利用BIM解决山地地基与横跨冲沟的施工问题
2021-05-31
(中国建筑第八工程局有限公司，天津 300450)
1 工程概况
1.1 项目简介
兴隆西站站前广场项目位于河北省承德市，占地面积约3.3万m2，道路4.2km，合同额4.2亿元，东西侧紧临高坡，高坡之间存在冲沟，建筑西侧横跨冲沟。施工范围涵盖公交车场、旅游大巴车场、地下交通枢纽、广场商业、景观、绿化、附属用房、消防专用道和高铁路等。
1.2 工程特点与难点
地形地质复杂，整个建筑坐落于山间，场地原貌高差58m，山地地形复杂，土方计算难度大； 冲沟内地质条件差，结构横跨冲沟，沟内有河流，常年有水顺流而下，流水在交汇处滞留，此区域常年处于浸泡状态，整个冲沟表层有4～9m厚淤泥沉积，冲沟内地质条件差。站前广场工期影响高铁通车时间，解决长期处于冲沟内的地基问题处于关键线路； 结构构造复杂，建筑呈三级阶梯，一、二级阶梯过度段结构设置难度大。站房下是10m的高填方区，实际高填方坡底工作面极小，即便坡度垂直，也仅有300mm的工作面。高填方作业面小，支护难度大。
图1 兴隆西站站前广场效果图
2 地形BIM应用
地形BIM应用流程，针对重难点与特点，制定BIM应用流程：
2.1 土方平衡应用
2.1.1 地形信息获取
原始地貌地势复杂，起伏较大，地形测量繁重，且边坡测量较为危险，利用无人机取代人工测量，并与BIM模型相结合的方式完成土方平衡计算。
2.1.2 点云信息获取
将无人机倾斜摄影技术及Photoscan图像处理技术相结合，利用图像真实还原地形原貌，生成精确BIM地形模型文件，并提取带有坐标信息的点云数据。
2.1.3 数据整合
将点云数据转化成带有坐标信息的线性文件，生成原始地貌BIM模型与场平文件相叠合(如图2)，实现无人机扫描数据与BIM模型连接。
图2 原始地貌模型与场平文件叠合
2.1.4 土方流向分析
利用BIM技术完成各区域土方平衡计算，根据各个区域填挖情况，制作土方流向图，最大程度减少土方外运，实现就近填方，减少土方工程成本。
2.2 BIM辅助解决冲沟问题
(1)分析雨季流水：利用BIM技术完成各区域土方平衡计算，根据各个区域填挖情况，制作土方流向图，最大程度减少土方外运，实现就近填方，减少土方工程成本。根据infraworks的分析结果，在项目周围设置排水沟，排水沟尺寸500mm*500mm才能满足需求(如图3)。
(2)上游水引流分析：由于现场的积水区域一直有上游的活水流入，因此利用infraworks对上游水的流速、流量进行分析和监控，对可能发生的洪水、山体滑坡、泥石流等灾害及时预警(如图4)。
(3)积水区域水流疏导：积水通过引流管引至换填区下游，利用infraworks进行积水区域进水和出水量计算，根据计算结果设置引流管数量和管径，保证换填作业不被流水影响，为基槽开挖创造条件。
图3 雨季流水分析
图4 上游水引流分析
图5 积水区域水流疏导
(4)冲沟内地形模拟：选择沟内代表性较强的点，挖至基岩面测得高程，通过BIM模拟基岩持力层走向，为设计提供准确参考依据。
(5)冲沟内基础所在位置模拟：根据勘探报告绘制曲面土层地势，提前预测独立基础所处的不同土层情况，做到提前策划并交底，节省现场施工时间。
图6 基础位置模拟
(6)冲沟内错台施工：利用BIM模拟弧形冲沟内抗滑移错台形式，避免标高控制错误。
(7)沟内错台处独基模拟：利用BIM技术模拟冲沟内错台处独基，提前策划，指导现场施工。
(8)沟内桩长测定：根据勘探报告，利用BIM技术模拟持力层走势，并确定桩编号和相应桩长。解决了图纸仅给出桩入持力层深度要求，未给出明确的桩长的难题。
2.3 BIM辅助高填方支护
站房下是10m的高填方区，作业面极小、即便坡度垂直也仅有300mm的工作面，支护难度大，利用BIM模拟高填方支护过程，分析现场存在的问题。
图7 高填方支护
2.4 BIM辅助道路分析
(1)道路挖填分析：利用Civil 3D 对拟规划施工道路左右各10m范围内进行剖断面分析，就近挖填方，快速保障道路先行。
(2)道路疏通：结合山地作业特点，形成以疏通现场施工道路为核心，对临水、临电、场地平整、加工区布置等一系列部署，进行BIM模拟。辅助现场“三通一平”顺利实施。
3 BIM综合应用
3.1 景观设计
山地绿化苗木的选择对绿化效果具有重要影响，景观建造初期，对广场景观及苗木进行设计，精准掌握苗木排布及用量。通过三维模型呈现拟真的彩现能力，使参与者对设计者所欲表达的设计思维做清楚的传递，增加沟通效率。
图8 景观绿化渲染图
建造结束后，对景观和绿化进行布置和虚拟体验，达到业主满意的精品工程。
图9 景观绿化渲染图
3.2 平台应用
