一座世界級(jí)跨海集群工程的BIM探索與實(shí)踐

文/圖 深中通道管理中心 劉健 羅林杰 中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司 卜慶晗 林述濤

改革開放以來，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了舉世矚目的成就，創(chuàng)造了“中國(guó)速度”。為實(shí)現(xiàn)從“交通大國(guó)”向“交通強(qiáng)國(guó)”的轉(zhuǎn)變，黨中央在“十四五”規(guī)劃中明確提出，加快數(shù)字化發(fā)展，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。BIM作為一種全新技術(shù)，涉及工程項(xiàng)目從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期的技術(shù)與管理的創(chuàng)新。

解決全生命周期復(fù)雜管理需求

作為國(guó)家“十三五”重大工程，深圳至中山跨江通道（以下簡(jiǎn)稱“深中通道”）工程是繼港珠澳大橋之后又一座世界級(jí)集“橋、島、隧、水下互通”為一體的跨海集群工程，承擔(dān)著推動(dòng)行業(yè)從“工程建造”向“工程智造”發(fā)展的責(zé)任與使命。

深中通道路線起自廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通，以6.8公里的特長(zhǎng)海底隧道穿越機(jī)場(chǎng)支航道及礬石水道，經(jīng)西人工島橋隧轉(zhuǎn)換后再以特大跨徑橋梁跨越伶仃西航道及橫門東水道，最后登陸于中山市馬鞍島，全長(zhǎng)約24公里。

圖1.深中通道全線構(gòu)造物平面布置圖

深中通道工程位于內(nèi)伶仃洋海域，規(guī)模宏大，施工制約因素多，建設(shè)環(huán)境異常復(fù)雜，涉及專業(yè)、行業(yè)及參建單位眾多，工期要求緊，協(xié)調(diào)組織難度大。為滿足復(fù)雜的管理需求，深中通道工程秉持BIM技術(shù)，并將其貫穿于工程的全生命周期。其中，建設(shè)期BIM技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)在于提升工程建造智能化、項(xiàng)目管理無紙化和工地管控可視化的水平。

智能建造支撐跨海集群工程

深中通道工程以需求為導(dǎo)向，以工業(yè)化與信息化的深度融合為基礎(chǔ)，以《中國(guó)制造2025》為契機(jī)，以提質(zhì)增效為中心，全面推行智能建造,引領(lǐng)交通行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖2.智能建造體系

沉管鋼殼智能制造

深中通道沉管共32個(gè)管節(jié),總用鋼量達(dá)32萬噸,平均每個(gè)管節(jié)1萬噸,排水量相當(dāng)于1艘中型航空母艦；管節(jié)構(gòu)造非常復(fù)雜,單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由2800個(gè)隔艙組成，橫縱隔板、連接件交錯(cuò);單個(gè)管節(jié)焊縫累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)27萬延米；交通工程和機(jī)電設(shè)施等預(yù)留預(yù)埋設(shè)施達(dá)每管節(jié)3.2萬個(gè)；鋼殼制造幾何精度要求在正負(fù)10毫米，遠(yuǎn)高于鋼箱梁和造船行業(yè)的精度要求；為保證建設(shè)工期,鋼殼制造需要滿足每月1節(jié)的出廠要求。

深中通道工程方研發(fā)了國(guó)內(nèi)重工業(yè)行業(yè)首個(gè)“四線一系統(tǒng)”沉管鋼殼制造體系，包括板材、型材智能下料切割生產(chǎn)線、片體智能焊接生產(chǎn)線、塊體柔性智能焊接生產(chǎn)線、智能涂裝生產(chǎn)線和生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)了基于MES系統(tǒng)的車間產(chǎn)能智能排產(chǎn)、拆解工作包、精細(xì)派工至每個(gè)班組，以及小節(jié)段車間智能制造、中節(jié)段場(chǎng)地?cái)?shù)字搭載和大節(jié)段塢內(nèi)自動(dòng)總組。同時(shí)，工程方還建立工廠物聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)時(shí)采集物料、設(shè)備、工藝數(shù)據(jù)，并建立三維焊縫地圖，通過焊縫實(shí)名制管理，對(duì)焊縫設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及檢驗(yàn)全過程質(zhì)量溯源。

圖3.沉管鋼殼智能制造MES系統(tǒng)

鋼殼混凝土智能澆筑

深中通道沉管鋼殼隔艙混凝土澆筑面臨眾多難點(diǎn)——自密實(shí)混凝土性能要求高,拓展度要求控制在600毫米至720毫米，配制和質(zhì)量穩(wěn)健性控制難度大；單個(gè)管節(jié)隔艙數(shù)量超過2500個(gè)，規(guī)格多,工藝參數(shù)控制及施工組織難度大；密肋封閉結(jié)構(gòu),混凝土不易填充密實(shí),施工難追溯,脫空要求不大于5毫米，脫空缺陷難檢測(cè)；自密實(shí)混凝土有效澆筑時(shí)間少于或等于90分鐘。

