随着计算机科学与信息技术的渗透, 建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 的概念于20世纪70年代被首次提出。BIM是以三维数字为基础, 集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型, 是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达^[1]。

桥梁建设是一个非常复杂且动态的过程, 施工过程和进度、质量、资源、场地之间存在复杂的动态联系;传统的施工管理模式存在信息交换不对称的问题, 往往导致施工效率低下、部分安全隐患难以及时解决。而与传统的二维设计相比, BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性等优点^[2], 可有效实现不同阶段、不同对象间的协同设计和数据传输^[3,4,5];近些年国内外诸多桥梁建设过程中, BIM技术得到广泛应用。

美国斯坦福大学整合设施工程中心于1996年首先实现三维信息模型与施工进度的关联, 可在三维环境中对施工顺序进行可视化表现^[6];2009年, 国外学者进一步研究了基于IFC标准建筑信息模型的施工进度计划生成方法, 减少使用者与管理系统的后续交互^[7]。也有学者尝试将BIM技术应用于自动化安全检查, 从而提高手动安全流程的效率, 为建筑安全管理提供新思路^[8]。在布里格里格河谷斜拉桥^[9]、赫尔辛基的斜拉桥Cmsell大桥^[10]等大桥建设过程中BIM技术均得到实际应用并取得良好效果。

另外, 在国内BIM技术目前也得到越来越多的关注, 在蓝田灞河大桥^[11]施工过程中, BIM技术被应用于碰撞检查、工程计量、拱肋开洞准确定位等方面, 起到辅助施工作用, 在海东大道三号桥^[12]、叶盛黄河大桥^[13]、澄浪桥^[14]等桥梁施工过程中也均采用BIM技术。部分桥梁更基于BIM技术开发了施工管理系统, 如夜郎河双线特大桥^[2]、多哈大桥^[15]等, 从而达到可视化施工管理。

但是BIM技术在施工过程中的应用还存在诸多问题, 一方面BIM技术与真实的施工过程联系不够紧密, 过分关注建模, 并未深入到管理需求;另一方面, 建立的BIM模型也往往过于庞大, 不仅需耗费很多精力, 而且存储许多与施工无关的信息, 浪费了计算资源。基于此, 本文提出一种基于BIM的施工过程管理系统的架构, 以施工进度为导向, 实现进度管理、质量管理、安全管理等多种功能;并采用一种与该系统匹配的参数化BIM建模方法, 以需求为导向决定建模深度, 利用参数化实现轻量化建模, 大量节约人力、物力;最后以内罗毕国家公园特大桥为例, 实现了该套系统在实际工程中的应用。

基于桥梁施工管理的实际需要, 在可视化模型基础上, 本文提出一种基于BIM的施工信息管理架构, 为施工过程中的多方协同管理提供一种新的应用模式。

桥梁工程施工管理是一个复杂且动态变化的过程, 基于BIM的施工管理系统可分为3类:以施工进度为导向的施工管理系统, 以工作流程为导向的施工管理系统, 以文档管理为导向的施工管理系统, 如图1所示。

为了与施工联系更加紧密、更好地实现进度控制等功能, 本管理系统以进度导向为主, 以流程、文件导向为辅, 同时根据不同使用者的角色属性, 决定不同的流程导向、文件操作, 实现协同管理模式。

如图2所示, 按角色不同, 可将操作者分为施工人员、安全人员、管理人员。在操作过程中, 施工人员在完成相应构件安装后即扫描构件二维码, 进而推进施工进度, 真实的施工进度将与计划施工进度进行比较, 并在BIM模型中通过颜色属性等进行反映, 管理人员可及时查看最新施工进展, 并在系统中给予反馈与指示, 指导施工人员开展工作。安全人员在施工过程中发现问题, 可通过系统及时反馈给施工人员, 形成流程导向;施工人员整改后进行提交, 直至问题解决形成闭合环。

