向衛(wèi)國 常 海 李瑞雨 許 哲 黃子暉

(1.深圳市前海建設(shè)投資控股集團有限公司，深圳 518000； 2.深圳市前海數(shù)字城市科技有限公司，深圳 518000)

引言

隨著社會需求、經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，近年來國內(nèi)諸如奧運會場館工程、世博會園區(qū)工程、新城區(qū)市政工程等區(qū)域性、群體性、復(fù)雜性工程日益增多，呈現(xiàn)出“集群”的系統(tǒng)工程特性。特別是以雄安新區(qū)、深圳前海為代表的國家級戰(zhàn)略平臺，其市政工程建設(shè)規(guī)模體量、標準水平、質(zhì)量品質(zhì)以及作為先行示范所面臨的短時間群體項目集中開發(fā)挑戰(zhàn)都是前所未有的。這類市政工程項目功能特性顯著、類型眾多、組織管理模式相近，項目相互關(guān)聯(lián)并構(gòu)成系統(tǒng)，屬于新城區(qū)集群市政工程[1]。然而，傳統(tǒng)工程在實施過程中的管理模式在信息溝通的方式中存在落后、過程、組織管理割裂等問題，在新城區(qū)將制約集群市政工程整體目標的實現(xiàn)。有必要基于工程建設(shè)項目集成管理理論結(jié)合BIM的關(guān)鍵技術(shù)，探索集群項目基于BIM技術(shù)的管理模式，助力城市片區(qū)集群市政工程建設(shè)管理向著數(shù)字化、集成化、智慧化的方向發(fā)展。

1 項目背景及概況

1.1 前海規(guī)劃與集群市政工程建設(shè)情況

前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)(下文中簡稱“前海合作區(qū)”“前海”)在2000年之前是灘涂、濱海海域和基圍，經(jīng)過十余年的填海造地形成的陸域面積約15km2，現(xiàn)位于珠江入?？诘臇|岸、深圳南山半島的西側(cè)。前海區(qū)位如圖1所示。前海合作區(qū)規(guī)劃桂灣、前灣、媽灣三個片區(qū)，總建設(shè)規(guī)模約2 600萬m2，建設(shè)投資約3 898億元。前海開發(fā)建設(shè)面臨質(zhì)量標準要求高、規(guī)模體量大、項目種類多、工期緊、強度大等問題。需要總體統(tǒng)籌前海市政基礎(chǔ)設(shè)施項目的全面實施，既要加快在建項目的實施，又要考慮新項目在后續(xù)開展的過程中與區(qū)域內(nèi)建設(shè)項目之間產(chǎn)生的矛盾和沖突等問題。2012至2016年前海在建設(shè)模式經(jīng)歷了多種嘗試，在總結(jié)以往的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，分析及研究前海作為新城區(qū)集群市政工程的特點及難點，提出針對集群類工程項目的集成管理方法。

圖1 前海區(qū)位圖

1.2 前海集群市政工程項目實施面臨的挑戰(zhàn)

1990年，我國科學(xué)家錢學(xué)森[2]提出綜合集成管理的方法，其本質(zhì)是構(gòu)建新的系統(tǒng)用于指導(dǎo)被管理的復(fù)雜系統(tǒng)工程。前海合作區(qū)集群市政工程的系統(tǒng)復(fù)雜，新系統(tǒng)的解決方法可以提供借鑒。通過建立起“事理”系統(tǒng)來用于管理，再創(chuàng)建“人理”系統(tǒng)來用于協(xié)調(diào)事理系統(tǒng)，從而有效解決工程面臨的“物理”問題，最終形成“人理—物理—事理”的系統(tǒng)集成。

(1)“人理”方面。前海開發(fā)建設(shè)的主體是人，建設(shè)過程涉及實施主體眾多，包括管理局、前海建投、地鐵集團、招商自貿(mào)，以及各個參建單位；

