基于4D-BIM的曲港高速公路质量与安全研究

张 超

基于4D-BIM的曲港高速公路质量与安全研究

张 超

(河北曲港高速公路开发有限公司，河北 保定 073000)

为增强高速公路施工质量安全管理水平，将4D与BIM (4D-BIM)技术应用于项目施工的实际管理过程中，开发了基于BIM的曲港(河北曲阳至黄骅港)高速公路建设管理系统。在高速公路工程中，进行了施工安全与质量监控及分析，并应用了4D-BIM时变结构安全分析系统。引入物联网、智能传感技术、数字监测等技术，对重点桥梁施工安全进行动态监测，实现基于物联网施工的数字化管理，从而提升公路工程质量安全管理水平。为BIM在高速公路工程质量安全管理中的应用提供了方法和实例，对深化施工阶段BIM应用具有重要价值。

BIM；4D-CAD；公路工程；质量管理；安全管理

曲阳至黄骅港(曲港)高速公路是河北省“东出西联”的高速通道之一。项目建成后，将成为我国西部地区以及河北省北部地区能源物资出海的集疏运快速通道。同时曲港高速有效串联京昆高速、京港澳高速、规划津石高速、大广高速、京台高速、京沪高速、长深高速等多条国家高速公路，是多条纵向国高的横向联络线，该工程是河北省高速公路网的重要组成部分。

本文以曲港高速公路项目为对象，在其建设和施工管理阶段中引入BIM (building information model)技术和4D时变结构安全分析技术，研究了BIM与4D技术在高速公路施工安全管理中的应用。曲港高速公路作为重点控制性工程，质量要求高，安全问题涉及范围广。采用先进的4D技术和BIM技术相结合(4D-BIM)，在施工阶段，提供了基于BIM的工程项目集成管理的相关功能，支持多工程领域、多应用方、多专业的协同工作与动态管理。为了确保曲港高速公路项目施工的质量安全、管理高效、优质顺利地进行，4D-BIM对项目施工质量安全管理过程进行科学的管理。

4D-CAD是基于4 dimension (4D)模型的计算机辅助设计技术，其是在3D模型的基础上，附加时间因素，将模型的形成过程以动态的3D方式表现出来的图像化模型[1]。4D模型是一种可视的媒介，使用户看到物体变化过程的图形模拟，对整个形象变化过程进行自动优化和控制。目前，4D已逐步应用到建筑施工模拟[2-3]、施工动态管理、大型公共建筑[4]等。BIM技术已逐步成熟，再配合4D技术则为实现建设项目动态化、集成化和可视化管理提供了新的途径和方法[5]。最近有文献讨论了4D-BIM软件在施工中的深度应用[6]，说明4D也逐步成为施工管理的常规手段。

1 公路项目4D-BIM支撑技术

针对现代化复杂高速公路项目的特点，结合现场施工的具体需求，应用4D-BIM的主要思想，将BIM系统与现场信息流无缝集成，本文提出了基于BIM的高速公路质量安全管理全套支撑技术，如图1所示。该技术集成多种数据源，以高速公路4D信息模型为基础，形成4D管理功能，支持质量管理和安全管理内容。其技术具有如下特点：

(1) 适应公路项目异时空的各参与方。由于高速公路线路很长，各参与方通常不可能经常会面并举行传统的管理会议。而采用BIM技术就可以通过信息化平台上为异地分布的业主、工程总承包、施工项目部等应用主体提供完整的应用流程[7]。最终在实现总体目标时，满足所有时空的实际需要。

(2) 实现公路项目的集成动态管理。通过建立基于实际安全监测和质量数据的BIM信息模型，将建筑物及其施工现场三维模型同施工质量、安全及场地信息集成为一体。然后连接BIM具有的多层次线路管理技术，实现了高度集成化的4D管理、实时控制和动态模拟。

本系统主要包含3个部分(图1右侧)：①CS系统：部署中心服务器、BIM管理平台及BIM数据库，直接操作BIM模型，实时信息反馈各种项目管理业务；②BS系统：通过互联网浏览器实现远程数据录入、信息查询、模型浏览及项目综合管理业务；③MS系统：利用移动端APP实现基于物联网的安全监控、质检图钉等移动应用业务；利用手机微信实现进度、质量、安全的数据采集与信息填报。

图1 高速公路4D-BIM技术结构

2 4D质量管理与安全监测

2.1 4D动态质量管理

本文采用基于BIM的动态时间与位置的施工现场质量与安全管理流程，并且结合4D功能实现一定的动态性。传统的工地质量管理期望能够发现在施工过程中并未纳入考虑过的潜在质量或安全问题[8]，在建设工地中，所有与此相关的人均可发现并提交这些问题[9]。而BIM平台自然提供了完成质量管理的功能流程。