按照SC/S网络模式, 物理框架由服务器端、多个客户端以及浏览器端组成, 如图3所示。客户端为可接入Internet的计算机及其他移动设备, 服务器由网络服务器、数据库服务器、文件服务器和系统服务器组成, 分别提供Web服务、数据存储、文件存储及系统服务, 并配置路由器、防火墙和MySQL。用户通过Internet只能直接访问Web服务器, 从而从物理连接上保证数据的安全性。

基于BIM的施工管理系统设计主要功能有系统管理、进度管理、质量管理、安全管理、资源管理、资料管理、监测管理等方面, 如图4所示。本节将对部分功能做简要介绍。

进度管理是桥梁施工管理中的核心, 直接关系到桥梁工程项目的目标实现, 在整个桥梁施工项目管理的建设周期中起着非常重要的作用, 常作为施工管理系统设计的导向。

具体而言, 进度管理应包括3个子功能:进度模拟、进度跟踪及进度分析比较。

进度模拟由4D理论发展而来, 通过将三维建筑信息模型和时间维度相结合, 可以实现在三维环境中对施工顺序进行可视化表现, 及时反映各项相关数据的变化, 使项目各参与方更直观地理解施工进度计划。

进度跟踪是根据施工现场实际情况对结构和构件的施工进度进行记录并呈现的过程, 基于电子标签的进度跟踪方法可对构件的状态进行高效精确跟踪, 并能同物资管理相结合。

进度分析对比是对已完成工序的实际完成情况和预期完成情况的分析与对比。基于BIM的施工管理系统在集成传统的横道图比较、进度曲线比较方法的同时, 还可通过三维模型对进度完成情况的直观显示进行进度分析对比。

大型桥梁工程的施工现场往往非常复杂, 难以管理。基于BIM的施工管理系统与移动信息技术相结合, 引入移动信息技术、虚拟现实技术等数字化建设辅助技术, 有助于提高施工现场质量和安全管理效率。用户可通过移动设备对现场的质量、安全问题进行记录和反馈, 一方面使问题的反馈和解决更加及时, 另一方面提高了不同部门之间信息传输的效率, 减少了传输过程中信息的丢失, 使管理流程成为闭环。

大型桥梁工程的建设往往涉及大量预制构件。借鉴物流网相关技术, 通过电子标签可对构件的出厂、运输、堆放、安装进行全过程追踪, 大大缓解物资管理对桥梁施工管理带来的压力。

基于BIM的桥梁施工管理系统可通过提取BIM模型的几何数据, 根据工程计量规则直接进行工作量计算。将计价规则与系统相关联, 即可根据定额和进度计划自动计算出预算成本。通过系统可动态查看任何施工时间点的成本、费用及经费间关系, 并绘制成本-费用分析曲线, 为项目决策提供准确数据。

肯尼亚内罗毕—马拉巴铁路 (简称“内马铁路”) 位于肯尼亚共和国西北部。内马铁路一期全长约120km, 位于肯尼亚中-西部, 横跨东非大裂谷东支, 途经内罗毕国家公园。内罗毕国家公园特大桥是内马铁路一期项目中最长的桥梁, 横穿内罗毕国家公园, 如图5所示。

内罗毕国家公园特大桥全长6 570.2m, 大桥公园内长5 870m, 桥式类型为200孔32m预应力混凝土梁。作为单线铁路, 32m预制T形简支梁为后张法预应力混凝土两片式T梁, 两片T梁通过桥面板及横隔板连接的措施连成整体。桥的两侧设有人行道, 人行道宽0.85m。桥墩30m以下采用实心墩, 30m以上采取空心墩。桥墩最低7.5m, 最高41.6m, 能满足动物穿行需求。

该工程穿越内罗毕国家公园, 地处生态环境敏感区, 施工过程中由外方对环境问题进行监督, 生态环保要求高。如何合理处理好施工与生态、施工与灾害、施工与安全之间的关系, 保证施工过程中信息的有效传递, 成为该工程施工管理过程中的重点与难点。为此工程构建基于参数化的BIM模型, 结合项目施工, 应用到施工进度控制、质量控制、建造成本控制中, 采用信息化手段实施定量、动态施工管理, 最大限度地减少对环境负面影响的施工活动。

