BIM+3DGIS技术在高速公路PPP项目建设管理中的应用——以云南省红河州建水(个旧)至元阳高速公路项目为例

发表时间:2021-07-29 16:05

依托于云南省红河州建水(个旧)至元阳高速公路PPP+EPC项目,拟通过自主研发和运用基于BIM+3DGIS技术的项目管理信息系统,精细化构建结构模型,深入开展专项应用,以期介入项目前期规划和管理,提高勘察设计工作深度和效率,构建工程“质量、安全、进度、成本、科技创新、环保、投资控制”七位一体线上管理体系,达到项目建设全过程集成化管控的应用效果和目标,全力打造信息化高速公路。





引言:在我国提出智慧交通、交通强国等战略部署的新形势下,工程建设行业已迈入以科技创新和信息化技术为动能的高质量发展阶段。在公路工程建设领域,BIM+GIS技术作为一项极具创新性的信息化技术,能够充分发挥BIM和GIS技术的双重优势,逐步得到了领域内各龙头企业的研发和应用,但当前技术还未能在工程项目前期阶段发挥地质勘察和土地定界等作用,且模型与项目管理集成化程度较低;此外,项目管理过程难以全面追溯,缺乏对大数据收集、统计和分析功能,仍未实现信息化到智慧化的转变。云南省红河州建水(个旧)至元阳高速公路PPP+EPC项目基于BIM+3DGIS技术,自主研发完成建设管理信息系统,并与项目建设同步开展应用,为设计动态整合和建设要素集成化管理创造了良好条件。



一、项目BIM+GIS技术管理系统研发应用总体路线

1 BIM+GIS技术应用现状
由于BIM技术主要应用于单个建筑物建模,无法实现结构群可视化集成和场景化展示。因此,国内基础设施建设行业广泛利用GIS宏观尺度上的功能,将BIM技术应用范围扩展到公路、铁路、隧道、水电等领域,提高了线性工程管理能力。
当前BIM+GIS技术在推行过程中,多数仅针对某一项具体管理业务或局部段落进行开发应用。这是由于信息化集成建设需增加较大成本投入,很大程度上未能得到企业的高度重视,特别是业主单位的应用支持[3],因此管理应用相对单一,集成度低,易形成“孤岛效应”;另外,当前信息化专业型人才紧缺,深化应用水平更是参差不齐,仍在多方面难满足行业现阶段的信息化发展需求。
2 PPP项目BIM+3DGIS技术运用优势
高速公路PPP项目从前期就需要进行统筹性规划和系统性决策,过程中注重工程安全、质量、进度、成本、环保、科技创新、投资管控的“七位一体”精益化管理,并强调项目运营期管理效益。依托于高速公路PPP项目,BIM+GIS技术能够促进物理空间和虚拟空间的高度融合,并以数字化为关键要素驱动,将是行业信息化向智慧化发展过渡的良好载体。此外,从2018年开始,公路建设行业在《项目概算预算编制办法》(JTG3830-2018)中已明确将信息化建设费用单独列支,相关概算费用增加,再次加大信息化建设力度。多项举措相结合,引领助推智慧交通建设。
3 系统研发应用总体路线
相较于传统的粗放式管理模式,项目结合现场实际建设条件,运用BIM+3DGIS技术在超大空间场景下的独特优势,以期在投资建设管理各个时期都能有效发挥作用。项目分阶段合理制定信息化管理方案,通过基础数据测量等方式,基于三维协同设计平台和模拟检查,实现BIM多专业建模出图总体一体化设计,深化模块开发,并通过管理系统平台进行集成和应用。系统研发总体技术路线如图3所示。
图1   系统研发总体技术路线

二、依托工程概况

建水(个旧)至元阳高速公路项目(简称“建(个)元项目”)位于云南南部山区,是连接红河州建水县、个旧市、元阳县的重要交通纽带,全长124.53公里,属大型线性工程项目,建设工期3年,计划2021年12月底建成通车。项目以“PPP+EPC模式”进行投资建设,并成立项目公司,全面负责项目前期规划、设计、施工和运营等各阶段的管理。山区复杂的建设条件使得项目管理存在较多重难点:
一是前期线路勘察设计工作不易开展。项目线路长,结构物数量多,规划布设工作量大且工点分散,多数位于无路无人区,给项目线路设计和现场勘探等工作带来巨大难度。
二是土石方开挖量大,挖填方极不平衡。全线地形高差超过2000m,土石方开挖导致弃方量高达约2600万方。施工过程中合理调配土石方,减少弃方对土地的征用是本项目的管理重点之一。
三是施工组织难度大,施工场地布置难。项目主线设置桥梁100座,隧道29座,桥隧比高达72.01%。结构物大都位于高山深谷之间,场地布置狭窄;桥梁包括主跨长700m的悬索桥,连续钢构桥和高度超过120m的高墩顶推施工钢混组合梁桥;隧道存在高地温(近90℃)、软岩大变形、岩溶、突泥涌水、浅埋(埋深最低6m)、偏压等不良地质,且含2座9000m左右长度隧道,1座长度超过4000m的螺旋展线型隧道,技术难度大,工期时间紧,安全风险性高。
四是项目参与方众多,协调难度大。项目参建单位共计30家,管理水平要求高;沿线途经3个县市,9个乡镇,29个村委;存在多处饮用水源一级保护区、军事区、温泉区、矿区及风景区等敏感环境。征地拆迁等工作协调是项目的一大难题,且技术、质量、安全等各大管理板块难以统一进行标准化管理。


