué)性、合理性。利用BIM構(gòu)建的三維虛擬模型，能夠給人提供直觀的三維單體空間感受，更有利于對平面圖的理解并為項目決策的制定提供更加直觀的依據(jù)，提高了項目決策的準(zhǔn)確度，同時也提升了工程質(zhì)量。

本次BIM仿真技術(shù)應(yīng)用立足于大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，將BIM技術(shù)與系統(tǒng)仿真方法相結(jié)合用于填海造陸項目，可充分發(fā)揮BIM和系統(tǒng)仿真在可視化、仿真性、協(xié)同性和一體化等方面的優(yōu)勢，為填海造陸項目在風(fēng)險評估、三維展示、仿真模擬、施工進(jìn)度優(yōu)化及控制、協(xié)同工作等方面發(fā)揮重要作用。

一 項目背景

1.1   工程概述

三亞人工島填海造陸項目位于海南省三亞市紅塘灣，由海航集團(tuán)投資開發(fā)，總體布局分為空港運營區(qū)、臨空商貿(mào)區(qū)及臨空配套服務(wù)區(qū)三部分, 投資金額超過2000億人民幣。三亞新機場填海造陸項目是經(jīng)由國務(wù)院批準(zhǔn)的國家重點項目，是立足南海輻射東南亞的門戶機場，實現(xiàn)海上絲綢之路，以及“一帶一路”深入南海的偉大戰(zhàn)略。

圖1 三亞新機場人工島

本工程規(guī)模較大、建設(shè)條件異常復(fù)雜、綜合技術(shù)難度大，且具有填海造陸項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜、建設(shè)條件復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜、施工組織復(fù)雜等特點。與陸地工程相比，填海造陸工程受環(huán)境影響較大，并且海域環(huán)境變換頻繁、海況檢測較困難。因此，填海造陸工程在施工過程中遇到的困難較多，施工難度較大。施工過程中多次經(jīng)歷臺風(fēng)，對災(zāi)害進(jìn)行高精度、高效定損也成為了工程實施過程中的重點及難點。基于 Bentley 平臺配合使用其他平臺進(jìn)行二次開發(fā)，為上述問題提供了良好的解決思路。

1.2  BIM應(yīng)用范圍

本工程以ProjectWise 為協(xié)同平臺，建立項目級私有云，解決單位、專業(yè)間協(xié)同問題，實現(xiàn)按時間、區(qū)域多維度檢索與數(shù)據(jù)處理；利用 PowerCivil 及 GEOPAK 等相關(guān)軟件提取人工島復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程量；采用實景模型及圖像識別技術(shù)，解決臺風(fēng)災(zāi)后物料定損問題。

二 協(xié)同管理—云平臺搭建

項目實施初期，為保證BIM工作的順利展開，制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；為BIM工作實施創(chuàng)造軟硬件條件。由于本工程參與方眾多，各參與方基于業(yè)主搭建的 ProjectWise 平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化管理，提高工作效率。

應(yīng)用 Bentley 項目管理思想和模式；以 ProjectWise 為基礎(chǔ)的信息協(xié)作平臺；精準(zhǔn)、及時且全面的信息采集系統(tǒng)。采用 Bentley 系列軟件與其它軟件共同服務(wù)于本工程，建立全過程數(shù)字化控制與管理平臺。

本項目采用 MicroStation、PowerCivil、GEOPAK、gINT、ContextCapture、Navigator、LumenRT 等系列軟件，搭建人工島三維數(shù)字化平臺。通過該數(shù)字化平臺，實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的參數(shù)化建庫、鋼圓筒構(gòu)件及常規(guī)島壁的參數(shù)化，充分發(fā)揮了BIM在可視化、仿真性、協(xié)同性和一體化等方面的優(yōu)勢。

圖2 三維模型軟件與資料協(xié)同軟件

三 成本管理—復(fù)雜工程量的快速計算

在中國的承發(fā)包模式下，針對于施工單位工程量的準(zhǔn)確、快速統(tǒng)計就顯得尤為重要了。基于 Bentley 軟件高效、準(zhǔn)確的為工程量預(yù)算工作提供數(shù)據(jù)支撐。為復(fù)雜工程量的提取工作提供了良好的解決思路。

島壁、回填砂施工過程中通過掃海獲取海底標(biāo)高，應(yīng)用 GEOPAK 軟件識別高程文件，建立海底實時地形模型，對地形模型進(jìn)行挖填方分析，提取該時間段內(nèi)填方工程量。利用該數(shù)據(jù)監(jiān)測工程進(jìn)度以及記錄已施工工程量，為工程按時竣工提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 地形模型

