張 超

基于4D-BIM的曲港高速公路質(zhì)量與安全研究

張 超

(河北曲港高速公路開(kāi)發(fā)有限公司，河北 保定 073000)

為增強(qiáng)高速公路施工質(zhì)量安全管理水平，將4D與BIM (4D-BIM)技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目施工的實(shí)際管理過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了基于BIM的曲港(河北曲陽(yáng)至黃驊港)高速公路建設(shè)管理系統(tǒng)。在高速公路工程中，進(jìn)行了施工安全與質(zhì)量監(jiān)控及分析，并應(yīng)用了4D-BIM時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析系統(tǒng)。引入物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)、數(shù)字監(jiān)測(cè)等技術(shù)，對(duì)重點(diǎn)橋梁施工安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)施工的數(shù)字化管理，從而提升公路工程質(zhì)量安全管理水平。為BIM在高速公路工程質(zhì)量安全管理中的應(yīng)用提供了方法和實(shí)例，對(duì)深化施工階段BIM應(yīng)用具有重要價(jià)值。

BIM；4D-CAD；公路工程；質(zhì)量管理；安全管理

曲陽(yáng)至黃驊港(曲港)高速公路是河北省“東出西聯(lián)”的高速通道之一。項(xiàng)目建成后，將成為我國(guó)西部地區(qū)以及河北省北部地區(qū)能源物資出海的集疏運(yùn)快速通道。同時(shí)曲港高速有效串聯(lián)京昆高速、京港澳高速、規(guī)劃津石高速、大廣高速、京臺(tái)高速、京滬高速、長(zhǎng)深高速等多條國(guó)家高速公路，是多條縱向國(guó)高的橫向聯(lián)絡(luò)線，該工程是河北省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。

本文以曲港高速公路項(xiàng)目為對(duì)象，在其建設(shè)和施工管理階段中引入BIM (building information model)技術(shù)和4D時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析技術(shù)，研究了BIM與4D技術(shù)在高速公路施工安全管理中的應(yīng)用。曲港高速公路作為重點(diǎn)控制性工程，質(zhì)量要求高，安全問(wèn)題涉及范圍廣。采用先進(jìn)的4D技術(shù)和BIM技術(shù)相結(jié)合(4D-BIM)，在施工階段，提供了基于BIM的工程項(xiàng)目集成管理的相關(guān)功能，支持多工程領(lǐng)域、多應(yīng)用方、多專業(yè)的協(xié)同工作與動(dòng)態(tài)管理。為了確保曲港高速公路項(xiàng)目施工的質(zhì)量安全、管理高效、優(yōu)質(zhì)順利地進(jìn)行，4D-BIM對(duì)項(xiàng)目施工質(zhì)量安全管理過(guò)程進(jìn)行科學(xué)的管理。

4D-CAD是基于4 dimension (4D)模型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，其是在3D模型的基礎(chǔ)上，附加時(shí)間因素，將模型的形成過(guò)程以動(dòng)態(tài)的3D方式表現(xiàn)出來(lái)的圖像化模型[1]。4D模型是一種可視的媒介，使用戶看到物體變化過(guò)程的圖形模擬，對(duì)整個(gè)形象變化過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化和控制。目前，4D已逐步應(yīng)用到建筑施工模擬[2-3]、施工動(dòng)態(tài)管理、大型公共建筑[4]等。BIM技術(shù)已逐步成熟，再配合4D技術(shù)則為實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)化、集成化和可視化管理提供了新的途徑和方法[5]。最近有文獻(xiàn)討論了4D-BIM軟件在施工中的深度應(yīng)用[6]，說(shuō)明4D也逐步成為施工管理的常規(guī)手段。

1 公路項(xiàng)目4D-BIM支撐技術(shù)

針對(duì)現(xiàn)代化復(fù)雜高速公路項(xiàng)目的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的具體需求，應(yīng)用4D-BIM的主要思想，將BIM系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信息流無(wú)縫集成，本文提出了基于BIM的高速公路質(zhì)量安全管理全套支撐技術(shù)，如圖1所示。該技術(shù)集成多種數(shù)據(jù)源，以高速公路4D信息模型為基礎(chǔ)，形成4D管理功能，支持質(zhì)量管理和安全管理內(nèi)容。其技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