(2)“物理”方面。前海各類市政項目之間、與周邊地塊單元的開發(fā)項目之間縱橫交錯，面臨著大量的空間體系接口沖突和不協(xié)調(diào)情況；

(3)“事理”方面。使用傳統(tǒng)的二維圖紙溝通造成各參建方間信息的割裂，迫切需要采用統(tǒng)一的管控方式和信息集成方法。

1.3 前海集群市政工程項目集成管理BIM技術(shù)應(yīng)用模式

集群項目集成化管理借鑒了綜合集成相關(guān)理論與制造業(yè)集成思想，以項目管理為目標的核心，通過集成管理思想來全面分析研究前海作為新城區(qū)集群市政工程的特點和項目管理面臨的“人理、物理、事理”挑戰(zhàn)，通過引入BIM技術(shù)等相關(guān)信息化技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)集群項目管理的信息集成、過程集成及組織集成。

(1)基于BIM技術(shù)的組織集成應(yīng)對“人理”挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)是標準化關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、采用參數(shù)化驅(qū)動來創(chuàng)建的信息模型，全專業(yè)工程信息模型將改善以往的組織模式，為集群項目跨組織、跨地塊的高效溝通創(chuàng)造條件；

(2)基于BIM技術(shù)的過程集成應(yīng)對“物理”挑戰(zhàn)。BIM模型可貫穿全生命周期各階段，不同階段的各參建方將應(yīng)用同一套模型進行協(xié)作，將有效避免全過程信息在不同階段出現(xiàn)斷層；

(3)基于BIM技術(shù)的信息集成應(yīng)對“事理”挑戰(zhàn)。BIM模型的背后具有龐大的數(shù)據(jù)庫，同時可以掛接不同項目、不同階段、多參建方在建設(shè)過程輸入大量的信息。搭建BIM建設(shè)管理平臺將進一步集成各參建方對工程進度、質(zhì)量、安全等要素的管控和調(diào)度。

綜上，實現(xiàn)前海合作區(qū)集群市政工程項目集成管理的方式是，基于BIM技術(shù)重新構(gòu)建了組織集成、信息集成和過程集成，從而使集群項目的各項管控要素形成了有機的整體，這種優(yōu)勢是單項目管理所不具備的。

2 前海集群市政工程項目集成管理BIM技術(shù)應(yīng)用

基于BIM技術(shù)實現(xiàn)新城區(qū)集群類市政工程項目的組織集成、過程集成和信息集成，分別通過BIM模型創(chuàng)建整合、BIM模型及其應(yīng)用和搭建基于BIM的建管平臺來實現(xiàn)。

2.1 基于BIM的組織集成

虛擬組織和虛擬建設(shè)理論是BIM技術(shù)在組織集成上的重要體現(xiàn)，具體包含創(chuàng)建規(guī)劃信息模型，有效保障規(guī)劃管理的組織統(tǒng)籌和落地； 創(chuàng)建地理信息模型，促進跨地理空間項目的組織實施和管理； 創(chuàng)建地質(zhì)模型，有利于在復(fù)雜地質(zhì)條件下工程風(fēng)險的研判； 創(chuàng)建及整合各類設(shè)施項目BIM模型，形成片區(qū)城市級模型； 最后將基礎(chǔ)模型、BIM模型整合為城市級模型，為組織的集成化提供可視化模擬仿真環(huán)境。

2.1.1 基礎(chǔ)模型創(chuàng)建

(1)大重疊率的地理模型創(chuàng)建

利用無人機對前海合作區(qū)進行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，確定坐標系環(huán)境，對影像數(shù)據(jù)、空三數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過匹配瓦片大小、區(qū)域范圍等參數(shù)，利用ContextCaptureCenter全自動實景建模軟件生成高分辨率傾斜攝影三維模型，通過動態(tài)單體化技術(shù)完成標準性建筑物單體化處理，再利用Bentley和主流3D GIS平臺完成模型整合和網(wǎng)絡(luò)輕量發(fā)布。模型效果如圖2所示。地理模型具有真實的三維數(shù)據(jù)信息，可進行任意截面剖切查看、面積量測、距離量測等。

