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BIM技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用_张建平

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施工技术

CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2014年9月下第43卷第18期

DOI :10.7672/sgjs2014180092

BIM 技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用*

张建平1,余芳强1,赵文忠2,王丙兴2,王珩玮

1

(1.清华大学土木工程系,北京100084;2.河北省高速公路邢汾筹建处,河北邢台054001)

[摘要]为提高邢汾高速公路建设工程的管理水平,项目建设方与清华大学合作,首次将BIM 和4D-CAD 技术应用于高速公路工程建设管理中。针对高速公路点多线长特点,提出了多细度BIM 施工模型以及相应的多层次4D 施工管理技术,

开发了“基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统”,并应用于实际工程中。通过创建邢汾高速公路整体线路、工程标段、重点桥隧/路段等不同细度的BIM 施工模型,实现了基于BIM 的宏观、中观和精细化管理相结合的多层次4D 施工管理和可视化模拟。本研究为高速公路工程建设的BIM 应用提供了方法、技术、系统和应用示范,

可明显提高工程建设管理的信息化水平和效率。[关键词]信息化;公路工程;建筑信息模型;多细度BIM 建模;多层次4D 施工管理[中图分类号]TU71

[文献标识码]A

[文章编号]1002-

8498(2014)18-0092-05Research and Application of BIM Technology in Xingfen Highway Construction Project

Zhang Jianping 1,Yu Fangqiang 1,Zhao Wenzhong 2,Wang Bingxing 2,Wang Hengwei 1

(1.Department of Civil Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;2.The Office of Xingfen Highway Construction of Hebei ,Xingtai ,Hebei 054001,China )

Abstract :In order to improve construction management of Xingfen highway project ,collaborated with Tsinghua University ,the owner utilized building information modeling (BIM )and 4D-CAD technology for the first time in a highway construction project.Since the highway was linear with many sections ,this research proposed a technology of multilevel 4D construction management based on a multiscale BIM modeling ,developed a BIM-based 4D construction management system for Xingfen highway ,which was verified in real scenes.Through creating models for the entire way ,different sections ,important tunnels and bridges at multiple levels of detail ,multiscale and 4D management and visual simulation were achieved based on BIM at macro-scale ,middle-scale and micro-scale.This research provides method ,technology ,software and application demonstration for applying BIM technology to highway construction project ,and it remarkably improve the informationization and efficiency of construction management.Key words :information ;road construction ;building information modeling (BIM );multiscale BIM modeling ;multilevel 4D construction management *河北省交通厅项目资助(Y-2011068);国家自然科学基金项目资助(51278274)[作者简介]张建平,博士生导师,教授,E-mail :zhangjp @tsinghua.edu.cn [收稿日期]2014-

05-151

项目概况

为提高建设管理水平和效率,项目建设方河北

高速公路邢汾筹建处与清华大学合作,首次将建筑信息模型(building information modeling ,BIM )和4D-CAD 技术引入高速公路建设工程领域。针对高速公路点多线长的特点和该项目的实际需求,研究

多细度BIM 施工模型以及相应的多层次4D 施工管

理技术,并在清华大学已有“基于BIM 的工程项目4D 动态管理系统”(简称4D-BIM 系统)[1]基础上开发

“基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统”。通过建立邢汾高速公路整体线路、工程标段和重点桥隧/路段不同细度的BIM 施工模型,实现了基于BIM 的宏观、中观与精细化管理相结合的多层次4D 施工管理和可视化模拟,为高速公路工程建设的BIM 技术应用提供了方法、技术、系统和应用示范。

BIM 是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各阶段工程信息的数字化模型,是对建筑产

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品及其功能特性的数字化表达[2],旨在实现建筑全生命周期各阶段和各参与方之间的信息共享。IFC (information industry foundation classes)标准是国际标准组织ISO认证的BIM数据存储标准,可为BIM 交换和共享提供标准格式。4D-CAD技术是基于4D模型的信息化技术,是施工阶段BIM应用的最主要支撑技术之一[3]。这项技术的核心是综合应用BIM和4D技术,将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度计划相连,并与施工资源、成本、质量和场地信息集成一体,形成4D施工信息模型,可支持设计方案的可施工性分析[4],施工过程的可视化模拟和优化[1],施工资源和成本的分析和动态管理[3]。国外,Martin Fischer[4],Kim C[5]和Zanen P[6]等学者对4D-CAD技术进行了深入研究。国内,清华大学张建平教授课题组开发了4D-BIM系统[1],实现了4D施工模拟、4D施工进度管理、4D 资源管理和4D场地管理等功能[6],并在国家体育场、广州西塔、青岛海湾大桥[7]、昆明新机场等大型复杂工程中得到成功应用。调研表明,目前关于BIM和4D技术应用于高速公路工程施工管理的相关研究仍未见发表。

