BIM技术：5个关键应用突破，实现卓越成果

5.5.1　基于BIM+无人机平面动态管理

利用BIM+无人机技术对施工现场进行管理,每天使用无人机对施工现场进行航拍,查看现场包括物料堆场、道路布置等的平面布置情况,并使用场地布置软件对现场平面进行布置,实现大场地项目平面动态管理。

图2-2-28　三维平面布置图

　　5.5.2　基于BIM+无人机+点云技术的土石方动态平衡

本工程场区内挖填土方量高达180万m3,项目战地面积大,地形复杂,土石方倒运次数多,施工难度高。

大场地内土石方平衡,是通过对场地内的“土方平衡图”计算出场内高处需要挖出的土方量和低处需要填进的土方量,整体计划堆土、运土和用土的量。在计划开挖施工时,尽量减少堆土和运土的工作,不仅关系土方费用,而且对现场平面布置有很大的影响。结合土方、堆置场、运距三项平衡,得到性价比最高的可实施方案。土方平衡计算每个施工区域内的土方量。运距平衡是将土方运输距离控制在最佳距离内,减少长距离运输次数,从而降低运输成本。堆置场平衡为结合运距平衡及场地占用建筑物的时间和用土分配量,减少场地面积、对建筑物的影响,以达到降低成本的目的。

三项平衡工作涉及面广,如果仅按常规系统操作和控制、无法指导施工,也无法同施工及进度跟进,易造成前期多征临时用地,后期远运距运输,施工成本大大增加。

基于BIM+无人机+点云技术的土石方动态平衡主要完成以下工作。

①计算机BIM技术辅助创新应用,实现土方平衡模型在确定的开挖回填区域的控制线信息的基础上审查并优化开挖方案,最终建立完整可行的土方平衡模型,提高土方算量的精细化。

②创新性的测量技术,提高大场地的土方测量速率,缩短过程中测量时间,节省工期和成本。

③创新和改造现有的高大回填土边坡的施工工艺,提高施工质量和效率。

④通过无人机技术、点云技术、BIM技术对现有土方平衡的应用,总结高大边坡回填土的施工工艺,和大场地土方平衡的三项平衡要点控制。

⑤为地下综合管线提供设计深化限制条件,清晰控制土方开挖及地下综合管线布置。

⑥综合管线施工方案安全专项方案论证,高大边坡安全性专项方案论证。

大场地土方平衡、地下综合管线的深化为一项无人机+点云+BIM技术与一种新工艺的结合应用,代表了土石方平衡和地下综合管线深化设计与施工的最新技术,该技术与传统的施工技术相比较,对比如表2-2-5所示。

表2-2-5　本项目与传统土石方平衡的对比分析表

(续表)

通过上表可以看出,相对于传统土方平衡技术来说,本项目独特的BIM技术优化、深化设计及配套的专用设计软件,保证整个系统的安全可靠,根据对可视化模型的理解,易于接受,施工难度小,缩短周期,项目综合管控成效很高。

技术难点1:BIM技术模型优化施工方案,提高土方平衡的施工测量和方量计算的精细化。

解决措施:BIM模型生成点云加密模型和图纸完成后的场地模型数据进行对比分析,针对现场实际应用进行方案优化,调整BIM模型加以实践应用,提高测量和算量的精细化。

技术难点2:土方平衡的动态管理,对航拍的频率和模型建立的频率较多。

解决措施:通过对每个阶段的土石方变化进行加密航拍,对每个阶段的对比分析方法进行优化,提高模型的利用率。

技术难点3:创新、改造现有的地下综合管线的优化限制条件。

解决措施:研究分析地下综合管线的施工工艺流程与地形之间的相对位置关系,清晰控制地下管线的布置和开挖。

技术难点4:回填土边坡的稳定性分析,对边坡加固的方案。

解决措施:生成边坡的分析模型,对施工阶段、运营阶段进行稳定性计算,对薄弱去进行优化加固,过程按照模型控制信息实时监测。

根据现场情况,跑道区场地面积约70万m2,一次飞行拍摄范围为1万m2,合理划分场地范围,采用多飞机多电池连续作业,约划分为70次起降,确定起降点后,按航飞计划进行无人机航摄。在图纸上对整个场区进行方格网排版,100 m×100 m进行布置。按照方格网去点导入RTK现场放样定点。如图2-2-29所示。

