基坑工程数据集成平台在轨道交通崇明线工程中的应用

王建国，李祥坤，朱春晖

(上海隧道工程有限公司,上海 200082)

0 引言

在建筑业应用日趋广泛的BIM技术,用来提高工程建设的管理水平是非常合适的解决方案[1]。上海轨道交通建设领域已涌现出大量基于BIM技术的管理软件和平台,如城市轨道交通工程智慧工地管理平台[2]基于BIM的智慧工地系统的开发与应用[3],实现“人机料法环”五大要素的精细化管理,达到提质增效的目标。深基坑管控平台和施工规程控制系统[4-6]等系统在工程项目上进行了大量的实践应用,规范了工程施工行为,提升了工程施工和风险管理的效率,实现了工程施工智能管理。相关平台和系统应用效果良好,并得到业内的一致认可。

目前,工程建设领域存在来自多方面的数字化监管平台和系统,大多数平台和系统有一定专属性,具有自上而下的管控型特点[7]。各监管平台和系统之间存在相对孤立、数据格式不统一及监管信息重叠部分较多等问题。加重了施工一线人员的信息填报工作量,造成了工程建设成本的增加[8]。本文结合工程数字化建设的现状和需求,上海轨道交通崇明线越江段项目在基坑施工阶段融合了现有各方面监管的数字平台和系统,构建了基于BIM的以工程项目为中心的工程级数据集成平台,实现了各方监管平台对工程项目的反馈服务,为工程现场管理层提供准确、全面的工程数据支撑,可为今后类似工程提供先行示范经验。

1 基坑工程数据集成平台简介

基坑工程数据集成平台依托上海市轨道交通崇明线越江段基坑工程开发,项目部根据工程建设实际情况,主要融合了城市轨道交通工程智慧工地、深基坑工程管控平台[9]、施工规程控制系统、公司OA系统等系统。在梳理和分析了现有相关系统或平台的数据库清单构成后,结合项目现场施工管理的需要,确定了轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台的数据库清单。基坑工程数据集成平台数据库清单的数据来源见表1。

表1 基坑工程数据集成平台数据来源

轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台可实时动态展示各工序工艺施工方案审批状态、“人-机-料”管理和全过程信息记录、工程施工进展实时动态展示和历史数据查询等功能;实现了各方监管平台和系统对工程项目的反馈服务,提升了工程建设项目数字化管理水平;完成了工程数据集成的初步整合和分析应用,增强了工程项目建设现场管理能力。图1为轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台展示主界面。

2 BIM模型的构建

2.1 三维“地质-结构”模型

基坑主体BIM模型包含基坑围护、支撑、土方划分、工程测点、内部结构,以及降水井、工程桩等内容[10]。为有效展示基坑周边现场环境,基于实际施工情况,对于围护施工阶段和基坑开挖阶段分别建立施工场布模型。实现三维地质土层模型、基坑主体与周边环境(场布模型)统一展示[11]。由于BIM模型构件较为复杂,对模型可见树进行了分类优化,实现模型结构树控制显示及隐藏功能。图2为轨道交通崇明越江段基坑工程主体结构BIM模型。

2.2 BIM模型信息关联

为了实现基坑工程主体结构BIM模型的多参数融合报警机制,项目将基坑构件与施工信息进行匹配,并在模型上或者通过系统算法进行关联设置[12]。在系统应用过程中,主要针对基坑主体模型进行土体开挖、支撑架设、垫层底板施工、结构施工、拆支撑等施工工况的三维模拟。其中,土体开挖和底板施工工况参与基坑风险预警计算[13]。

为了方便施工信息的输入与对应,深基坑管控平台内专门增加结构施工、土体开挖及支撑拆除等工况的输入以及显示功能,并为轨道交通崇明线基坑工程数据集成系统提供指定日期的工况数据接口。基坑施工工况可按时间进行回溯查看,实现三维可视化显示,方便一线工程管理人员的历史施工信息提取。图3为轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台回溯查询界面。

