新技術(shù)：智慧建造的動(dòng)力源

文｜本刊編輯部

建筑信息模型與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用可以在工程建設(shè)及運(yùn)維方面發(fā)揮更大的作用。只有把建筑物數(shù)字化、信息化，建立整個(gè)建筑信息模型，才是實(shí)現(xiàn)高效管理的基礎(chǔ)。建筑信息模型是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，是物聯(lián)網(wǎng)的核心和靈魂，正如建筑信息模型是ERP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一樣，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不能脫離建筑信息模型。沒有建筑信息模型，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用就會(huì)受到限制，就無法深入建筑物的內(nèi)核，因?yàn)樵S多構(gòu)件和物體是隱蔽的，存在于肉眼看不見的深處，只有通過建筑信息模型才能一覽無遺，進(jìn)而展示構(gòu)件的每一個(gè)細(xì)節(jié)及相關(guān)屬性信息。

以上海虹梅南路越江隧道工程項(xiàng)目為例，虹梅南路—金海路通道越江段新建工程全長(zhǎng)約5260米，起于浦西永德路北側(cè)，于劍川路北側(cè)入地跨越黃浦江，經(jīng)西閘公路后出地面，終于金海路。浦西起點(diǎn)至劍川路區(qū)段為改建原有地面道路，雙向4車道，劍川路匝道南側(cè)至浦東終點(diǎn)為雙向6車道。其中圓隧道段長(zhǎng)3.39千米，隧道直徑為14.93米，一共有16950環(huán)管片。工程投資額近30億元。

超大型越江隧道具有圓隧道距離長(zhǎng)、盾構(gòu)直徑大、埋深大和地層復(fù)雜等顯著特點(diǎn)，而作為盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)最為核心的構(gòu)件管片，是隧道的最外層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力等多種荷載，是影響隧道質(zhì)量和安全的最為關(guān)鍵的因素。確保隧道管片質(zhì)量的最佳方式是執(zhí)行以預(yù)防為主的全過程控制，把管理從運(yùn)營(yíng)階段前移到施工階段、制造階段和設(shè)計(jì)階段，及時(shí)解決存在的隱患，實(shí)現(xiàn)管片質(zhì)量的積極控制。然而，管片的全壽命過程極為漫長(zhǎng)，各階段參與人員眾多、涉及的信息種類繁多、具有復(fù)雜的空間和時(shí)間特征，很難將其有效地整合在一起，這對(duì)隧道管片未來的管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，確保管片的質(zhì)量和安全、實(shí)施管片全壽命管理尤為重要。

針對(duì)這一難題，在虹梅南路-金海路越江隧道工程中，經(jīng)過多方調(diào)研，決定利用BIM+物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用技術(shù)，以隧道管片全壽命信息管理為主線來解決這一問題。借助RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)孤立分散的信息準(zhǔn)確組織，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度信息、材料信息、工藝信息、安裝信息、檢查信息和維護(hù)信息的一體化管理。通過建筑信息模型承載項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工階段全部基礎(chǔ)信息并直觀地反映管片隱患和病害的時(shí)空變化特性，并可視化的反映管片在不同階段的演變規(guī)律。通過數(shù)據(jù)挖掘工具，尋找制造工藝、施工工藝與管片質(zhì)量之間的關(guān)系，并對(duì)管片的預(yù)防性維護(hù)決策提供幫助。在虹梅南路隧道建設(shè)伊始，研究人員就設(shè)計(jì)并開發(fā)了“虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)”，用于管片的生產(chǎn)和施工全過程的管理與決策，并準(zhǔn)備用于未來的運(yùn)維期管理中。

虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)分為五層的結(jié)構(gòu)體系。最底層為信息采集層，用戶通過RFID讀寫器或RFID采集平板的移動(dòng)端，完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的錄入、圖片采集和位置采集等工作，并通過無線接入設(shè)備與數(shù)據(jù)管理層相連。第二層是數(shù)據(jù)管理層，其主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，這層包含四個(gè)部分：建筑信息模型庫、數(shù)據(jù)庫、文件庫和知識(shí)庫。建筑信息模型庫包含了管片構(gòu)件模型、隧道施工模型和隧道運(yùn)維模型。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管片的基本屬性、過程時(shí)空數(shù)據(jù)。文件庫管理各類照片、報(bào)告和報(bào)表等資料；知識(shí)庫則管理各類的規(guī)則和分析模型。第三層是數(shù)據(jù)交互層，利用BIM，實(shí)現(xiàn)管片信息的三維直觀的展示和分析。主要功能有：一是進(jìn)度分析。工程師可以了解當(dāng)前管片制造和施工的進(jìn)展和趨勢(shì)；二是質(zhì)量控制。通過對(duì)隧道中滲漏，裂縫和錯(cuò)臺(tái)的觀察，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量中的問題；三是環(huán)境監(jiān)測(cè)。可以快速了解管片周邊環(huán)境和周邊環(huán)境的變化；四是健康檔案。通過點(diǎn)擊模型，可以了解病害的發(fā)展過程。第四層是信息分析層，主要是提供數(shù)據(jù)分析引擎，主要用于完成病害趨勢(shì)分析、結(jié)構(gòu)異常發(fā)現(xiàn)、病害成因分析、施工參數(shù)優(yōu)化和維修方案比較等工作。第五層是應(yīng)用層，針對(duì)管片設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維不同階段，設(shè)計(jì)了專用的移動(dòng)端和web端的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全壽命的管理與決策。

