基于BIM技术的大型海工项目智慧建造过程管理

摘 要

本次BIM 仿真技术应用立足于大型基础设施建设项目，首次将BIM技术结合 Bentley 平台应用于大型海工项目的智慧建造过程管理，通过对云平台搭建、复杂工程量的快速计算以及针对极端天气的灾害定损等方面的探索与应用，实现了该项目智慧建造过程中的有效管理，打造了大型复杂海工项目施工数字化、信息化、一体化的智慧管理模式。

前 言

当前我国沿海地区所面临的人口增长、资源短缺与环境恶化等问题日益严峻，用地矛盾突出、城市发展空间不足己经成为制约沿海城市经济可持续发展的瓶颈之一。因此，在当前形势下，通过海上人工岛的建造有助于充分开发利用广阔的海洋空间增加陆地面积，有效缓解用地矛盾，拓展新的经济发展空间和生存空间。在国外，通过海上人工岛建设来解决土地资源短缺的问题早有先例，对于土地资源匮乏的日本、韩国及新加坡等众多沿海国家，海上人工岛在其经济发展的道路上发挥了巨大作用。

智慧化是从数据化、信息化转变过来的，建造模式的智慧化即“智慧建造”作为一个新兴建造理念是由杨宝明博士提出，主要阐述了智慧建造的两方面含义，其一是整个建筑行业能走可持续发展道路，保证整个建造过程能高效的利用各项资源，实现低碳节能要求，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染；其二是利用先进的信息技术手段实现整个建造过程的智慧化，各方主体能协同工作，信息数据得到有效共享，真正实现共赢局面。

BIM技术推动着工程建设行业的一次重大变革。起源于美国，然后扩展到欧洲、日本及新加坡等发达国家，我国直到2003年才开始引进。利用BIM技术的参数化输入，其智能运算功能代替传统的手工计算，不仅大大降低了前期投资成本，节省了人力资源，也使工程造价的估算更精确、更具科学性、合理性。利用BIM构建的三维虚拟模型，能够给人提供直观的三维单体空间感受，更有利于对平面图的理解并为项目决策的制定提供更加直观的依据，提高了项目决策的准确度，同时也提升了工程质量。

本次BIM仿真技术应用立足于大型基础设施建设项目，将BIM技术与系统仿真方法相结合用于填海造陆项目，可充分发挥BIM和系统仿真在可视化、仿真性、协同性和一体化等方面的优势，为填海造陆项目在风险评估、三维展示、仿真模拟、施工进度优化及控制、协同工作等方面发挥重要作用。

一 项目背景

1.1   工程概述

三亚人工岛填海造陆项目位于海南省三亚市红塘湾，由海航集团投资开发，总体布局分为空港运营区、临空商贸区及临空配套服务区三部分, 投资金额超过2000亿人民币。三亚新机场填海造陆项目是经由国务院批准的国家重点项目，是立足南海辐射东南亚的门户机场，实现海上丝绸之路，以及“一带一路”深入南海的伟大战略。

图1 三亚新机场人工岛

本工程规模较大、建设条件异常复杂、综合技术难度大，且具有填海造陆项目建设标准复杂、建设条件复杂、技术复杂、施工组织复杂等特点。与陆地工程相比，填海造陆工程受环境影响较大，并且海域环境变换频繁、海况检测较困难。因此，填海造陆工程在施工过程中遇到的困难较多，施工难度较大。施工过程中多次经历台风，对灾害进行高精度、高效定损也成为了工程实施过程中的重点及难点。基于 Bentley 平台配合使用其他平台进行二次开发，为上述问题提供了良好的解决思路。

1.2  BIM应用范围

本工程以ProjectWise 为协同平台，建立项目级私有云，解决单位、专业间协同问题，实现按时间、区域多维度检索与数据处理；利用 PowerCivil 及 GEOPAK 等相关软件提取人工岛复杂结构工程量；采用实景模型及图像识别技术，解决台风灾后物料定损问题。

二 协同管理—云平台搭建

项目实施初期，为保证BIM工作的顺利展开，制定了相关标准；为BIM工作实施创造软硬件条件。由于本工程参与方众多，各参与方基于业主搭建的 ProjectWise 平台实现网络化、协同化管理，提高工作效率。

应用 Bentley 项目管理思想和模式；以 ProjectWise 为基础的信息协作平台；精准、及时且全面的信息采集系统。采用 Bentley 系列软件与其它软件共同服务于本工程，建立全过程数字化控制与管理平台。