(1) 適應(yīng)公路項(xiàng)目異時(shí)空的各參與方。由于高速公路線路很長(zhǎng)，各參與方通常不可能經(jīng)常會(huì)面并舉行傳統(tǒng)的管理會(huì)議。而采用BIM技術(shù)就可以通過(guò)信息化平臺(tái)上為異地分布的業(yè)主、工程總承包、施工項(xiàng)目部等應(yīng)用主體提供完整的應(yīng)用流程[7]。最終在實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)時(shí)，滿足所有時(shí)空的實(shí)際需要。

(2) 實(shí)現(xiàn)公路項(xiàng)目的集成動(dòng)態(tài)管理。通過(guò)建立基于實(shí)際安全監(jiān)測(cè)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的BIM信息模型，將建筑物及其施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型同施工質(zhì)量、安全及場(chǎng)地信息集成為一體。然后連接BIM具有的多層次線路管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度集成化的4D管理、實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)模擬。

本系統(tǒng)主要包含3個(gè)部分(圖1右側(cè))：①CS系統(tǒng)：部署中心服務(wù)器、BIM管理平臺(tái)及BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，直接操作BIM模型，實(shí)時(shí)信息反饋各種項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)；②BS系統(tǒng)：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)錄入、信息查詢、模型瀏覽及項(xiàng)目綜合管理業(yè)務(wù)；③MS系統(tǒng)：利用移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)控、質(zhì)檢圖釘?shù)纫苿?dòng)應(yīng)用業(yè)務(wù)；利用手機(jī)微信實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全的數(shù)據(jù)采集與信息填報(bào)。

圖1 高速公路4D-BIM技術(shù)結(jié)構(gòu)

2 4D質(zhì)量管理與安全監(jiān)測(cè)

2.1 4D動(dòng)態(tài)質(zhì)量管理

本文采用基于BIM的動(dòng)態(tài)時(shí)間與位置的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量與安全管理流程，并且結(jié)合4D功能實(shí)現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)性。傳統(tǒng)的工地質(zhì)量管理期望能夠發(fā)現(xiàn)在施工過(guò)程中并未納入考慮過(guò)的潛在質(zhì)量或安全問(wèn)題[8]，在建設(shè)工地中，所有與此相關(guān)的人均可發(fā)現(xiàn)并提交這些問(wèn)題[9]。而B(niǎo)IM平臺(tái)自然提供了完成質(zhì)量管理的功能流程。

該流程始于用戶對(duì)工地中某部位的安全或質(zhì)量疑惑。之后用戶通過(guò)交互式定位進(jìn)行問(wèn)題的定位，并檢查4D模型的關(guān)聯(lián)信息和歷史狀態(tài)，并創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)[10]，最終將其標(biāo)記在BIM平臺(tái)中。一般管理過(guò)程在問(wèn)題解決并檢查無(wú)誤后，還需要進(jìn)行歸檔處理[11]。4D技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的存儲(chǔ)，更將時(shí)變模型與質(zhì)量問(wèn)題關(guān)聯(lián)，支持高效直觀的查看、搜索和分類匯總，這是傳統(tǒng)手段所不及的。

2.2 4D安全監(jiān)測(cè)

針對(duì)項(xiàng)目安全管理的需求，特別是高速公路橋梁的施工期結(jié)構(gòu)安全，本項(xiàng)目應(yīng)用了基于4D的施工安全管理系統(tǒng)，在BIM平臺(tái)上進(jìn)行施工期建筑結(jié)構(gòu)安全分析。此外，采用4D技術(shù)加入時(shí)間維度，就可根據(jù)不同時(shí)間加入項(xiàng)目的各分包單位提供跨時(shí)間的應(yīng)用支持。首先，需要將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，以形成完整的BIM安全管理的數(shù)據(jù)[12]。圖1中，4D時(shí)變安全分析模型將模型信息與時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析模型集合成一體，應(yīng)用于時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析的子信息模型中。結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本架構(gòu)包括：核心的4D信息模型、主導(dǎo)的4D管理及目的的時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析。