為保障自密實(shí)混凝土澆筑質(zhì)量,工程方研發(fā)了智能化澆筑裝備,通過傳感器和智能澆筑小車可實(shí)現(xiàn)混凝土自動(dòng)布料、快速自動(dòng)尋位、自動(dòng)澆筑及澆筑速度控制；基于BIM、智能傳感和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研發(fā)涵蓋混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑及檢測(cè)的鋼殼沉管混凝土澆筑全過程智能化、信息化管理系統(tǒng),利用大數(shù)據(jù)輔助決策,實(shí)現(xiàn)沉管預(yù)制各環(huán)節(jié)任務(wù)智能分配、實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄及施工缺陷快速定位、自動(dòng)生成報(bào)表的優(yōu)質(zhì)、高效、智能化和精細(xì)化管理,實(shí)現(xiàn)“管節(jié)預(yù)制全過程信息化管控”。

鋼殼沉管管節(jié)智能安裝

深中通道工程沉管隧道預(yù)制工廠距離隧址約50公里。受到工程水文泥沙條件、管節(jié)尺寸、航道水深、運(yùn)輸距離、基槽約5公里的長(zhǎng)距離橫拖、對(duì)接安裝精度、氣象窗口等因素制約,超大體量鋼殼沉管管節(jié)的運(yùn)輸安裝及沉放難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

為降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保障水上公共安全、提高對(duì)接精度、減少疏浚量，工程方結(jié)合項(xiàng)目需求，研發(fā)沉管運(yùn)輸安裝一體船——集沉管浮運(yùn)、定位、沉放和安裝等功能于一體,具有DP定位和循跡功能,以及航跡線控制、自航速度快、抵抗橫流、減少航道通航影響、可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急回拖等優(yōu)點(diǎn),能提升長(zhǎng)距離管節(jié)浮運(yùn)施工安全保障能力,并大幅提升浮運(yùn)安裝工效,實(shí)現(xiàn)智慧安裝。此外,工程方還配備了沉管沉放姿態(tài)控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)沉管水下40米的厘米級(jí)對(duì)接。

鋼箱梁智能制造

深中通道鋼箱梁制造的主要難點(diǎn)——正交異性鋼橋面板在鋼箱梁橋運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)疲勞裂紋；鋼箱梁“U”形肋與頂板的全熔透焊接對(duì)加工制造提出了更高的要求；深中通道工程位于白海豚保護(hù)區(qū)，對(duì)橋位涂裝提出了更高的環(huán)保要求。

對(duì)此，深中通道工程方研發(fā)了鋼箱梁“四線一系統(tǒng)”，其中“一系統(tǒng)”即MES系統(tǒng)，可圍繞產(chǎn)品交付周期、項(xiàng)目計(jì)劃、設(shè)計(jì)、工藝等管控要素，通過實(shí)施數(shù)字化、制造單元智能化、建立管理層與各業(yè)務(wù)層閉環(huán)管控鏈路，打通各管理層級(jí)、業(yè)務(wù)部門之間壁壘，并基于產(chǎn)品BIM模型，對(duì)接“四線”應(yīng)用，方便各級(jí)管理層及時(shí)掌握生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況，提升管控能力。

智慧梁場(chǎng)建設(shè)

深中通道工程打造了國(guó)內(nèi)一流的智慧梁場(chǎng)，集成混凝土拌和智能控制系統(tǒng)、鋼筋自動(dòng)化加工生產(chǎn)線、模板自動(dòng)液壓控制系統(tǒng)、智能張拉壓漿系統(tǒng)和自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)等，通過建立鋼筋集中加工配送中心、引進(jìn)鋼筋自動(dòng)加工流水線、打通鋼筋BIM與數(shù)控加工設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)了鋼筋3D建模，生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)及對(duì)原材料及半成品動(dòng)態(tài)物流管控等的智能化管理；通過建立混凝土拌和智能控制中心和ERP系統(tǒng)，可自動(dòng)監(jiān)控原材庫(kù)存消耗、配合比設(shè)計(jì)、混凝土質(zhì)量及車輛運(yùn)行調(diào)度情況；通過建立基于BIM的智慧梁場(chǎng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠生產(chǎn)管理、物資材料、勞務(wù)人員、特種設(shè)備及車輛調(diào)度等的信息化管控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度可視化、生產(chǎn)自動(dòng)化、管理扁平化。

數(shù)字化協(xié)同管理打破“數(shù)據(jù)孤島”

基于BIM的協(xié)同管理

深中通道工程具有工作界面多、管理線條多、參建單位多等特點(diǎn)，內(nèi)業(yè)與外業(yè)協(xié)同管理的需求十分強(qiáng)烈。同時(shí)，工程還存在軟件系統(tǒng)眾多，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間相對(duì)獨(dú)立，極易形成“數(shù)據(jù)孤島”。