邢汾高速是国内首个应用BIM技术的高速公路工程,本文将从BIM的模型结构、建模方法、管理技术、系统研发和应用实施等多方面阐述该项目的BIM研究和应用情况,为促进BIM技术在高速公路、轨道交通及铁路等线性工程中的应用提供技术借鉴和工程示范。

2高速公路多细度BIM施工模型及其建模方法结合公路工程点多线长特点,本研究提出多细度的BIM施工模型,其结构如图1所示,包括整体线路的宏观模型、工程标段的中观模型和桥隧/路段的微观模型3个层次。其中,整体线路的宏观模型用于支持公路工程整个线路及工程标段的施工管理和过程模拟,工程标段中观模型用于支持各标段的线路布局展示以及施工管理和过程模拟,桥隧/路段的微观模型则用于支持重点桥隧/路段的精细化施工管理。

宏观模型由整体线路2D模型与整体施工进度及工程信息相关联而形成,采用不同颜色线段在地形图上表示各个标段及包括的路段、桥梁、隧道等。中观模型由标段中桥梁、隧道、路段的简化3D模型与相应的施工进度及工程信息关联形成。简化3D 模型可以不包括桥梁的盖梁和隧道的仰拱、砌衬等细部构件。重点桥隧/路段的微观模型由其精细的3D模型与详细的施工进度及工程信息关联形成。不同层次或不同局部的BIM施工模型实际上是完整BIM模型的一个子集,即BIM子模型。各个层次的模型包括了不同细度的构件、施工任务以及相关的进度、资源、质量、安全、成本等施工信息

图1高速公路工程的多细度BIM施工模型结构

Fig.1Multiscale BIM modeling of highway

road construction

BIM施工模型的建模方法如图2所示。采用Revit等BIM建模软件创建不同层次的BIM设计模型,宏观和中观模型需要采用自定义的族表示标段、路段、桥梁、隧道等对象。利用4D-BIM系统的WBS编辑器或Microsoft Project软件建立施工任务划分结构(WBS),创建不同层次的施工进度计划。将创建的BIM设计模型导入4D-BIM系统中,通过手动或自动关联的方式建立WBS与模型中构件的关联关系,形成4D-BIM施工模型,并逐渐附加进度等施工信息

图2BIM施工模型的建模方法

Fig.2Modeling method of BIM construction model

为避免不同层次的模型存在重复创建和信息冲突等问题,采用从宏观到中观,再到微观的逐步建模方法。首先创建宏观模型,在其基础上创建各标段的中观模型,最后在中观模型基础上,创建重点桥隧的微观模型。各层次模型之间可以通过点选相互转换,操作方便快捷。由于宏观和中观模型已包含了标段、路段、桥梁、隧道等的详尽信息,根据实际应用需要仅针对重点或典型桥隧/路段建立精细模型,因此在满足高速公路工程BIM应用需求前提下,该方法可节省大量建模工作。

3基于BIM的高速公路多层次4D施工管理技术3.1整体线路的宏观管理

1)线路布局及整体进度展示基于宏观BIM 施工模型,可在地图上展示公路工程的整体线路布

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局,并用不同颜色标识各个标段的施工进度,实现工程项目整体情况和各标段施工进展的快速查询和可视化展示,如图3a 所示

图3

基于BIM 的高速公路多层次4D 施工管理技术

Fig.3

Multiscale 4D construction management technology of highway based on BIM 2)项目建设历史查询首先在时间轴上标出

项目的开工、竣工和其他里程碑节点,展示项目的建设历史。当用户点击任意里程碑时间点,查询该时间点上各项工作的完成情况,以及上一里程碑至该时刻之间完成的主要工作及其工程量和成本,支持管理者快速了解和展示项目的建设历史,把握整体建设过程和资金流。