图2-2-29　方格网排版图

根据场地面积和根据项目成果的分辨率要求和航摄区域的地理情况,设计无人机航摄的航高,设定高度值50 m,软件自动生成巡航线路,确定巡航范围内无障碍开始巡航扫描,扫描采用自动巡航功能。图2-2-30为航飞路线设计图。

设定照片重叠度为80%后开始拍摄,自动拍摄方格网内17张图片。回收无人机下载坐标数据和拍摄照片,使用专业软件处理坐标数据和照片。

图2-2-30　航飞路线设计图

利用专业无人机航摄处理软件Pix4D对无人机航摄获取的影像数据、飞行记录文件进行处理,经过预处理、空三处理、点云加密、DSM/DOM生成等过程,制作高分辨率正射影像和彩色点云成果。导入civil3D深入加工点云数据生成扫描模型。图2-2-31示意航摄数据处理过程,图2-2-32为彩色点云成果。

图2-2-31　航摄数据处理过程

图2-2-32　彩色点云成果

根据施工图纸创建设计地形信息模型,依据场地平整图纸、施工计划编制土方量清单,将扫描模型与设计地形模型对比分析,计算出土方开挖墙后的土方量数据。图2-2-33为设计完成面地形,图2-2-34为航拍模型与设计模型对比计算。

图2-2-33　设计完成面地形

图2-2-34　航拍模型与设计模型对比计算

5.5.3　基于BIM的原有边坡加固改造及受力分析

原有亚运会马术场边坡因设计不当及气候影响,加筋式砌块挡土墙边坡整体开裂,对紧邻边坡村庄造成安全隐患,工程开工首先对边坡进行加固改造,平均加固高度49 m,最高加固高度79 m,为九级边坡倾斜64°。项目建立精度LOD350的BIM模型,由局工程研究院依据模型对边坡进行加固设计稳定性计算,施工期、降雨期、运营期力学分析,确定稳定性对边坡薄弱点进行加固处理。项目依据局研究院反馈数据,进一步深化土钉墙设计,增加薄弱区排水设施,优化施工方案,从根本解决边坡失稳问题。

高大边坡受力分析。建立信息模型,对边坡稳定性计算,对施工期、运营期、降雨期边坡建模进行力学分析,确定稳定性及薄弱点进行加固处理。(www.xing528.com)

　　①工程开工首先对原有边坡进行加固改造,平均加固高度49 m,最高加固高度79 m,为九级边坡倾斜64°。

②项目建立高精度(LOD350)BIM模型,依据模型对边坡进行加固设计稳定性分析(施工期、降雨期、运营期),确定稳定性对边坡薄弱点进行加固处理。

③项目依据稳定性分析反馈数据,进一步深化土钉墙设计,增加薄弱区排水设施,优化施工方案,从根本解决边坡失稳问题。

优化土钉面墙设计,设置排水措施,将雨水引出边坡薄弱区,逐步解决边坡失稳的因素,为后期建造任务提供安全保障。

图2-2-35　边坡BIM模型图

图2-2-36　边坡稳定性分析

本工程是属于边坡土方重新回填压实(即“挖3米高土,填3米土”),所以当临时道路施工完成后,需要先挖除底部的一部分土方后,再直接开挖上部边坡的土方用土摊铺回填使用即可,这样土方的运输量减小,车辆行驶的安全问题得到缓解。

在土方回填作业时,除了规范要求关于土方回填压实的相应规定外,还需要做好下述几项施工管理。

①与原有边坡土面衔接处同样需要设置台阶,从而确保新旧土面的有效压实连接。若是未对衔接的坡面进行任何处理,在土方回填衔接处很难压实完整,易形成边坡破裂面,存在施工隐患。

②压路机碾压采用进退错距法,碾迹搭接宽度应大于100 mm。在回填铺土及碾压和夯实时其推进方向与轴线平行。对于碾压中出现的漏压及欠压部位以及碾压不到位的死角均采用人工夯实方法进行补救。

分段碾压时接茬处应做成大于1∶3的斜坡,碾压时碾迹应重叠0.5 m,上下层错缝距离不应小于1 m。

③外边坡处需要扩宽回填。由于安全问题,压路机滚压外边坡处时无法压到设计的边坡线处,所以需要扩大回填至少500 mm,这样能确保边坡土方按照设计坡比修整土方密实度能满足设计要求。