信息技術(shù)把控全過程動(dòng)態(tài)

由于虹梅南路隧道目前已經(jīng)全線貫通，因此該系統(tǒng)主要應(yīng)用在了設(shè)計(jì)階段、制造階段和建設(shè)階段。設(shè)計(jì)階段主要是結(jié)合管片的形式進(jìn)行了隧道的預(yù)拼裝工作。虹梅南路隧道采用的是通用型管片，單環(huán)由10片管片組成，管片具有一定楔形量，通過有序旋轉(zhuǎn)和有序組合，擬合出設(shè)計(jì)所需的線路。因此楔形量的設(shè)計(jì)尤為重要。在隧道全壽命管片管理系統(tǒng)利用建筑信息模型提供了管片的三維建模和參數(shù)化拼裝功能，能夠?qū)ⅹ?dú)立的管片模型，通過約束拼裝成環(huán)，并基于空間軸線，進(jìn)行圓環(huán)的錯(cuò)縫拼裝，檢驗(yàn)拼裝方案的可行性和隧道軸線的合理性。

在制造階段，圍繞管片的整個(gè)工藝工程，系統(tǒng)從材料管理開始，記錄了管片每一個(gè)生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)、并拍攝了相關(guān)的照片，做到了全程跟蹤。制造構(gòu)成的信息記錄分為三類：第一類是管片本身的進(jìn)度信息，即管片目前的狀態(tài)信息，如目前正在混凝土澆搗狀態(tài)；第二類管片直接關(guān)聯(lián)信息，有材料信息、模具信息和人員信息等，包括鋼筋原材料檢測(cè)報(bào)告、鋼筋質(zhì)量證明書、混凝土出廠質(zhì)量證明書、混凝土接收記錄、混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)告、混凝土抗?jié)B檢測(cè)報(bào)告和預(yù)埋件質(zhì)量證明書等各種報(bào)告；第三類是管片生產(chǎn)過程中的各種照片和檢查記錄表單，包括鋼筋加工狀態(tài)、鋼筋骨架制作狀態(tài)、鋼筋骨架入模、混凝土澆筑、管片起吊、管片水養(yǎng)、吊運(yùn)堆場(chǎng)所有的檢查表，最后自動(dòng)生成管片出廠質(zhì)量證明書。通過全過程的管片信息的實(shí)時(shí)采集，用戶可以通過虹梅南路隧道管片全壽命管理系統(tǒng)平臺(tái)，及時(shí)了解管片各工序的生產(chǎn)狀態(tài)和進(jìn)度、查看完整的管片記錄，并且對(duì)材料使用情況、工藝參數(shù)和材料批次對(duì)質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。

施工階段中，管片完成生產(chǎn)后，運(yùn)送到隧道施工現(xiàn)場(chǎng)等待拼裝成環(huán)，正式進(jìn)入施工階段。圍繞施工工序，系統(tǒng)不僅記錄管片的檢查和安裝信息，并通過建立與實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換接口，記錄盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)工藝參數(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、止水涂料信息等關(guān)聯(lián)信息。

由于管片信息均與RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了綁定，因此，根據(jù)RFID編碼，用戶可以輕松地查詢到管片從生產(chǎn)到施工過程中的基本信息，一旦管片發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷或病害，就可以形成管片追溯機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)管片的全生命周期管理。系統(tǒng)運(yùn)用建筑信息模型將管片、測(cè)點(diǎn)、周邊環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)整合到同一模型，形成具有集成信息的模型，用不同的顏色和方案直接顯示隧道工程進(jìn)度、管片狀態(tài)、周邊環(huán)境及施工進(jìn)度，通過動(dòng)態(tài)漫游方式實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)、周邊建筑的準(zhǔn)確定位和輔助巡檢，幫助工程人員進(jìn)行及時(shí)有效的工程項(xiàng)目管理和決策。