在高速公路橋梁的安全監(jiān)測(cè)中，較為關(guān)鍵的應(yīng)用點(diǎn)是從4D信息模型中獲取的信息，并結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范的荷載取值，采用隨機(jī)模擬，自動(dòng)形成結(jié)構(gòu)分析所需的分析模型、抗力隨機(jī)過(guò)程以及荷載效應(yīng)隨機(jī)過(guò)程，從而計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)安全性能指標(biāo)的分析方法。將4D管理與時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析等其他多方應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，為其應(yīng)用提供統(tǒng)一的信息獲取源。同時(shí)也是對(duì)4D信息模型的有效擴(kuò)充與改進(jìn)，支持設(shè)計(jì)、施工和結(jié)構(gòu)信息在信息模型中的統(tǒng)一管理與應(yīng)用，可為施工項(xiàng)目進(jìn)行的時(shí)變結(jié)構(gòu)安全動(dòng)態(tài)分析提供信息支持。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況概述

曲港高速公路沿線大型橋梁較多，工程量大、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大，并且路線交叉、房建工程等單點(diǎn)工程眾多，對(duì)精細(xì)化施工安全管理要求高。項(xiàng)目建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)卦械缆返挠绊戄^大，施工前需要進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、協(xié)調(diào)，對(duì)施工組織設(shè)計(jì)高，尤其是新建道路與老路交叉和干擾路段，施工期間需要保障舊路的暢通，盡量減少對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ǖ挠绊懀瑫r(shí)避免當(dāng)?shù)亟煌ㄓ绊懯┕ぐ踩?。?xiàng)目為典型的長(zhǎng)線高速公路工程，多點(diǎn)、多專業(yè)同時(shí)施工，施工信息采集地理跨度大、信息類別眾多、信息流大，質(zhì)量安全管理檢測(cè)數(shù)據(jù)信息量巨大。

在質(zhì)量管理方面，用戶在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與安全問(wèn)題時(shí)，可利用移動(dòng)端交互式定位、捕捉問(wèn)題構(gòu)件并填報(bào)問(wèn)題。在BIM平臺(tái)的計(jì)算機(jī)客戶端可查看到問(wèn)題的位置與詳細(xì)情況，同時(shí)查看到項(xiàng)目管理系統(tǒng)中的處理流程。

(1) 質(zhì)量安全問(wèn)題填報(bào)。利用移動(dòng)端，現(xiàn)場(chǎng)人員將施工現(xiàn)場(chǎng)的各種情況拍下來(lái)，標(biāo)注位置、問(wèn)題性質(zhì)等各種屬性，實(shí)時(shí)上傳到BIM服務(wù)器，并與BIM模型相關(guān)聯(lián)，發(fā)起整改流程。并將含時(shí)間屬性的動(dòng)態(tài)信息存儲(chǔ)至4D-BIM數(shù)據(jù)庫(kù)；

(2) 問(wèn)題查詢和處理。在移動(dòng)端、網(wǎng)頁(yè)端和PC端能夠查詢并處理問(wèn)題，整改完成閉合；

(3) 自動(dòng)生成質(zhì)量巡檢報(bào)告。自動(dòng)生成質(zhì)量安全整改通知單；

(4) 質(zhì)量安全問(wèn)題與BIM模型關(guān)聯(lián)。通過(guò)圖釘，將問(wèn)題和模型構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，支持4D時(shí)間維度上的綜合查詢。

在橋梁安全管理方面，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置直觀展示在模型上，單擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖釘可以查看該點(diǎn)的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，網(wǎng)頁(yè)端設(shè)定閾值，對(duì)問(wèn)題數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。建立與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，可在模型中增加視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，并對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控圖像與模型(圖2)。

圖2 BIM安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)

3.2 橋梁施工安全管理

將4D技術(shù)的橋梁時(shí)變安全監(jiān)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)用于曲港高速跨京廣鐵路大橋。本項(xiàng)目引入物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)、數(shù)字監(jiān)測(cè)等技術(shù)，在BIM與GIS集成的基礎(chǔ)上對(duì)重點(diǎn)橋梁施工安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的施工的數(shù)字化管理。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)字監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)了橋梁BIM中構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全信息與橋梁數(shù)字監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁施工安全管理。針對(duì)結(jié)構(gòu)安全，進(jìn)行實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，判斷目前的結(jié)構(gòu)受力情況是否符合要求。從而保證了施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，為施工效率提升提供有力支持。由于加入了4D信息，分析的結(jié)果可存于BIM平臺(tái)的三維模型中，按時(shí)間組成圖形顯示監(jiān)測(cè)信息，隨時(shí)進(jìn)行播放，為管理人員提供直觀方便的視圖。