圖2 前海傾斜攝影實景三維模型圖

(2)分區(qū)塊建模的地質(zhì)模型創(chuàng)建

通過收集規(guī)劃勘察資料和地塊詳細勘察資料，利用三維勘察設(shè)計系統(tǒng)GeoStation，依照前海地質(zhì)地層劃分標準，實現(xiàn)地質(zhì)資料快速入庫，通過巖土體全自動建模、半自動建模、分區(qū)塊建模[3]、巖土界面生成等工具構(gòu)建覆蓋相應(yīng)區(qū)域的三維地質(zhì)模型。模型范圍涵蓋桂灣、前灣和媽灣三個片區(qū)，模型信息包括地層(完整層、尖滅層)、鉆孔、地表水等內(nèi)容。如圖4所示。三維地質(zhì)模型可用于幾何查詢、地質(zhì)分析、基于CAE的一體化分析。

圖3 地質(zhì)區(qū)塊劃分

圖4 前海完整地質(zhì)模型

(3)前海多層級規(guī)劃混合建模

前海規(guī)劃包含了綜合、單元、專項等多項不同層級的規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃資料，通過Autodesk Revit、Bentley MicroStation等主流的BIM建模軟件創(chuàng)建規(guī)劃信息模型[4]，包含了地面、景觀、道路、橋梁、河道、公園、規(guī)劃建筑、單元地塊等模型。如圖5所示。規(guī)劃信息模型可以用于各專項規(guī)劃的不協(xié)調(diào)檢查，統(tǒng)籌梳理不同層級規(guī)劃之間的錯漏碰缺，促進各規(guī)劃的順暢銜接。

圖5 規(guī)劃信息模型

2.1.2 基于統(tǒng)一標準的工程BIM模型創(chuàng)建

前海集群市政工程各階段BIM模型[5]采用Bentley、Revit、SketchUp、Rhino、CATIA、SolidWorks等主流的BIM建模軟件創(chuàng)建，范圍同樣覆蓋了前海合作區(qū)桂灣片區(qū)、前灣片區(qū)與媽灣片區(qū)，包括區(qū)域全部市政工程項目資料數(shù)據(jù)整理、創(chuàng)建模型、整合模型數(shù)據(jù)及動態(tài)更新。嚴格按照前海制定的BIM相關(guān)標準要求進行建模，部分模型見圖6-圖8所示。

圖6 市政道路、隧道市政基礎(chǔ)設(shè)施模型

圖7 橋梁三維模型

圖8 市政管廊模型

2.1.3 模型整合

前海新城區(qū)開發(fā)建設(shè)既要總體統(tǒng)籌區(qū)域規(guī)劃、項目設(shè)計和施工落地，還要總體統(tǒng)籌各項目間空間接口協(xié)調(diào)和建設(shè)時序，這就涉及到將上述地理信息模型、三維地質(zhì)模型、規(guī)劃信息模型以及各單體項目設(shè)計階段及施工階段的BIM模型進行整合[6]，通過不同軟件之間的模型轉(zhuǎn)換以及BIM與GIS的模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以完成不同BIM模型之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為.dgn格式在同一坐標系下基于Microstation軟件完成整合，建立起前海片區(qū)的城市級BIM模型。整合模型主要包含工作：規(guī)劃模型與建筑方案設(shè)計模型的整合、各關(guān)聯(lián)項目相關(guān)模型間的整合、單體項目BIM模型與基礎(chǔ)模型間的整合[7-8]。如圖9-10所示。

圖9 方案設(shè)計模型與原有規(guī)劃模型整合

圖10 地質(zhì)模型與傾斜攝影模型疊加

2.2 基于BIM的過程集成

2.2.1 縱向過程集成

(1)基于BIM的三維圖紙會審。通過對各專業(yè)BIM的整合模型來校核各專業(yè)間大豎向上和總平面的一致性、物理空間沖突、排布管線、凈空及預(yù)留預(yù)埋等情況。

(2)基于BIM的施工深化設(shè)計。具體包含了基于BIM的市政道路、景觀園林、橋梁結(jié)構(gòu)、地下管網(wǎng)、鋼結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)管片等專業(yè)的深化。