本项目采用 MicroStation、PowerCivil、GEOPAK、gINT、ContextCapture、Navigator、LumenRT 等系列软件，搭建人工岛三维数字化平台。通过该数字化平台，实现复杂构件的参数化建库、钢圆筒构件及常规岛壁的参数化，充分发挥了BIM在可视化、仿真性、协同性和一体化等方面的优势。

图2 三维模型软件与资料协同软件

三 成本管理—复杂工程量的快速计算

在中国的承发包模式下，针对于施工单位工程量的准确、快速统计就显得尤为重要了。基于 Bentley 软件高效、准确的为工程量预算工作提供数据支撑。为复杂工程量的提取工作提供了良好的解决思路。

岛壁、回填砂施工过程中通过扫海获取海底标高，应用 GEOPAK 软件识别高程文件，建立海底实时地形模型，对地形模型进行挖填方分析，提取该时间段内填方工程量。利用该数据监测工程进度以及记录已施工工程量，为工程按时竣工提供数据支持。

图3 地形模型

在此过程中，经分析得出抛填工程量与海底实际工程量存在一定差距。因施工过程受环境影响较大，及时对施工现场范围内波浪、潮位、气象进行监测，并结合工程量对比分析结果，在MATLAB软件中模拟现场施工环境对工程量差距之间的影响，预测不同施工段内的工程量需求。同时，根据不同区域内的工程量变化，及时规划运输船在施工海域内的作业区域以及交通路线，提高了船只的调度效率，保证现场交通顺利。

图4 两个TIN模型工程量对比

图5 海底实时工程量

同时本项目还利用 Bentley GEOPAK 进行南护岸试验段基槽开挖土方量计算，在根据实际地形高程数据形成的三维地形模型基础上，建立基槽开挖BIM模型，实现基槽开挖土方量的快速提取，以辅助施工前期工程量预算。

图6 钢圆筒基槽开挖工程量

通过 Bentley PowerCivil 创建人工岛岛堤结构及标准化构件库，根据定位信息，自动化、批量化建立人工岛岛堤参数化施工模型。分层进行工程量提取，并输出材料表单,协助商务核算岛壁结构工程量。

图7 岛壁复杂结构工程量

使用 PowerCivil 创建横断面构件库，从而快速、准确提取人工岛岛堤各结构工程量，PowerCivil 为人工岛模型创建提供了完美解决方案，任意定义断面模板，生成参数化模型，进而精确计算工程量。

图8 岛堤各结构工程量

四 资产管理—针对极端天气的灾害定损

项目位于海南岛南端，施工条件恶劣，根据三亚气象局记录统计，本地台风平均每年2.5个。银河、莎莉嘉、塔拉斯、桑卡等台风对本项目造成较大损失，已完工程也会由于台风的侵袭而受到不同程度的破坏。在项目实施过程中，受到海况条件、风浪条件等自然因素影响，已完工程中损失工程量的精确、快速统计工作成为了项目组面临的重大挑战。

图9 台风影响图

本项目以出海面面积为填海工程计量依据。台风过后，海面露出部分经过海浪冲刷损失大量土石方，传统计量方式下，损失部分工程量无法准确计量。如何快速、精确计量损失工程量成为亟待解决的问题。针对这一问题，项目组积极探索解决问题的方案。经过多次实践，项目组采用实景模型及图像识别技术，解决台风灾后物料定损问题。

图10 面向灾害的物料定损系统流程图

台风来临前，使用无人机对现场进行视频及图片的采集，从素材中筛选裁剪画面较好的视频，选取清晰度较高的图片，保持场地上物体的完整性。利用计算机视觉库halcon，结合C++编写现场识别系统，提高现场计量效率。基于此方法快速、准确实现损失工程量提取，精确度提高了32.54%。

图11 图像提取与图像识别

图12 定义编程与数据输出

开发成果将运用于后期阶段极端天气影响后的工程量定损，目前整个系统还在研发当中。计量方法也只是为同类项目提供新思路新想法。

五 结论和展望

本项目是一项非常复杂的大型基础设施海工项目，BIM技术的应用呈现复杂化、网络化、协同化的特征。本项目实施过程中共完成4大类，50余项BIM创新研究及应用工作，形成大量工作成果。项目在钢圆筒数字化模型及定位、复杂工程量核算、高耸结构海上运输受力分析、台风灾害定损、施工信息管理等方面取得一定成果。

BIM技术的深化应用，将与施工智慧提升形成良好互动效应，并将带来工作模式与服务能力的提升，且BIM技术应用的迭代升级将不断促进施工改进，形成良性的循环。我们乐于本项目的开放分享，意在为各国重点项目提供可供借鉴的案例支持，促进各国经济发展，助力全人类环境、资源、人口的生态共赢。