图2   建(个)元项目线路走向图

三、项目BIM+GIS技术研发和应用情况

(1)高精度还原三维地质,强化线路设计整体把控
从项目设计阶段开始,通过无人机航摄、移动测量、全球卫星定位等手段进行数据采集,掌握项目实地空间地理信息,了解周边存在的重要管线、矿产资源等分布情况,为项目前期可行性研究、投资决策分析和施工期征地拆迁等工作提供信息依据;此外,结合交通主管部门基础数据标准,构建真实的GIS三维场景,同步完成三维地质模型,反映路线与不良地质区域的相互关系,辅助对项目选线工作进行布设模拟和调整。


图3   基于GIS技术的项目地理信息模型

(2)开展正向设计,精细化构建结构模型
在项目施工阶段前期,再次根据GIS技术高精度进行三维可视化、模型空间分析、辅助开挖工程量计算等,为施工阶段处理挖填方平衡和土石方调配等问题提供一定的地质依据。同步建立路基、桥梁、隧道、立交等结构物的BIM精细化模型,融入场景当中,一是开发首个公路工程参数化标准族库,为公路工程BIM设计和后续阶段数据应用提供重要的资源基础,实现了对公路工程参数化标准族库的规范化管理;二是实现快速可视化模拟,提高设计出图效率,通过参数化形式为方案决策提供快速准确的数据支持;三是针对高山深谷区等位置,通过正向设计,对设计不合理的结构物进行方案比选和优化;四是采取空间漫游等方式进行快速浏览和查询定位,对设计成果进行全面核查,还能具备线上可视化技术交底的作用;五是进一步结合工程划分原则,对模型赋予坐标、尺寸、材料构成、材料数量等属性,并通过软件自动提取,进行精确的工程量统计。同时,当BIM模型调整时,工程量也将自动更新。

图4   BIM精细化模型

(3)集成化管理各大板块,关联结构模型数据
将BIM+GIS技术应用于施工阶段项目管理,是本项目开发应用和着重推广的一项重要信息化工作,以实现工程量数据、监控监测信息、项目管理信息等数据的整合、交换和共享。主要基于前期建模工作,集成项目基础地理信息、空间分析信息和结构模型信息属性等,开发满足工程建设需求的信息化管理系统,并作为实现项目规划建设期管理可追溯以及技术应用可传递的主要平台;开发技术、质量、安全、进度、合同、计量支付、征地拆迁等16个管理模块,全面管控各项重难点,通过信息化手段,有效构建项目线上集成化管理体系,并关联到BIM模型结构的具体构件,工程属性与项目管理信息的线上申报、审核和可视化查询,并自动定位到该文件对应的工程构件,最终自动形成计量支付、质量、试验、安全等电子竣工档案。