3)标段施工信息查询

选中某一标段可以查

看该标段的名称、

起止桩号、中标时间、所含桥隧、承建和监理单位信息以及进度信息;用户双击选中

标段,即可切换至相应中观管理视图。4)桥隧/路段信息查询管理者也可选中某一路段、桥梁或隧道查看其名称、起止桩号、中标时间、所属标段、承建单位信息以及进度等信息。3.2工程标段的中观管理

1)标段线路布局及施工进度展示

用简化的

3D 模型和文字表示标段的线路布局以及所含的道路、

隧道和桥梁,用不同颜色表示各部分的未施工、施工中和已完成等施工状态,并突出施工中的部分。2)桥隧/路段信息查询用户选中某桥隧/路

段的模型,

可查询其名称、施工单位、起止桩号、施工进度、质量安全、资源成本等详细信息,双击模型

即可进入选中桥隧/路段的精细管理视图。

3)施工过程模拟基于标段的中观BIM 施工

模型,可实现该标段的整体施工过程可视化模拟,展示各个桥隧和路段的施工工序,支持动态的施工进度管理。3.3

桥隧/路段的精细管理

对于施工难度大或工序复杂的重点桥梁或隧道工程,可建立精细的微观BIM 施工模型,支持施工过程模拟、施工方案分析和优化,实现精细化的施工进度管理、施工资源及成本管理、质量安全管理等,

避免返工、窝工等问题,保障工期。还可支持动态计算每周或每月完成的工程量,辅助工程款支付和成本管理控制。精细化的4D 建设管理技术详

见文献[1],本文不再赘述。4

基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统结合多层次4D 施工管理技术,本研究在已有

4D-BIM 系统基础上开发了基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统,其架构如图4所示。数据层包括BIM 数据库、IFC 文件解析器、数据转换接口等模块。BIM 数据库是采用关系型数据模

式,通过将IFC 对象与关系数据相映射,可结构化地存储BIM 数据。IFC 文件解析器可导入并解析BIM 建模软件创建的IFC 格式模型,数据转换接口则转换其他非IFC 格式的进度、计价清单等数据,实现信息共享。

平台层包括模型管理平台、文件管理平台、数

据库访问接口、

OpenGL 图形平台以及共性的分析算法,如信息实时检索、施工状态分析、

4D 过程模拟、动态成本分析、资源需求计算等。其中,施工状态分析算法可基于4D 信息模型计算任意构件的某一时刻的施工状态,支持施工过程模拟。应用层分为宏观、中观和微观4D 管理3个模块,分别实现了针对整体线路、工程标段和典型桥隧/路段的动态4D 施工管理,主要包括施工过程4D

模拟、

4D 施工进度管理、4D 工程算量、4D 施工资源管理、实时信息查询、工程建设历史查询等功能。其中,施工进度管理功能通过与进度管理软件Microsoft Project 相链接,实现施工进度4D 展示、施工进度控制、实际进度录入、进度滞后分析、进度对比分析、前置任务分析等功能。

同时,考虑到公路工程各标段的施工项目部沿路分布,相距较远,且地处偏僻,网络环境较差,本研究开发了基于Web 的远程施工信息填报和查询模块,支持各标段施工项目部的管理人员通过互联网和浏览器远程填报实际施工进度、质量安全等信息,并将施工方远程填报的信息自动存入BIM 数据库,关联到BIM 中相关任务或构件上。建设方管理

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图4

基于BIM 的邢汾高速4D 建设管理系统架构

Fig.4

4D construction management system for Xingfen highway based on BIM

人员通过4D-BIM 系统共享施工方所填报的信息,对施工进度、质量安全进行实时管控,各标段施工方亦可应用该功能在权限范围内查询相关的施工

信息。5

BIM 在邢汾高速公路建设工程中的实际应用结合邢汾高速公路工程实际应用需求,本研究构建了以工程筹建处为应用主体、各标段施工项目部为应用参与方的BIM 应用模式,整体组织结构如图5所示。在工程筹建处统一组织下,筹建处各职能科室应用4D-BIM 系统进行施工进度、资源成本、质量安全等施工管理工作,各标段施工项目部配备相关人员负责实时的施工信息填报和查询