3 数据平台的功能展示与整合应用

上海轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台主要融合了城市轨道交通工程智慧工地、深基坑工程管控平台、施工规程控制系统、公司OA系统等系统。项目现场管理人员可通过平台三维可视化模型了解工程当前进展情况和风险状态;通过调用各相关专业平台和系统可按时间回溯各工序工艺全过程施工详情;基坑土方开挖效率评估分析是基于深基坑管控平台与本工程数据集成平台的一项数据整合应用尝试,工程应用效果良好。

3.1 构件信息调用与展示

施工规程控制系统和深基坑管控平台提供围护、工程桩、支撑、降水井、结构等工序过程管理和施工信息的数据接口,用于轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台调用显示。在基坑工程数据集成平台上,点击基坑主体模型上降水井、支撑、结构及围护、工程桩等构件,即可弹窗显示该构件的工程及施工相关信息。图4为围护构件详细施工信息界面。

3.2 工程监测数据可视化展示

深基坑工程管控平台提供了监测项数据和分析曲线的相关数据接口,用于轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台调用显示,实现监测数据和相关分析曲线的展示。图5为基坑工程监测数据总体评价界面。

3.3 工程风险分级预警及详情展示

深基坑工程管控平台提供的风险预警数据接口,用于轨道交通崇明线基坑工程数据集成平台调用显示,从而实现利用BIM与数据融合技术的风险预警功能。图6为基坑工程预警信息列表界面。

3.4 基坑土方开挖效率评估与展示[14]

通过对深基坑管控平台数据库中现有上海轨道交通基坑土方开挖施工信息进行统计分析,计算基坑土方开挖效率,形成了一套主体基坑土方开挖效率评估方法[15]。系统将当前基坑土方开挖情况与深基坑管控平台数据库历史数据进行比较,评估当前基坑土方开挖效率,并通过数据集成平台进行实时动态的三维展示[16],帮助工程现场管理人员决策施工。该方法在本工程基坑土方开挖施工中得到首次应用,并取得了良好的效果。图7显示了基坑第5层土开挖阶段时基坑工程土方开挖工况详情界面。

4 基坑工程数据集成平台在项目实际中的应用

数据集成平台的建设依托于崇明线108标1号大小盾构转换段基坑工程全过程施工。在本次集成平台草创过程中,主要着眼于转换段基坑地下连续墙施工、桩基及地基加固施工、降水井施工、土方开挖施工及结构回筑施工等工序的工艺细节和进度情况,兼顾人、机、料进出场情况、监测传感器数据及现场监控等物联信息,同时基于基坑实时BIM模型开发了质量、安全及文明施工线上检查等其他功能。

4.1 全过程工序工艺管理

在基坑转换段各工序施工过程中,数据集成平台所链接的施工规程控制系统提供了工序全流程工艺管理可供现场施工管理人员填报[17],以转换段基坑地下连续墙施工为例。

施工现场管理人员在工序开始前将按照不同岗位,分别确定工序填写项目。图8显示了施工规程控制系统地下连续墙工艺全工序数据采集界面。

以转换段基坑工程为例,选定施工员两人填写“混凝土浇筑控制”和“锁扣管(反力箱)起拔”模块,填写内容为工序起止时间,混凝土浇筑方量、批次及坍落度等现场施工类信息。图9,图10显示了地下连续墙工艺中“混凝土浇筑控制”和“锁扣管(反力箱)起拔”工序填报详细界面。其余工序模块中涉及工序质量、安全控制及材料、设备管理的信息的填写亦如上。

施工规程控制系统内填报的信息在数据集成平台开发之前,全部上传到分公司数据管理平台上,施工一线接收到平台的反馈是通过传统管理链路实现的,这就导致一线管理人员对于现场施工工序质量控制管理行为的改善是滞后的,需要先将数据上传,然后再等待上级职能部门的逐级反馈,该过程不但烦琐,而且缺乏必要性。数据集成平台则是独立于原有平台管理路径,将现场数据的初步统计结果直接向一线管理人员展示。平台在二级界面直接展示质量控制信息,例如“地下连续墙混凝土浇筑充盈系数曲线”模块,通过简单的曲线图,可以向一线管理人员直观显示本阶段混凝土浇筑质量情况,警示现场管理是否需要加强工艺控制力度或是优化工艺流程。图11显示了数据集成平台的“混凝土浇筑充盈系数曲线”模块。

