基于BIM技術的大型海工項目智慧建造過程管理

摘 要

本次BIM 仿真技術應用立足于大型基礎設施建設項目，首次將BIM技術結合 Bentley 平臺應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、復雜工程量的快速計算以及針對極端天氣的災害定損等方面的探索與應用，實現了該項目智慧建造過程中的有效管理，打造了大型復雜海工項目施工數字化、信息化、一體化的智慧管理模式。

前 言

當前我國沿海地區所面臨的人口增長、資源短缺與環境惡化等問題日益嚴峻，用地矛盾突出、城市發展空間不足己經成為制約沿海城市經濟可持續發展的瓶頸之一。因此，在當前形勢下，通過海上人工島的建造有助于充分開發利用廣闊的海洋空間增加陸地面積，有效緩解用地矛盾，拓展新的經濟發展空間和生存空間。在國外，通過海上人工島建設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，海上人工島在其經濟發展的道路上發揮了巨大作用。

智慧化是從數據化、信息化轉變過來的，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能走可持續發展道路，保證整個建造過程能高效的利用各項資源，實現低碳節能要求，最大限度地節約資源、保護環境和減少污染；其二是利用先進的信息技術手段實現整個建造過程的智慧化，各方主體能協同工作，信息數據得到有效共享，真正實現共贏局面。

BIM技術推動著工程建設行業的一次重大變革。起源于美國，然后擴展到歐洲、日本及新加坡等發達國家，我國直到2003年才開始引進。利用BIM技術的參數化輸入，其智能運算功能代替傳統的手工計算，不僅大大降低了前期投資成本，節省了人力資源，也使工程造價的估算更精確、更具科學性、合理性。利用BIM構建的三維虛擬模型，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，提高了項目決策的準確度，同時也提升了工程質量。

本次BIM仿真技術應用立足于大型基礎設施建設項目，將BIM技術與系統仿真方法相結合用于填海造陸項目，可充分發揮BIM和系統仿真在可視化、仿真性、協同性和一體化等方面的優勢，為填海造陸項目在風險評估、三維展示、仿真模擬、施工進度優化及控制、協同工作等方面發揮重要作用。

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，由海航集團投資開發，總體布局分為空港運營區、臨空商貿區及臨空配套服務區三部分, 投資金額超過2000億人民幣。三亞新機場填海造陸項目是經由國務院批準的國家重點項目，是立足南海輻射東南亞的門戶機場，實現海上絲綢之路，以及“一帶一路”深入南海的偉大戰略。

圖1 三亞新機場人工島

本工程規模較大、建設條件異常復雜、綜合技術難度大，且具有填海造陸項目建設標準復雜、建設條件復雜、技術復雜、施工組織復雜等特點。與陸地工程相比，填海造陸工程受環境影響較大，并且海域環境變換頻繁、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。施工過程中多次經歷臺風，對災害進行高精度、高效定損也成為了工程實施過程中的重點及難點?；?Bentley 平臺配合使用其他平臺進行二次開發，為上述問題提供了良好的解決思路。

1.2  BIM應用范圍

本工程以ProjectWise 為協同平臺，建立項目級私有云，解決單位、專業間協同問題，實現按時間、區域多維度檢索與數據處理；利用 PowerCivil 及 GEOPAK 等相關軟件提取人工島復雜結構工程量；采用實景模型及圖像識別技術，解決臺風災后物料定損問題。

二 協同管理—云平臺搭建

項目實施初期，為保證BIM工作的順利展開，制定了相關標準；為BIM工作實施創造軟硬件條件。由于本工程參與方眾多，各參與方基于業主搭建的 ProjectWise 平臺實現網絡化、協同化管理，提高工作效率。