對(duì)此，深中通道工程建立了基于BIM的協(xié)同管理一體化平臺(tái)，除統(tǒng)一門戶和實(shí)名制賬戶，深度開發(fā)十余個(gè)業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)外，還建立統(tǒng)一的分部分項(xiàng)工程編碼與分項(xiàng)工程量清單編碼，把施工BIM模型單體化，模型與WBS編碼關(guān)聯(lián)，以現(xiàn)場(chǎng)工序報(bào)驗(yàn)為最小管理單元。施工人員在手機(jī)端發(fā)起工序報(bào)驗(yàn)，監(jiān)理驗(yàn)收合格后上傳云端，可及時(shí)反饋實(shí)際進(jìn)度，并與計(jì)劃對(duì)比分析。在質(zhì)量監(jiān)督管理系統(tǒng)中，基于統(tǒng)一的分部分項(xiàng)工程編碼填報(bào)工程質(zhì)檢數(shù)據(jù)，生成工程質(zhì)保文件支持計(jì)量支付，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)形成的電子文件可自動(dòng)歸檔到檔案管理系統(tǒng)中。深中通道工程首次實(shí)現(xiàn)了“BIM-現(xiàn)場(chǎng)工序-進(jìn)度反饋-質(zhì)量檢驗(yàn)-計(jì)量支付-電子檔案”的全業(yè)務(wù)流程協(xié)同管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的智慧工地管控

深中通道工程建設(shè)管理平臺(tái)

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)控難，以及施工過程中存在的安全事故發(fā)現(xiàn)難、事后查證難、人員行為管控難等情況，工程方通過GPS記錄人員和設(shè)備行動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)跟進(jìn)人員、設(shè)備情況；對(duì)塔吊、浮吊、運(yùn)架一體船等特種作業(yè)設(shè)備，搭建特種作業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特種設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；建立數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，與門禁設(shè)備對(duì)接，授權(quán)和查看現(xiàn)場(chǎng)人員通行記錄；實(shí)時(shí)采集拌和站與試驗(yàn)室過程數(shù)據(jù)，由后臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析，在發(fā)生異常時(shí)立即發(fā)布預(yù)警提示消息，確保相關(guān)人員第一時(shí)間趕至現(xiàn)場(chǎng)?；贐IM集成施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，超出閾值自動(dòng)預(yù)警；監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境，設(shè)置浮漂、觀測(cè)點(diǎn)和氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)控海浪、海流、氣象等數(shù)據(jù)，切實(shí)保證沉管浮運(yùn)安裝的安全。

研發(fā)智慧深中數(shù)字指揮平臺(tái)

研發(fā)智慧深中數(shù)字指揮平臺(tái)，基于多種風(fēng)格的二維GIS地圖，集成人、機(jī)、船、視頻監(jiān)控、門禁、場(chǎng)站等坐標(biāo)、屬性和鏈接等信息，對(duì)投資與產(chǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比與統(tǒng)計(jì)；追蹤機(jī)械設(shè)備進(jìn)退場(chǎng)、類型及在線情況等；動(dòng)態(tài)追蹤各類隱患問題并分類管理；在線監(jiān)控拌和站與試驗(yàn)室生產(chǎn)數(shù)據(jù)并在異常時(shí)發(fā)出預(yù)警；統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目組卷、八大類案卷和各標(biāo)段組卷數(shù)據(jù)；集成智能制造系統(tǒng)，直觀掌握生產(chǎn)進(jìn)度和關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

推行項(xiàng)目電子文件歸檔與電子檔案管理

深中通道工程是國(guó)家檔案局電子檔案“單套制”管理五個(gè)試點(diǎn)工程之一，也是公路交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域唯一的一個(gè)試點(diǎn)工程。深中通道工程引入CA認(rèn)證技術(shù)，完成各大業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)改造，并建立以電子文件歸檔和電子檔案管理規(guī)范化、科學(xué)化為核心，覆蓋“形成、流轉(zhuǎn)、歸檔、利用”等全流程的電子文件管理制度體系；攻克了在建工程電子文件管理及其系統(tǒng)開發(fā)中涉及的元數(shù)據(jù)、電子簽名、電子公章、封裝和備份等關(guān)鍵技術(shù)，解決了在建工程電子文件憑證效力問題的管理機(jī)制和管理模式；首次實(shí)現(xiàn)了工程業(yè)務(wù)過程管理與檔案管理的融合，徹底解決了以往工程信息化管理“兩張皮”的問題根源，國(guó)內(nèi)在工程建造領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理無紙化。

BIM及數(shù)字化技術(shù)在深中通道工程中的應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)公路建設(shè)走向“工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化”，推動(dòng)了基于BIM的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)和施工期全方位BIM技術(shù)應(yīng)用，為項(xiàng)目數(shù)字化模型建養(yǎng)一體化傳遞、共享和利用打下了基礎(chǔ)，提升了工程質(zhì)量和交付品質(zhì)。深中通道工程以BIM和數(shù)字化技術(shù)為核心，改變了工程參建各方的交互方式和工作管理模式，持續(xù)改進(jìn)了工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全、環(huán)保、成本等方面的管控，推進(jìn)了工程從經(jīng)驗(yàn)管理走向數(shù)據(jù)管理。目前，深中通道工程數(shù)字建造的研發(fā)與應(yīng)用成果，已逐步在粵港澳大灣區(qū)乃至全國(guó)范圍的公路交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中推廣與應(yīng)用。