(3)基于BIM的道路交通疏解。在BIM模型上疊加整合地理信息模型，對施工過程交通走向、疏解方案、管線遷改及其保護過程進行模擬，對交通疏解方案進行優(yōu)化。

(5)基于BIM的施工場地布置。按照統(tǒng)一標準創(chuàng)建施工機械設(shè)備、臨時設(shè)施等模型庫，建立施工組織場地布置模型，基于模型和工程組織實際對場地布置進行預(yù)演分析。

(6)基于BIM的施工方案模擬。根據(jù)施工組織方案基于BIM模型開展方案模擬分析、對比優(yōu)化，結(jié)合實際需要輸出模擬、技術(shù)交底動畫視頻，促進資源合理配置。

(7)大型設(shè)備運輸路徑方案模擬。建立運輸設(shè)備需要的總裝BIM模型，錄入附加信息，對設(shè)備檢修路徑及安裝檢修空間等進行模擬，優(yōu)化施工場地和設(shè)備進場組織實施方案。

(8)景觀BIM應(yīng)用。創(chuàng)建項目所需的植物和小品等BIM模型庫，結(jié)合地理信息模型整合建立項目場地模型，根據(jù)項目需求布置植物和小品，優(yōu)化景觀排布等并對模型進行總裝與渲染，開展日照、四季、視域等分析。

(9)基于BIM的城市風(fēng)貌展示及規(guī)劃核查。通過前海規(guī)劃信息模型和各項目BIM模型創(chuàng)建整合，對區(qū)內(nèi)市政道路、過街天橋、景觀橋、水環(huán)境、景觀園林、空中步道、地下通道、城市軌道交通、地下設(shè)施模型、市政管網(wǎng)等，開展設(shè)計成果與規(guī)劃的合規(guī)性檢查，輔助規(guī)劃統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)。同時可以多角度展示前海未來城市面貌和海上天際線輪廓，開展視域、通視等分析，在城市規(guī)劃建設(shè)的過程中提供直觀和科學(xué)的決策支撐。

(10)建筑多方案對比?？梢愿鶕?jù)需要將多個已出讓地塊的不同建筑方案同時與周邊項目模型進行精準的整合，并與整個區(qū)域三大基礎(chǔ)模型進行總裝，通過GIS軟件來實現(xiàn)多屏的展示與聯(lián)動，通過VR和AR等技術(shù)來開展多方位、多視角展示分析，從前海整體風(fēng)貌來選擇最優(yōu)建筑方案。

2.2.2 橫向過程集成

(1)基于BIM的接口協(xié)調(diào)。創(chuàng)建關(guān)聯(lián)項目接口模型，對各接口施工場地邊界、交叉施工組織進行校核，避免發(fā)生場地空間上的沖突，當(dāng)出現(xiàn)偏差的先行施工部位，其對后續(xù)施工部位的影響可提前預(yù)判。接口協(xié)調(diào)成果詳見圖11。

圖11 接口協(xié)調(diào) BIM 模型細部

(2)基于BIM的城市片區(qū)“生長”模擬。利用前海城市級BIM模型創(chuàng)建整合，開展城市片區(qū)“生長”過程模擬，優(yōu)化單元規(guī)劃建設(shè)總體建設(shè)時序統(tǒng)籌和接口協(xié)調(diào)。

(3)城市片區(qū)地下空間分析。利用整合的前海區(qū)域地下空間模型，對總體規(guī)劃之間、各專業(yè)之間以及專項與專業(yè)規(guī)劃之間的沖突進行核查，實現(xiàn)地下工程中各片區(qū)間、各項目間的綜合分析與協(xié)調(diào)。成果詳見圖12。