應用 Bentley 項目管理思想和模式；以 ProjectWise 為基礎的信息協作平臺；精準、及時且全面的信息采集系統。采用 Bentley 系列軟件與其它軟件共同服務于本工程，建立全過程數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，搭建人工島三維數字化平臺。通過該數字化平臺，實現復雜構件的參數化建庫、鋼圓筒構件及常規島壁的參數化，充分發揮了BIM在可視化、仿真性、協同性和一體化等方面的優勢。

圖2 三維模型軟件與資料協同軟件

三 成本管理—復雜工程量的快速計算

在中國的承發包模式下，針對于施工單位工程量的準確、快速統計就顯得尤為重要了?；?Bentley 軟件高效、準確的為工程量預算工作提供數據支撐。為復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高，應用 GEOPAK 軟件識別高程文件，建立海底實時地形模型，對地形模型進行挖填方分析，提取該時間段內填方工程量。利用該數據監測工程進度以及記錄已施工工程量，為工程按時竣工提供數據支持。

圖3 地形模型

在此過程中，經分析得出拋填工程量與海底實際工程量存在一定差距。因施工過程受環境影響較大，及時對施工現場范圍內波浪、潮位、氣象進行監測，并結合工程量對比分析結果，在MATLAB軟件中模擬現場施工環境對工程量差距之間的影響，預測不同施工段內的工程量需求。同時，根據不同區域內的工程量變化，及時規劃運輸船在施工海域內的作業區域以及交通路線，提高了船只的調度效率，保證現場交通順利。

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 進行南護岸試驗段基槽開挖土方量計算，在根據實際地形高程數據形成的三維地形模型基礎上，建立基槽開挖BIM模型，實現基槽開挖土方量的快速提取，以輔助施工前期工程量預算。

圖6 鋼圓筒基槽開挖工程量

通過 Bentley PowerCivil 創建人工島島堤結構及標準化構件庫，根據定位信息，自動化、批量化建立人工島島堤參數化施工模型。分層進行工程量提取，并輸出材料表單,協助商務核算島壁結構工程量。

圖7 島壁復雜結構工程量

使用 PowerCivil 創建橫斷面構件庫，從而快速、準確提取人工島島堤各結構工程量，PowerCivil 為人工島模型創建提供了完美解決方案，任意定義斷面模板，生成參數化模型，進而精確計算工程量。

圖8 島堤各結構工程量

四 資產管理—針對極端天氣的災害定損

項目位于海南島南端，施工條件惡劣，根據三亞氣象局記錄統計，本地臺風平均每年2.5個。銀河、莎莉嘉、塔拉斯、?？ǖ扰_風對本項目造成較大損失，已完工程也會由于臺風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、快速統計工作成為了項目組面臨的重大挑戰。

圖9 臺風影響圖

本項目以出海面面積為填海工程計量依據。臺風過后，海面露出部分經過海浪沖刷損失大量土石方，傳統計量方式下，損失部分工程量無法準確計量。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。經過多次實踐，項目組采用實景模型及圖像識別技術，解決臺風災后物料定損問題。

圖10 面向災害的物料定損系統流程圖

臺風來臨前，使用無人機對現場進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，結合C++編寫現場識別系統，提高現場計量效率?；诖朔椒焖?、準確實現損失工程量提取，精確度提高了32.54%。

圖11 圖像提取與圖像識別

圖12 定義編程與數據輸出

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

五 結論和展望

本項目是一項非常復雜的大型基礎設施海工項目，BIM技術的應用呈現復雜化、網絡化、協同化的特征。本項目實施過程中共完成4大類，50余項BIM創新研究及應用工作，形成大量工作成果。項目在鋼圓筒數字化模型及定位、復雜工程量核算、高聳結構海上運輸受力分析、臺風災害定損、施工信息管理等方面取得一定成果。

BIM技術的深化應用，將與施工智慧提升形成良好互動效應，并將帶來工作模式與服務能力的提升，且BIM技術應用的迭代升級將不斷促進施工改進，形成良性的循環。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，促進各國經濟發展，助力全人類環境、資源、人口的生態共贏。