针对内罗毕国家公园特大桥的特点, 选用Revit平台利用参数化建模, 根据使用需求对BIM模型的模型深度、构件命名规则、构件属性等进行细致设计, 在满足模型使用需求的同时, 提高建模效率。

具体来说, 将内罗毕国家公园特大桥的主梁均为32m简支T梁建立一类参数族即可, 而墩身则根据位置不同分为实心、空心2种, 截面也有等截面与变截面之分, 基础形式包括桩基础和扩大基础等6种, 如图6所示。

如图7所示, 为每类构件建立相应的自定义族, 并且诸如墩高、直径、宽度、高度等均作为族变量, 在构件定位到标高、轴网体系之后, 可很方便地通过输入构件具体参数来变化构件形式, 保证建模的效率和精度。

值得注意的是, 建模的目的是服务于施工管理系统, 所以与设计中BIM建模不同的是本模型并不需要面面俱到, 即对于构造钢筋等通用构件在模型中不进行实际建模, 只是将关键参数定义为族变量, 这样既节省了工作量也可较为准确地统计出材料用量, 而对于支架等施工关键构件, 虽然属于临时构件, 但也需建立。

在内罗毕国家公园特大桥施工过程中本系统得到部分应用。通过本系统, 将传统施工管理系统的图表式抽象表达转换为基于三维建筑信息模型的具象表达, 以构件承载信息, 做到可视化、多方协同管理, 保证内罗毕国家公园特大桥的顺利施工。

运用该施工管理系统, 可将当前进度和计划进度进行对比, 如图8所示, 当构件为在建中时会显示为黄色, 当施工进度落后于原定计划时构件变为红色, 当施工进度提前于原定计划时则显示为绿色, 在管理系统上, 管理人员可清晰看到目前的施工状态, 从而指导施工进度;而当施工计划在逻辑上存在问题时, 如某节段墩、梁施工计划颠倒, 也会在当前BIM模型中进行突出显示, 保证施工计划安全合理。

在施工过程中, 安全人员发现问题后, 通过手机系统端进行图像采集, 将问题提交至系统供有关负责人查阅, 负责人在完成整改后再提交至安全人员, 直至问题解决形成闭环才结束该流程, 问题所在位置在BIM模型上通过标注属性突出显示, 实现了查漏补缺, 所有问题都得以记录并解决。

基于BIM的施工管理方法在工程量统计上与传统施工管理方法相比具有内在优势, 作为模型图元的基本数据, 几何数据直接承载于模型图元, 可直接进行统计和导出, 以用于资源管理等方面。利用施工管理系统可查询任意时刻已建成结构和在建结构的工程量数据, 如图9所示, 在根据计量标准约定建模规则的基础上, 管理人员只需将模型导入专业软件计算即可, 大大减少人工工作量。

基于BIM技术, 提出了一种桥梁施工管理系统的架构, 针对不同用户开放不同权限, 实现不同用户多方面、协同施工管理。本文主要结论如下。

1) 提出的基于BIM的施工管理系统以施工进度为导向, 以可视化三维模型为信息载体, 实现系统管理、进度管理、质量管理、安全管理、资源管理、资料管理、监测管理等多种功能, 适用于桥梁施工过程中的管理控制。

2) 针对该施工管理系统, 本文采用了一种参数化的建模方法, 根据实际工程划分族类型, 以需求为导向定义构件参数和建模深度, 实现轻量化快速建模, 避免传统BIM建模的缺点, 有效针对施工过程展开, 节约大量时间和精力。

3) 在肯尼亚国家公园特大桥中成功应用了该施工管理系统, 实现了质量控制、进度控制、工程量计算等功能, 提高施工过程中信息的共享效率, 保证施工过程中安全隐患得到有效解决, 有效降低施工对环境的影响, 确保工程顺利进行。