该流程始于用户对工地中某部位的安全或质量疑惑。之后用户通过交互式定位进行问题的定位，并检查4D模型的关联信息和历史状态，并创建一个任务[10]，最终将其标记在BIM平台中。一般管理过程在问题解决并检查无误后，还需要进行归档处理[11]。4D技术不但实现静态的存储，更将时变模型与质量问题关联，支持高效直观的查看、搜索和分类汇总，这是传统手段所不及的。

2.2 4D安全监测

针对项目安全管理的需求，特别是高速公路桥梁的施工期结构安全，本项目应用了基于4D的施工安全管理系统，在BIM平台上进行施工期建筑结构安全分析。此外，采用4D技术加入时间维度，就可根据不同时间加入项目的各分包单位提供跨时间的应用支持。首先，需要将结构设计的基础数据进行对接，以形成完整的BIM安全管理的数据[12]。图1中，4D时变安全分析模型将模型信息与时变结构安全分析模型集合成一体，应用于时变结构安全分析的子信息模型中。结构安全监测技术的基本架构包括：核心的4D信息模型、主导的4D管理及目的的时变结构安全分析。

在高速公路桥梁的安全监测中，较为关键的应用点是从4D信息模型中获取的信息，并结合设计规范的荷载取值，采用随机模拟，自动形成结构分析所需的分析模型、抗力随机过程以及荷载效应随机过程，从而计算对应时点结构安全性能指标的分析方法。将4D管理与时变结构安全分析等其他多方应用结合起来，为其应用提供统一的信息获取源。同时也是对4D信息模型的有效扩充与改进，支持设计、施工和结构信息在信息模型中的统一管理与应用，可为施工项目进行的时变结构安全动态分析提供信息支持。

3 应用实例

3.1 现场应用情况概述

曲港高速公路沿线大型桥梁较多，工程量大、技术复杂、施工难度大，并且路线交叉、房建工程等单点工程众多，对精细化施工安全管理要求高。项目建设对当地原有道路的影响较大，施工前需要进行详细的调查、协调，对施工组织设计高，尤其是新建道路与老路交叉和干扰路段，施工期间需要保障旧路的畅通，尽量减少对当地交通的影响，同时避免当地交通影响施工安全。项目为典型的长线高速公路工程，多点、多专业同时施工，施工信息采集地理跨度大、信息类别众多、信息流大，质量安全管理检测数据信息量巨大。

在质量管理方面，用户在现场发现质量与安全问题时，可利用移动端交互式定位、捕捉问题构件并填报问题。在BIM平台的计算机客户端可查看到问题的位置与详细情况，同时查看到项目管理系统中的处理流程。

(1) 质量安全问题填报。利用移动端，现场人员将施工现场的各种情况拍下来，标注位置、问题性质等各种属性，实时上传到BIM服务器，并与BIM模型相关联，发起整改流程。并将含时间属性的动态信息存储至4D-BIM数据库；

(2) 问题查询和处理。在移动端、网页端和PC端能够查询并处理问题，整改完成闭合；

(3) 自动生成质量巡检报告。自动生成质量安全整改通知单；

(4) 质量安全问题与BIM模型关联。通过图钉，将问题和模型构件进行关联，支持4D时间维度上的综合查询。

在桥梁安全管理方面，本项目实现了将监测点位置直观展示在模型上，单击监测点图钉可以查看该点的数据并对其进行统计分析，网页端设定阈值，对问题数据进行预警。建立与视频监控系统的数据接口，可在模型中增加视频监测点位置，并对比现场监控图像与模型(图2)。

图2 BIM安全监测平台

3.2 桥梁施工安全管理

将4D技术的桥梁时变安全监测试点应用于曲港高速跨京广铁路大桥。本项目引入物联网、智能传感技术、数字监测等技术，在BIM与GIS集成的基础上对重点桥梁施工安全进行动态监测，实现基于物联网的施工的数字化管理。结合桥梁结构数字监测信息，实现了桥梁BIM中构件结构安全信息与桥梁数字监测数据的集成方法与技术，实现桥梁施工安全管理。针对结构安全，进行实时的结构状态监测，同时在BIM数据库中，通过与结构设计数据的对比，判断目前的结构受力情况是否符合要求。从而保证了施工过程中的结构安全，为施工效率提升提供有力支持。由于加入了4D信息，分析的结果可存于BIM平台的三维模型中，按时间组成图形显示监测信息，随时进行播放，为管理人员提供直观方便的视图。