图5   基于BIM+GIS的项目建设管理信息系统

(4)深化专项应用和技术推广,助力智慧交通建设
通过BIM技术的专项性开发和应用,加强对项目投资、施工安全风险控制等,增加工程结构耐久性,服务项目高质量运营管理,创新性向智慧化领域延伸是深化专项应用的重要目标。山区高速公路项目对施工技术安全有更严格的标准,且对建设过程管理要求高。
1)深化构建施工安全预警机制。一是开发隧道监测及预警系统,实时收集隧道开挖后的监控量测数据,掌握隧道施工全过程变形情况。通过设定累计变形量以及变形速率的阈值,及时预警隧道变形量超标的部位,将具体情况和合理化处理建议立即通过短信形式反馈,便于相关责任单位快速决策,解除安全隐患;二是开发隧道超前地质预报预警系统,将二维业务系统和三维模型信息平台进行融合,通过录入地质雷达数据等超前地质预报成果,并与隧道地质模型数字化信息进行对比,配合采取后方专家会诊等方式,细化对水文分布、高温、有毒有害气体等问题进行发展趋势分析,第一时间反馈前方不良地质问题和风险,为现场风险预防提供技术支撑。另外,地质预报信息还能反向对模型进行更新,实现三维可视化模型与数据展示、查询、统计、分析、反馈、修正的全流程预警服务。
2)重点研发全寿命期智能控制和监测技术。针对路基工程,开发路基填筑智能碾压系统,路基填筑施工过程中,通过在压路机振动轮上装载传感器,对填筑层压实能量、监测沉降差和碾压轨迹等进行动态监测,量化指标控制压实质量。开发高边坡稳定性监测预警系统。高边坡施工和运营作为路基工程一大高风险项目,采用先进的无线传输监测手段,运用传感器、数据通讯系统、数据采集和传输系统建立高边坡稳定性综合自动化监测系统,对边坡位移、下滑力、地下水位等,设置指标阈值进行实时监测,并融入BIM+GIS技术的大场景系统中,建立边坡智能化自动预警平台,一旦边坡相关指标数据超出阈值范围,系统将自动发送报警信息;针对桥梁工程,开发桥梁健康监测系统,采用风速测试仪、温度传感器等对悬索桥主缆、吊索和连续梁高墩的温度、湿度和风载等作用下的变形性能和力学性能指标数据进行连续采样,实现施工控制与运营期监测一体化。系统自动基于实测数据对桥梁耐久性进行评判,并将具体评判结论上传至后台进行复核,当存在不健康因素时,将故障信息第一时间上传至系统平台,并激活预警信息,此外,系统还具有实时自诊断功能,能够识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常等;针对隧道工程,运用基于BIM技术的隧道智能通风控制系统,通过挂接施工期预埋的温度监测、气体检测等设备,设置洞内温度、有毒有害气体浓度等控制指标,以此控制通风机风速和供风量,该系统也能用于后期运营,进一步结合洞外风向和洞内外风压差,实现变频变向通风,提升风机工作效率,同时达到全寿命期节能降耗的目的。
3)有效运用工程建设智慧化管理手段。从费用成本方面进行信息化技术深化应用,一方面针对主要资源配置及费用情况,开发农民工管理系统、物资管理系统等,强化作业人员管理,统计人员流动,对钢筋、水泥、砂石料等主材进行全过程跟踪管控,过程统计主要费用支出情况,总体实现人工费、材料费等重要子项的支出把控,进一步控制工程建设成本,优化项目费用管理;另一方面,征地拆迁费用在项目建设费用中占比逐年增大,特别是东部发达城市,征地拆迁工作难度大,费用高。开发征地拆迁信息管理系统,在项目规划期开始,利用数据库技术,集成项目涉及县市区域的地理信息、实物指标数据(如敏感性区域分布情况、矿产压覆情况等),融入到BIM+GIS三维空间场景,实现线上统一管理,便于掌控和加快征地拆迁、补偿兑付等工作进度,整体具备信息数据查询、统计、汇总、生成各类报表、打印与输出等功能,在项目建设过程中还能对地理信息变化情况进行同步更新,充分掌握和明确后阶段项目区域范围的路产路权及归属单位,最终通过系统完成数据移交工作,还能为企业在该区域内的后续工程项目投资建设提供分析决策依据。此外,深化应用系统进一步实现项目整体大数据分析和共享,收集作业人员籍贯、材料供应点分布和费用流向等,掌握项目建设对促进当地人员就业、地方产业产值增长、土地开发等效益情况,尝试建立项目线上智慧化管理机制,也是管理过程的一大创新。

图6   基于BIM+GIS的项目物资管理系统

目前,项目基于BIM+GIS技术的信息管理系统功能开发,基本满足交通运输行业BIM技术应用实施方案的要求,且能够进行移动端轻量化操作。三维地质模型和精细化建模有力指导项目设计和施工,各项模块全部上线并与工程建设同步使用,为项目节约了较大的管理成本;系统多次对项目进行智能监测和控制,提供风险预警,大大提高施工安全。并为项目带来了良好的社会效益和技术经济效益。
项目正在进一步优化信息化系统管理体验,完善版本升级,继续基于BIM+3DGIS技术进行专项深化系统研发和应用,逐步将信息化管理从项目施工期到运营期转变,进一步开发与高速公路三大系统(交通监控系统、收费系统和通信系统)的接口,结合BIM系统关联的天气、路况和管养等信息,以多种形式为行车车主进行实时、准确的交通诱导,精准采集和掌握项目各区间车辆行车车速、数量和定位等信息(车位探测、视频监控等),当遇紧急情况还能自动反馈至管理中心,便于第一时间联络现场,提高应急处理能力。此外,与收费系统挂接后,还能实时统计和掌握车辆通行以及使用者付费大数据,并进行智能分析,便于项目公司掌握项目运营效益,有利于开展后续工作,保证系统应用推广价值。

四、结论

基于BIM+3DGIS技术,通过真实还原项目场景,开展精细化建模,建立高速公路PPP项目管理信息系统,有效介入了项目前期工作,提高了决策效率;在现有成果基础上,强化了项目管理集成化应用程度,将信息化管理延伸至项目全寿命周期,取得了显著效益,并实现了项目整体可追溯和应用可持续的目标;建立了首个公路工程模型族库和成套编码技术标准,为高速公路信息化管理和智慧交通建设提供有益借鉴。

建议在BIM+3DGIS技术的基础上,进一步强化与新一代数字化技术、5G、北斗等前沿科技的融合探索,辅以人工智能、云计算、大数据统计分析等方式,逐步完善智慧设计、智慧建造和智慧运营的全寿命周期智慧化管理体系,继续探索智慧交通建设发展新模式,并加大系统深度研发和专业化人才培养力度,助力智慧交通建设和行业发展。


转载自: 施工企业管理杂志社

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