图2-2-37　边坡土方回填压实施工示意图

5.5.4　基于BIM内核驱动边坡防护技术

基于BIM技术对边坡进行阳光分析,分析出9级边坡薄弱区及最佳种植期,采用戴威布先进技术,进行水土保持,共绿化面积15万m2,全部达到绿化效果要求。

利用不同草种的季节生长期科学合理调配,并结合可降解戴威布保持土体水分、营养,将草种与边坡结合,保证了单子叶草种成活率和生长的均匀性。比传统的三维网喷客土植草及草皮种植效果显著。

采用我公司自主研发的滚轮式播种机种植双子叶灌木,解决了传统播种机无法达到的性能要求,保证了灌木种植深度和间距均匀性。

采用新的“阳光分析法”建立不同的边坡光照分析模型,根据模型现场种植不同的工艺样板。根据边坡大面积种植情况实测与样板基本吻合。

本施工工法,施工速度快,缩短边坡裸露时间,起到良好的边坡水土保持作用,保证边坡的安全。

边坡修坡完成后直接人工铺设草皮,解决了传统机械喷播无法在高大边坡施工作业的难题,工效提高20倍以上,极大地降低了施工成本。

采用全降解绿色环保绿色产品,种植草的高成活率和均匀的良好长势,绿化美化了边坡,又与周边原始自然环境融为一体,起到了较好的环境保护作用。

图2-2-38　进行阳光分析

布草皮使用土工布或可降解土工布与各种草籽(狗牙根、百喜草、木豆、山毛豆等)用机械方式和缓控释肥有效的复合在一起。布草皮内含有缓释肥料可有效的缓解本工程现场土质为沙质土及风化土不利于植物生长的环境。草籽用专用机械使其均匀分布在产品的每个平方格内,利用土工布和粘胶性能,可使草籽免于滚动滑落,使成坪的草坪均匀美观整齐。使用布草皮植草施工工艺,能够有效地改变地表径流及使用它的反滤作用,免于地表的冲刷造成水土流失。

5.5.5　基于BIM技术的进度、资金管控

项目施工组织阶段,采用BIM5D平台,综合协调资源。根据施工计划对现场各单体模拟施工,统计施工任务状态,并提取资金和物资使用情况,便于项目合理调配资源。

图2-2-39　施工段划分图

图2-2-40　进度模拟

5.5.6　基于BIM的放样机器人技术

将包含三维坐标信息的跑道BIM模型导入放样机器人和精平机电脑中,现场设立基站并确定基站点坐标标高,开启精平机电脑进行校准、启动精平机,校准后开始自动精平。图2-2-41为导入BIM模型放样,图2-2-42为基站、精平机校准,图2-2-43为精平机自动精平。

图2-2-41　导入BIM模型放样

图2-2-42　基站、精平机校准

图2-2-43　精平机自动精平

5.5.7　BIM创新应用及意义

无人机技术、点云技术、BIM技术在土方平衡上的使用,是新技术、新产品相结合的产物,是行业发展到一定阶段的必然结果,其意义如下。

①节约成本:土方平衡施工前采用BIM生成三维模型确定控制信息及模拟施工技术,运用三维模拟施工原理,优化施工方案,在策划前期将土方平衡中的诸多影响因素及问题进行预处理。

②节约材料:对于石方区域进行特殊规划,提前对此部分进行管控,对石方破碎后用于道路基层施工等。

③环境污染降低:优化后的平衡方案,减少运输距离和倒运方量,大量减少机械对环境的污染。

④工作效率高:无人机航拍技术,大大提高了对场地的测量工作,是传统测量功效的15倍,三维模型自动生成开挖回填边线,加快对算量和施工速率。

⑤技术交底难度降低:结合BIM三维模型图纸和施工模拟动画,使作业人员易于理解和操作,降低了对施工人员的技能要求,施工难度降低,能够更有效地实现质量和成本控制。

本项目加强了无人机技术、点云技术、BIM技术的研究与应用,可以为我国土方平衡和地下综合管线施工技术提供有益的工作经验,为今后的高大边坡安全施工、绿色施工、节能环保科技研发工作做好铺垫。