图5邢汾高速公路BIM 应用人员组织结构Fig.5

Organization structure for BIM application

staff in Xingfen highway construction project

实际应用过程中,构建了邢汾高速的宏观BIM

施工模型,各工程标段的中观BIM 施工模型,以及

贺坪峡大桥、洺水1号大桥、省界隧道、黄岩子隧道、

沙河特大桥等重点桥隧的精细BIM 施工模型。基于BIM 模型,实现了整体线路、工程标段和重点桥隧相结合的多层次的4D 施工管理和施工过程模拟(见图3),取得了显著成效,大幅提高了工作效率和信息化管理水平。

整体线路宏观管理中的建设历史信息查询如

图6所示。譬如,

点击时间轴上里程碑节点(2011年底),即可查询项目在2011年底结束的各项工作

及其工程量和投资额,

还可查看2011年1整年各项工作的完成量和应付工程款等信息。该功能可支

持管理者快速查询项目各月、季或年度的工程建设情况和资金流,也用于对外展示工程的整体建设过程。

基于BIM 的典型桥隧精细管理主要体现在4D 施工进度管理以及4D 成本管理两方面。图7为洺水1号大桥左线施工段的施工进度对比分析,采用饼图形式给出了各项任务的完成情况和统计分析

结果。4D 成本管理功能可自动计算施工过程中任

意施工段在任意时间段内完成的工程量、所需的人

材机和资金,

还可根据计价清单计算各清单项目的完成量和应付工程款。图8为洺水1号大桥左线施

工从2011年9月18日—2013年8月18日,桥面板清单项目的工程量动态完成情况包括计划完成的工程量和实际完成的工程量及其对比分析,进而计

96施工技术第43

图6

工程建设历史信息查询

Fig.6

Information query of construction history

算该清单项目的应付工程款,并分析桥面板施工的进度偏差

图7

施工进度对比分析与管理

Fig.7

Analysis and management of construction schedule

6结语

本文针对高速公路工程特点和实际应用需求,

综合应用BIM 和4D-CAD 技术,提出了多细度BIM 施工模型以及相应的多层次4D 施工管理技术,开

发了“基于BIM 的邢汾高速公路4D 建设管理系统”,并应用于实际工程中。通过创建邢汾高速公路整体线路、工程标段、重点桥隧/路段等不同细度的BIM 施工模型,实现了基于BIM 的宏观、中观和精细化管理相结合的多层次4D 施工管理和可视化模拟。应用表明,

通过构建不同细度的BIM 施工模型,可有效地展示高速公路工程不同层次和不同局部的动态施工过程和施工状态,实现高速公路工程的动态、集成和可视化的施工管理和工程模拟。本研究为高速公路工程建设的BIM 技术应用提供了方法、技术、系统和应用示范,可明显提高工程建设管理的信息化水平和效率。

参考文献:

[1]张建平,曹铭,张洋.基于IFC

标准和工程信息模型的建筑施

图8清单项目的动态工程量完成情况计算与分析

Fig.8

Calculation and analysis of dynamic

competition quantity of each quantity bill

工4D 管理系统[J ]

.工程力学,2005,22(S1):220-227.[2]National Institute of Building Sciences.United states national

building information modeling standard version 1-Part 1:overview ,principles and methodologies [R/OL ].[2011-9-10].http ://www.wbdg.org /pdfs /NBIMSv1_p1.pdf.

[3]Eastman C ,Teicholz P ,Sacks R,et al.BIM handbook 2th

edition [M ].New Jersey :John Wiley &Sons ,Inc.,2010.

[4]Mckinney K ,Kim J ,Fischer M ,et al.Interactive 4D-CAD

[C ]//Proceeding of the Third Congress in Computing in Civil

Engineering.Anaheim :ASCE ,1996:383-389.

[5]Kim C ,Kim H ,Park T ,et al.Applicability of 4D CAD in civil

engineering construction :case study of a cable-stayed bridge project [J ].Journal of Computing in Civil Engineering ,2011,25(1):98-107.

[6]Zanen P P A ,Hartmann T ,Al-Jibouri S H S ,et al.Using 4D

CAD to visualize the impacts of highway construction on the public [J ].Automation in Construction ,2013,32(1):136-144.

[7]Zhang J P ,Hu Z Z.BIM and 4D-based integrated solution of

analysis and management for conflicts and structural safety problems during construction :1.principles and methodologies [J ].Automation in Construction ,2011,20(2):155-

166.

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