圖12 地下空間與地上建筑及設(shè)施關(guān)系

2.3 基于BIM的信息集成

搭建基于BIM的建設(shè)管理平臺是實現(xiàn)前海集群市政工程項目信息集成的主要體現(xiàn)。平臺為各參建方提供統(tǒng)一的信息入口，基于項目BIM模型載體集成各階段信息，促進各參建方信息共享，強化各方溝通協(xié)調(diào)[9]。平臺開發(fā)運用BIM+GIS等關(guān)鍵信息技術(shù)，采用統(tǒng)一的B/S和C/S混合模式，利用Restful標準化接口來開展的微服務(wù)作為服務(wù)主線，建立系統(tǒng)總體架構(gòu)[10]。平臺中的項目群功能主要結(jié)合了項目群管理信息與項目群BIM模型總裝共享[11]，通過工作流實現(xiàn)任務(wù)下達、進度監(jiān)控和資源調(diào)度，包括總控平臺、總體進度、質(zhì)量、安全管理、綜合展示等模塊。

(1)項目群總控臺

依托項目群BIM模型建立的前海區(qū)域“數(shù)字沙盤”與建設(shè)管理平臺緊密融合，對各項目群工程數(shù)據(jù)信息進行精確策劃、總體統(tǒng)籌，在建設(shè)過程中及時發(fā)現(xiàn)項目群的各類項目問題，并提出相應(yīng)的整改措施，為項目群的科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)支持、輔助決策。如圖13所示。

圖13 項目群總控看板

(2)綜合展示

依托地理、地質(zhì)和規(guī)劃三大基礎(chǔ)模型以及各類設(shè)施BIM模型的創(chuàng)建整合模型，可對工程項目內(nèi)外部及周邊項目、周邊環(huán)境作全方位多角度展示查看[12]。將BIM模型與各項數(shù)據(jù)掛接可用于展示項目整體情況、空間分布、項目間關(guān)聯(lián)等信息?；A(chǔ)模型展示區(qū)域三維規(guī)劃信息模型、地理信息模型、三維地質(zhì)模型等內(nèi)容。如圖14。

圖14 三維規(guī)劃模型

(3)質(zhì)量管理

質(zhì)量管理模塊將深度分析大型群體工程中影響質(zhì)量的各種因素，并通過對其控制和調(diào)整使總體工程質(zhì)量保持在良性區(qū)間。項目群質(zhì)量管理模塊和單體項目質(zhì)量管理模塊保持銜接和數(shù)據(jù)互通，對各類關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)籌分析管控，最終項目群將形成全面、清晰、實時的質(zhì)量分析報告，供項目管理人員查看。

(4)安全管理

項目群安全管理模塊按照事前預(yù)防、事中控制、事后反饋原則，做到與單體項目的安全管理模塊保持銜接和數(shù)據(jù)互通，安全隱患和數(shù)據(jù)實時匯總更新，同時進行全面分析，確保各項目的安全隱患及時得到傳達和處理，實現(xiàn)項目群安全隱患的實時預(yù)警、安全指數(shù)趨向平穩(wěn)。

(5)進度管理

項目群的總體進度管理實施管理的重要內(nèi)容、是動態(tài)的控制過程。該模塊和單體項目的進度管理模塊相掛接和數(shù)據(jù)互通，在項目群的實施過程中可對進度信息進行分析，自動解析進度問題，數(shù)據(jù)可以實時、動態(tài)傳遞，對進度問題及時預(yù)警，總體把控項目群進度。

3 結(jié)論

對深圳前海合作區(qū)的規(guī)劃建設(shè)和群體性工程項目建設(shè)特點和難點開展深入研究，基于綜合集成法和集成管理思想對工程實施過程中所面臨的“人理”、“物理”、“事理”挑戰(zhàn)進行分析。在準確把握前海合作區(qū)集群市政工程概念下，結(jié)合BIM等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，前海在國內(nèi)首次開展了區(qū)域性城市規(guī)劃信息、地理信息和三維地質(zhì)三大基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建，同時開展各類集群市政、房屋建筑工程的模型創(chuàng)建整合和應(yīng)用。在前海開發(fā)建設(shè)全過程中搭建了基于BIM的建設(shè)管理平臺，開展了基于BIM的設(shè)計施工一體化應(yīng)用工作?？傮w構(gòu)建了前海集群市政工程項目在BIM技術(shù)支撐下信息集成、過程集成、組織集成和集成管理模式，有力促進了前海整體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程項目整體目標的實現(xiàn)。