4.2 全过程可视化数据回溯展示

在转换段基坑施工过程中,平台的“全过程可视化数据回溯展示”功能主要服务于施工现场进度管控和质量安全现场巡查。该功能依托于转换段本体及场布模型实现[18]。

在以往的项目建设过程中,场布模型往往只是单纯作为美观展示使用,这无疑是对三维模型资源的错配[19]。因此,本平台使用了“图钉”功能,并将之与场布及本体三维模型结合。在实际使用中,通过现场巡视人员可以对现场安全及文明施工问题“拍照定钉”,这种模式的好处是可以充分利用场布模型精准还原施工现场的特点,将施工现场在何处发现问题直接体现在模型中,以此找到现场安全管理的重点和漏洞,并可以按照当前现场安全及文明施工管理现状积极调整管理措施,盘活现场安全管理态势。

针对每道工序的质量验收,通过质量问题“拍照定钉”及模型查询回溯功能的结合使用,特别是可在模型上批量展示同道工序、不同部位的质量状况。

在转换段侧墙施工过程中,现场管理人员通过平台回溯,发现已多次对结构不同位置侧墙的表观质量问题“定钉”,以此为依据,主动调整质量控制要点,对作业班组进行二次技术交底,在之后的侧墙施工中明显改善了墙体混凝土浇筑的表观质量。图12显示了“拍照定钉”功能的操作页面。

4.3 全过程风险预警功能实现

施工过程中的风险控制对工程的顺利完工非常重要[20],以1号大小盾构转换段土方开挖工序施工全过程为例,介绍平台全过程风险预警功能的实现路径。

以往的项目风险管控中,仅仅通过现场监测报表与单一BIM模型结合分析,模型一经建成,不可更改,这种形式的风险预警与现场实际不符,参考价值不高。而通过平台中的模型“土体分块”功能,则直接在模型中还原了每一天的土方开挖状态。

通过转换段本体、地质及土体分块三种BIM模型的结合,在转换段基坑土方开挖施工中,做到了施工现场土方开挖进度在BIM模型上以半天为单位准确展现,项目使用“深基坑工程管控平台”填报,人工点选土方分块。图13显示了“点选土方分块”功能的操作页面。

同时,在监测单位出具监测报表后,以人工填报形式,输入“深基坑工程管控平台”,并与此时的BIM土体模型结合分析,生成风险预警,如图6所示。

5 结论

基坑工程数据集成平台融合了上海轨道交通建设领域现有相关数字化监管平台和系统,依托崇明线108标1号大小盾构转换段全过程施工,实现了以工程项目为中心的工程级数据集成平台在轨道交通崇明线基坑工程中的应用。工程应用效果良好,初步达到了各方监管平台对工程项目本身的反馈服务,进一步提升了工程项目建造效率和管理水平,可为今后工程项目建设数字化管理提供先行示范经验。工程应用结论如下:

1)本平台通过对公司已有平台数据的截取及组合展示,在不增加一线填报人员工作量的基础上,为项目部层级提供了可视化的详细施工工艺记录,为一线管理人员自主调整总结施工工艺技术的不足提供了可能,给予了施工现场技术管理更多的灵活性。

2)通过“图钉”功能、施工现场监测记录自动上传以及平台再整合,实现了基于BIM的基坑工程施工全过程动态可视化展示和数据查询回溯的功能,解决了现场管理行为滞后的痛点,提高了现场安全、质量及文明施工管理能效。

3)通过对转换段土体模型优化及再分割,基本实现基坑“线上线下同步开挖”,为基坑开挖全过程风险预警的实现,提供了现实基础。