在此過程中，經(jīng)分析得出拋填工程量與海底實際工程量存在一定差距。因施工過程受環(huán)境影響較大，及時對施工現(xiàn)場范圍內(nèi)波浪、潮位、氣象進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合工程量對比分析結(jié)果，在MATLAB軟件中模擬現(xiàn)場施工環(huán)境對工程量差距之間的影響，預(yù)測不同施工段內(nèi)的工程量需求。同時，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的工程量變化，及時規(guī)劃運輸船在施工海域內(nèi)的作業(yè)區(qū)域以及交通路線，提高了船只的調(diào)度效率，保證現(xiàn)場交通順利。

圖4 兩個TIN模型工程量對比

圖5 海底實時工程量

同時本項目還利用 Bentley GEOPAK 進(jìn)行南護(hù)岸試驗段基槽開挖土方量計算，在根據(jù)實際地形高程數(shù)據(jù)形成的三維地形模型基礎(chǔ)上，建立基槽開挖BIM模型，實現(xiàn)基槽開挖土方量的快速提取，以輔助施工前期工程量預(yù)算。

圖6 鋼圓筒基槽開挖工程量

通過 Bentley PowerCivil 創(chuàng)建人工島島堤結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫，根據(jù)定位信息，自動化、批量化建立人工島島堤參數(shù)化施工模型。分層進(jìn)行工程量提取，并輸出材料表單,協(xié)助商務(wù)核算島壁結(jié)構(gòu)工程量。

圖7 島壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程量

使用 PowerCivil 創(chuàng)建橫斷面構(gòu)件庫，從而快速、準(zhǔn)確提取人工島島堤各結(jié)構(gòu)工程量，PowerCivil 為人工島模型創(chuàng)建提供了完美解決方案，任意定義斷面模板，生成參數(shù)化模型，進(jìn)而精確計算工程量。

圖8 島堤各結(jié)構(gòu)工程量

四 資產(chǎn)管理—針對極端天氣的災(zāi)害定損

項目位于海南島南端，施工條件惡劣，根據(jù)三亞氣象局記錄統(tǒng)計，本地臺風(fēng)平均每年2.5個。銀河、莎莉嘉、塔拉斯、?？ǖ扰_風(fēng)對本項目造成較大損失，已完工程也會由于臺風(fēng)的侵襲而受到不同程度的破壞。在項目實施過程中，受到海況條件、風(fēng)浪條件等自然因素影響，已完工程中損失工程量的精確、快速統(tǒng)計工作成為了項目組面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖9 臺風(fēng)影響圖

本項目以出海面面積為填海工程計量依據(jù)。臺風(fēng)過后，海面露出部分經(jīng)過海浪沖刷損失大量土石方，傳統(tǒng)計量方式下，損失部分工程量無法準(zhǔn)確計量。如何快速、精確計量損失工程量成為亟待解決的問題。針對這一問題，項目組積極探索解決問題的方案。經(jīng)過多次實踐，項目組采用實景模型及圖像識別技術(shù)，解決臺風(fēng)災(zāi)后物料定損問題。

圖10 面向災(zāi)害的物料定損系統(tǒng)流程圖

臺風(fēng)來臨前，使用無人機對現(xiàn)場進(jìn)行視頻及圖片的采集，從素材中篩選裁剪畫面較好的視頻，選取清晰度較高的圖片，保持場地上物體的完整性。利用計算機視覺庫halcon，結(jié)合C++編寫現(xiàn)場識別系統(tǒng)，提高現(xiàn)場計量效率?；诖朔椒焖佟?zhǔn)確實現(xiàn)損失工程量提取，精確度提高了32.54%。

圖11 圖像提取與圖像識別

圖12 定義編程與數(shù)據(jù)輸出

開發(fā)成果將運用于后期階段極端天氣影響后的工程量定損，目前整個系統(tǒng)還在研發(fā)當(dāng)中。計量方法也只是為同類項目提供新思路新想法。

五 結(jié)論和展望

本項目是一項非常復(fù)雜的大型基礎(chǔ)設(shè)施海工項目，BIM技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的特征。本項目實施過程中共完成4大類，50余項BIM創(chuàng)新研究及應(yīng)用工作，形成大量工作成果。項目在鋼圓筒數(shù)字化模型及定位、復(fù)雜工程量核算、高聳結(jié)構(gòu)海上運輸受力分析、臺風(fēng)災(zāi)害定損、施工信息管理等方面取得一定成果。

BIM技術(shù)的深化應(yīng)用，將與施工智慧提升形成良好互動效應(yīng)，并將帶來工作模式與服務(wù)能力的提升，且BIM技術(shù)應(yīng)用的迭代升級將不斷促進(jìn)施工改進(jìn)，形成良性的循環(huán)。我們樂于本項目的開放分享，意在為各國重點項目提供可供借鑒的案例支持，促進(jìn)各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力全人類環(huán)境、資源、人口的生態(tài)共贏。