3.3 質(zhì)量安全問(wèn)題多平臺(tái)應(yīng)用

3.3.1 微信端管理

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量安全問(wèn)題，直接在微信端上傳圖片，填寫問(wèn)題的描述和整改要求，發(fā)送給整改人；整改人實(shí)時(shí)在微信端收到整改通知，整改完成，回復(fù)整改情況以及整改后的照片；發(fā)起人收到整改完成通知，并對(duì)整改情況進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收通過(guò)形成閉環(huán)(圖3)。填報(bào)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到客戶端，并生成日?qǐng)?bào)、周報(bào)和月報(bào)。

3.3.2 網(wǎng)頁(yè)端管理

網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)同步所有微信端填報(bào)的問(wèn)題，包括所填報(bào)的質(zhì)量和安全問(wèn)題，并對(duì)所有的問(wèn)題數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯(圖4)；可以微信形式直接向現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)送整改通知或驗(yàn)收通知；并按照項(xiàng)目整改通知單的格式自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，生成word格式的整改通知單(圖5)。

圖3 微信端填報(bào)

圖4 質(zhì)量問(wèn)題網(wǎng)頁(yè)端填報(bào)

圖5 網(wǎng)頁(yè)端質(zhì)量安全問(wèn)題整改單生成

3.3.3 PC端管理

PC端實(shí)現(xiàn)了同步質(zhì)量安全問(wèn)題的所有數(shù)據(jù)傳至BIM平臺(tái)，并且以多種形式展現(xiàn)。圖6左框?yàn)橄嚓P(guān)質(zhì)量問(wèn)題的列表，單擊某個(gè)問(wèn)題右側(cè)即可看到此問(wèn)題的所有數(shù)據(jù)和經(jīng)辦流程(圖6右)。每個(gè)問(wèn)題均以圖釘?shù)姆绞綊旖拥綄?duì)應(yīng)的模型上，同時(shí)高亮顯示該問(wèn)題關(guān)聯(lián)的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)三維模型中的查看(圖6中)。豐富的信息結(jié)合可視化BIM的展現(xiàn)，令所有問(wèn)題詳情及對(duì)應(yīng)發(fā)生的部位一目了然，方便現(xiàn)場(chǎng)管理人員處理。

圖6 PC端質(zhì)量安全問(wèn)題標(biāo)示

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速公路的工程特點(diǎn)，綜合應(yīng)用BIM和4D技術(shù)，研究了施工安全與質(zhì)量監(jiān)控及分析技術(shù)，介紹了4D-BIM時(shí)變結(jié)構(gòu)安全分析系統(tǒng)和了基于BIM的曲港高速公路建設(shè)管理系統(tǒng)的架構(gòu)和功能。實(shí)際工程應(yīng)用表明，將4D-CAD技術(shù)和BIM有機(jī)結(jié)合并引入工程施工質(zhì)量安全管理和安全監(jiān)測(cè)之中，可以有效提高施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全問(wèn)題的整改效率，優(yōu)化質(zhì)量安全管理流程。研究成果為施工提供了新的安全技術(shù)和質(zhì)量安全管理工具，對(duì)于提高高速公路施工質(zhì)量管理和安全管理水平，具有理論創(chuàng)新意義以及對(duì)同類工程的參考價(jià)值。

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4D-BIM Based Quality and Safety Management for Qugang Highway

ZHANG Chao

(Hebei Qugang Expressway Development Company, Baoding Hebei 073000, China)

In order to improve the construction quality and safety management level of Qugang highway, this paper utilized 4D-BIM technology in a highway construction project. Construction safety and quality monitoring and analysis were carried out in highway quality and safety management, and a 4D-BIM time-varying structural safety analysis system was applied. This study introduces technologies such as the Internet of things, intelligent sensing technology, and digital monitoring to dynamically monitor the construction safety of key bridges and realize digital management of construction based on the Internet of things, thus improving the quality and safety management level of highway construction. This study provides methods and examples for the application of BIM in the quality and safety management of road construction, and is of great value for deepening the application of BIM in the construction phase.

BIM; 4D-CAD; road construction; quality management; safety management

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040778

A

2095-302X(2019)04-0778-05

2019-01-16；

定稿日期：2019-04-22

張 超(1979-)，男，河北泊頭人，高級(jí)工程師，本科。主要研究方向?yàn)榻煌ㄍ两üこ?。E-mail：1090992297@qq.com