(1)BIM协同工作：项目利用中建八局BIM协同平台解决深化设计交互工作，提升工作效率。一是，协同管理对项目人员进行权限设置，实现团队内部协同工作。二是，移动化办公对现场进行施工交底，解决现场BIM模型工作问题。
(2)质量安全管理：对现场质量、安全问题进行检查、整改、复查，实现管理闭环，留存过程影像信息，自动整理检查记录。
(3)进度管理：将模型与施工进度计划实现动态关联，辅助现场管理人员进行进度控制，精确把握工程进展情况。
(4)物料成本管理：实现物资现场管理全过程、全业务管理，移动端收料、PC端自动统计，逐步实现部位核算，最终达到物资的精益管理。A二维码材料报审：对进场材料进行跟踪记录。材料进场实行二维码材料报审，通过BIM管理平台导出材料设备二维码黏贴在进场申请表中，可以详细查看进场材料设备信息、资料，用以控制进场材料情况。B模型挂接：利用C8BIM二维码功能，将模型与现场构件进行关联，随时查看现场构件材料用量。C材料统计：对现场材料进行统计，辅助合约管理。
3.3 拟真场地规划
结合BIM可视化、信息化的优势，形成针对场地布置的标准化应用，完成施工场地初期规划及施工过程中机械、设备、材料、CI等布置。结合本项目，将BIM在场地布置方面的优势应用到场地管理中，直接基于第三人视角在虚拟环境中对场地进行部署，利用标准化构件族库对施工不同阶段场地部署进行模拟，快速、直观预控场地布置的合理性，以达到实际施工进度与资源的动态整合，节约现场用地，减少材料周转的目标，并推进标准化构件在各项目间的重复利用，倡导绿色施工，在此基础上扩充BIM场地部署族库。
针对本项目呈现的三级阶梯形式，对私家车、出租车及公交车线路、客运乘车流线进行模拟，验证线路可行性。
图10 景观绿化渲染图
3.4 机电深化
管线空间优化：根据管线综合情况，联合各专业进行图纸会审，最大程度优化净高。
管线碰撞优化：保证管线合理排布。
精细化出图：基于BIM模型导出单专业平面图、机房三维图、复杂部位节点图、支吊架剖面图、墙体留洞图、管井深化图等，全面保证施工质量。
图11 管道安装模拟
BIM+AR交底：针对现场复杂管线安装部位，实现AR交底，快速直观了解管线安装顺序及空间排布，加速交底时间。(如图11)A水泵模拟安装，利用AR技术对水泵安装步骤进行模拟，实现现场交底。B管道运行模拟，利用AR技术对管道运行进行模拟，快速检查管道不合理位置。
3.5 砌筑现场管理
项目利用BIM可视化，将办公室、卫生间、楼梯传统二维排砖向三维BIM排砖进行转变，对排砖效果进行展示，可以明显降低砌筑过程中的材料损耗率(数据显示，现场砌筑过程中一般存在3%～5%的损耗)，并进行物资提取，对地砖的日需求量进行精准把控，实现切割量少、砖尺寸种类少，从而达到每日地砖零存储。
4 智慧工地应用
4.1 应用流程
将BIM的虚拟建造指标数据和智慧工地的现场真实情况数据进行对比分析，为项目进展状况形成画像、智能管理，并为后续工作调整提供决策依据，实现智慧建造。
图13 智慧工地平台
4.2 可视化看板
直观呈现项目人员、进度、质量、安全等关键指标，对问题指标进行红色预警，项目情况一目了然。通过智慧工地平台使实体建筑信息与BIM模型形成挂接，将BIM应用的关键成果集中呈现。
4.3 数字化工地
(1)全景可视化指挥系统，利用AR立体指挥平台，增强实时感知数据与信息数据的结合，突破指挥中心传统指挥模式。
(2)厂区智能广播，通过使用厂区智能广播系统，与智能监控报警系统联动，实现自动报警播报； 同时可直接使用手机无线喊话； 定时广播、无需人员值守，自动播放。
(3)塔吊检测，通过传感器实时监控塔吊运行，记录超载次数、使用频率等，对塔吊工作效率进行分析，避免安全隐患事故的发生。集成多种塔吊检测设备，实现塔吊运行状态的多方位监控，问题实时预警提醒，保证作业安全及使用规范。
图14 塔吊检测
4.4 绿色施工
扬尘噪声监测，通过多种传感集成设备，实时采集气象数据，监测项目施工现场环境，对采集到的环境数据进行实时监测分析，将收集数据录入智慧工地平台，进行实时监测。
图15 扬尘监测
降尘喷淋，根据现场的扬尘监测情况，当PM值超过设定的标准值时，自动发生报警，项目管理人员可通过手机，直接开启降尘喷淋系统，提高施工环境质量。
4.5 劳务管理
实时掌握现场用工情况，结合现场施工情况及时对劳务调整，通过多维度数据分析，便于有针对性纠偏。项目对建筑工人采用人脸识别系统，对人员的出入进行管理，通过信息化系统记录进退场时间、考勤数据、安全培训情况，为工人和企业提供了双向保障。
图16 扬尘监测
5 总结
项目在地基施工阶段碰到多个难题，结合现场实际、利用BIM技术攻克难关，为项目节约效益595万，积累了山地作业经验，为企业输送了一批工程总承包管理人才。通过应用BIM技术，加快了工程建造速度，为项目的按期竣工提供了有力的保障。