信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助決策

虹梅南路隧道具有大直徑、大埋深的特點(diǎn)，管片作為盾構(gòu)隧道的主要受力件，在施工和運(yùn)營(yíng)過程中承擔(dān)著盾構(gòu)機(jī)的頂推力、圍巖壓力、注漿壓力和地下水壓力等，管片可能出現(xiàn)空洞、裂縫、破損、錯(cuò)臺(tái)、上浮等病害。為保證隧道施工的安全性，系統(tǒng)基于隧道管片全過程的信息，進(jìn)行管片滲漏影響因素和趨勢(shì)分析，提出了面向防滲的施工參數(shù)組合，以輔助施工人員提高工程質(zhì)量。

系統(tǒng)在虹梅南路隧道工程中得到了全線應(yīng)用，以便捷的輸入、直觀的顯示和智能的分析功能幫助工程管理人員隨時(shí)把握管片全過程動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)輔助決策。

一是解決了原有管理模式中信息采集集成困難的問題。隧道管片建設(shè)過程中報(bào)表繁多，原有的數(shù)據(jù)記錄方式是紙質(zhì)表格手寫和獨(dú)立電子文件輸入兩種方式完成，這導(dǎo)致了報(bào)表查詢困難、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、信息集成難度高等問題，不僅影響了正常的建設(shè)管理工作，而且對(duì)項(xiàng)目竣工驗(yàn)收的資料整理帶來的極大的困難，并為未來的隧道養(yǎng)護(hù)埋下隱患。系統(tǒng)內(nèi)置了管片建設(shè)過程中所有的表單，采用移動(dòng)端進(jìn)行實(shí)時(shí)輸入和攝影，并通過數(shù)據(jù)的條件校核和互校核提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和完整性，并為后期資料的整理和查詢提供了基礎(chǔ)。

二是提升了管片信息全生命周期追溯的能力。系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了隧道專用的RFID標(biāo)簽，能夠滿足管片設(shè)計(jì)需求和隧道內(nèi)部強(qiáng)干擾的環(huán)境，從鋼筋綁扎開始即進(jìn)行管片的全程跟蹤，把材料信息、人員信息、位置信息、檢測(cè)信息、施工信息和環(huán)境信息等高維時(shí)空信息有機(jī)的連接在一起，提升了隧道監(jiān)管的能力，實(shí)現(xiàn)了問題管片的全程追溯，也為未來進(jìn)行管片的維護(hù)和保養(yǎng)提供了條件。

三是提升了工程技術(shù)人員對(duì)工程的了解程度。系統(tǒng)利用建筑信息模型，把孤立的管片信息整合到隧道中，并設(shè)計(jì)了多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)視景，用戶可以在虛擬環(huán)境中對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢，并輔以實(shí)現(xiàn)與周邊環(huán)境的各種信息，如周邊管線、建筑物和地層變化等數(shù)據(jù)的交互，為工程技術(shù)技術(shù)人員直觀地觀察隧道的情況，進(jìn)行問題定位提供了依據(jù)。

四是提升了管理人員的分析決策能力。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)分析的方法，對(duì)管片信息進(jìn)行了深入的挖掘，為管理人員提供了諸多分析功能。如：生產(chǎn)端的智能分析中，可以利用鋼筋剩余量及管片計(jì)劃，對(duì)鋼筋的采購(gòu)提供建議；可以通過管片制造的工藝參數(shù)，分析溫度等對(duì)管片抗壓強(qiáng)度等的影響；施工端的智能分析中，根據(jù)病害的空間分布分析病害的特點(diǎn)；根據(jù)病害的信息以及施工環(huán)境信息，進(jìn)行病害演化趨勢(shì)的分析；根據(jù)已建管片的狀態(tài)，對(duì)施工參數(shù)的調(diào)整提出建議。這一方法極大提升管片全生命周期信息的價(jià)值，為更好地進(jìn)行工程管理和決策提供了指導(dǎo)。

新技術(shù)是建筑業(yè)信息化不斷發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，是推動(dòng)傳統(tǒng)建設(shè)行業(yè)管理轉(zhuǎn)型的助力器。新技術(shù)在虹梅南路隧道管片全生命周期管理上的探索，證明了新一代信息技術(shù)在城市公共設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維中的作用。如果能夠?qū)⑦@一方法推廣到其他隧道或基礎(chǔ)設(shè)施工程中，不僅可以提高工程本身的管理水平，更能夠在海量信息積累的基礎(chǔ)上，為提升隧道的設(shè)計(jì)和工藝水平提供幫助。