3.3 质量安全问题多平台应用

3.3.1 微信端管理

现场发现质量安全问题，直接在微信端上传图片，填写问题的描述和整改要求，发送给整改人；整改人实时在微信端收到整改通知，整改完成，回复整改情况以及整改后的照片；发起人收到整改完成通知，并对整改情况进行验收，验收通过形成闭环(图3)。填报的数据实时反馈到客户端，并生成日报、周报和月报。

3.3.2 网页端管理

网页端实时同步所有微信端填报的问题，包括所填报的质量和安全问题，并对所有的问题数据进行编辑(图4)；可以微信形式直接向现场人员发送整改通知或验收通知；并按照项目整改通知单的格式自动将数据进行整理，生成word格式的整改通知单(图5)。

图3 微信端填报

图4 质量问题网页端填报

图5 网页端质量安全问题整改单生成

3.3.3 PC端管理

PC端实现了同步质量安全问题的所有数据传至BIM平台，并且以多种形式展现。图6左框为相关质量问题的列表，单击某个问题右侧即可看到此问题的所有数据和经办流程(图6右)。每个问题均以图钉的方式挂接到对应的模型上，同时高亮显示该问题关联的构件，实现三维模型中的查看(图6中)。丰富的信息结合可视化BIM的展现，令所有问题详情及对应发生的部位一目了然，方便现场管理人员处理。

图6 PC端质量安全问题标示

4 结束语

针对高速公路的工程特点，综合应用BIM和4D技术，研究了施工安全与质量监控及分析技术，介绍了4D-BIM时变结构安全分析系统和了基于BIM的曲港高速公路建设管理系统的架构和功能。实际工程应用表明，将4D-CAD技术和BIM有机结合并引入工程施工质量安全管理和安全监测之中，可以有效提高施工现场质量安全问题的整改效率，优化质量安全管理流程。研究成果为施工提供了新的安全技术和质量安全管理工具，对于提高高速公路施工质量管理和安全管理水平，具有理论创新意义以及对同类工程的参考价值。

[1] 张建平, 胡振中. 基于4D技术的施工期建筑结构安全分析研究[J]. 工程力学, 2008, 25(S2): 204-212.

[2] FISHER M, KUNZ J. 4D annotator: A visual decision support tool for construction planners [C]//Proceedings of American Society of Civil Engineers. Orlando: American Society of Civil Engineers, 1998: 330-341.

[3] KAM C, FISCHER M, HÄNNINEN R, et al. The product model and fourth dimension project [J]. International Journal of It in Architecture Engineering & Construction, 2003, 8: 137-166.

[4] 柳茂. BIM技术在4D施工进度模拟的运用[J]. 信息记录材料, 2018, 19(6): 29-31.

[5] 刘辉. 基于BIM技术的高速公路施工安全管理分析[J]. 交通世界, 2016(20): 114-115.

[6] 钱丽丽, 何清华. BIM 4D技术及在主题乐园酒店项目中的应用[J]. 施工技术, 2018, 47(16): 123-127.

[7] 冯刚. 基于BIM的建设工程安全管理体系研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2015.

[8] 王友群. BIM技术在工程项目三大目标管理中的应用[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.

[9] 张小富, 李海涛. 基于BIM的建筑全生命周期安全管理研究[J]. 施工技术, 2013, 42(22): 27-29, 65.

[10] 张红艳. 基于BIM的施工质量管理研究[J]. 能源技术与管理, 2017, 42(6): 196-199.

[11] 华昕若. BIM技术在高速公路跨线桥施工安全管理中的应用研究[J]. 公路工程, 2017, 42(1): 147-151.

[12] 李彦霖, 王卫东. 基于4D的桥梁施工质量管理信息系统研究与实现[J]. 中南林业科技大学学报, 2011, 31(9): 123-127.

4D-BIM Based Quality and Safety Management for Qugang Highway

ZHANG Chao

(Hebei Qugang Expressway Development Company, Baoding Hebei 073000, China)

In order to improve the construction quality and safety management level of Qugang highway, this paper utilized 4D-BIM technology in a highway construction project. Construction safety and quality monitoring and analysis were carried out in highway quality and safety management, and a 4D-BIM time-varying structural safety analysis system was applied. This study introduces technologies such as the Internet of things, intelligent sensing technology, and digital monitoring to dynamically monitor the construction safety of key bridges and realize digital management of construction based on the Internet of things, thus improving the quality and safety management level of highway construction. This study provides methods and examples for the application of BIM in the quality and safety management of road construction, and is of great value for deepening the application of BIM in the construction phase.

BIM; 4D-CAD; road construction; quality management; safety management

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040778

A

2095-302X(2019)04-0778-05

2019-01-16；

定稿日期：2019-04-22

张 超(1979-)，男，河北泊头人，高级工程师，本科。主要研究方向为交通土建工程。E-mail：1090992297@qq.com