BIM技術(shù)在隧道與地下工程中的應(yīng)用及前景綜述

陳紫云，李天斌，劉四昌，王麗娟，3

(1.四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院，成都 610017；2.成都理工大學，成都 610059；3.四川航天職業(yè)技術(shù)學院，廣漢 618300)

1 引言

BIM技術(shù)與隧道與地下工程是當前科學研究的熱點課題之一。關(guān)于BIM的定義眾說紛紜，目前的主流認識是根據(jù)其主要功能和操作要義，認為BIM(Building Information Modeling)是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息去仿真模擬建筑物真實信息的計算機仿真信息系統(tǒng)模型，利用數(shù)字化的建筑組件表示真實世界中用來建造建筑物的構(gòu)件，展示整個建筑生命周期。從定義上即可知，相較于傳統(tǒng)電腦輔助設(shè)計用矢量圖形構(gòu)圖來表示物體的設(shè)計方法來說，BIM設(shè)計和管理的理念發(fā)生了根本的改變。但是，隧道和地下工程相對于工民建，建筑材料與建筑環(huán)境關(guān)系密切，甚至可視為一體，故其定義僅局限于信息模型的結(jié)構(gòu)顯得狹隘。個人認為可以修訂為：BIM，技術(shù)上是以三維數(shù)字空間技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了部分項目信息的工程數(shù)據(jù)和建設(shè)環(huán)境模型，是對該工程項目信息的盡可能詳盡表達；管理上是一種應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計、建造、運維等全壽命周期的數(shù)字化全局管理方法，支持建設(shè)工程的集成管理環(huán)境，可以在建設(shè)進程顯著提高效率和大量減少風險。

BIM具可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性，涵蓋幾何學、空間關(guān)系、地理信息系統(tǒng)、建筑組件的性質(zhì)及數(shù)量，該理念是工程建設(shè)信息化發(fā)展的必然趨勢，具有重要應(yīng)用價值和廣闊應(yīng)用前景[1,2]。將BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道與地下工程工程中，可顯著實現(xiàn)設(shè)計精細化、施工安全化、后期運營條理化，提高設(shè)計施工質(zhì)量和效率，降低工程造價和勞動強度，加強不同工作方協(xié)作程度[3]。但是，由于帶狀分布、地形地質(zhì)復(fù)雜等環(huán)境條件原因，使得其BIM編碼分類、行業(yè)標準、軟件平臺等不能照搬工民建BIM路線。鑒往而知來，為了BIM技術(shù)在我國隧道工程中得到更好地發(fā)展，有必要對其存在的問題及相應(yīng)的研究成果加以整理分析，為相關(guān)的研究和應(yīng)用提供借鑒。

2 關(guān)于BIM技術(shù)的概述

2.1 技術(shù)起源與發(fā)展簡歷

BIM理念啟蒙受到1973年全球石油危機的影響，理論基礎(chǔ)源于集CAD、CAM一體的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Intergrated Manufacturaring System)理念、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM(Product Data Management)和標準產(chǎn)品信息模型STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)[9]。1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學Chunk Eastman教授在研究課題“Building Description System”中提出“a computer-based description of-abuilding”，以實現(xiàn)建筑工程的可視化和量化分析，提高工程建設(shè)效率，開啟BIM技術(shù)理念[1]。但直至1992年，G.A.Tolman和Van Nederveen的論文《建筑建模的多種視角》才正式提出BIM概念(Building Information Model)[9]。BIM技術(shù)正式引入工程建設(shè)行業(yè)大約始于2003年美國推行的3D-4D-BIM方案，及在2006年制定的BIM技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。2007年美國建筑科學研究院開始著手BIM技術(shù)專項研究；2008年美國已形成比較成熟的BIM應(yīng)用標準，發(fā)起與其相關(guān)的科學雜志《JBIM》；2009年美國開始要求新建大型公共建筑時使用BIM。2009年日本也開始逐步推行BIM技術(shù)，并將其應(yīng)用到特殊工程中；歐洲和韓國等也均在大力發(fā)展本國BIM技術(shù)及BIM技術(shù)標準化。中國建筑業(yè)BIM技術(shù)起步較晚，BIM軟件的研發(fā)和標準化尚屬于起步階段[3,4]。

2.2 BIM技術(shù)的主要學術(shù)思想

BIM是開放的、發(fā)展的技術(shù)，主要學術(shù)思想在當前的認識范疇內(nèi)大致如下[5,6,13]：

(1) BIM是建筑設(shè)施具有物理和功能特征的數(shù)字化表達模型系統(tǒng)，是共享信息資源集成。

(2) BIM對全壽命周期提供仿真模擬和建設(shè)、運維指導(dǎo)。

(3) BIM提供可分享的建筑設(shè)施信息資源。

(4) 在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等不同的階段，相關(guān)方通過BIM平臺協(xié)同工作，在共享的信息資源中完成各自的信息的輸入、讀取和修改。

(5) BIM為建筑設(shè)施信息傳遞完整性和準確性提高保障[3,7,8]。

建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上的BIM技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)極大地豐富了理論創(chuàng)建之初的內(nèi)涵，并且作為開放式系統(tǒng)，隨著科技的進步還將賦予其新的內(nèi)涵，其學術(shù)靈魂也將得到進一步提煉和升華。BIM理論建立之初，無非是將計算機(Computer)技術(shù)與建筑工程(Building)結(jié)合，利用計算機技術(shù)描述和分析建筑工程問題，此時的計算機技術(shù)僅僅體現(xiàn)了工具意義；本世紀初至今，BIM技術(shù)引入建筑工程領(lǐng)域之時，其學術(shù)靈魂雖然還是在建筑工程的工具化描述和分析，但其內(nèi)涵已經(jīng)擴大至全壽命周期的規(guī)劃、設(shè)計和管理，重點是體現(xiàn)了管理功能的強大；不難預(yù)測，在當今信息化、大數(shù)據(jù)、云計算、智能化背景下，BIM技術(shù)的發(fā)展將迅速拓展至建設(shè)模擬、建設(shè)控制和(遠程)協(xié)同工作，那么BIM平臺建設(shè)將顯得尤為重要，可能未來較長一段時間內(nèi)將展開BIM遠程協(xié)同工作平臺研發(fā)及統(tǒng)一工作。但是，隨之而來的智能化將徹底打爛BIM的工具性作用，基于大數(shù)據(jù)、云計算的智能化背景的BIM技術(shù)重點又將轉(zhuǎn)向去平臺化，并勢必促進建設(shè)行業(yè)里生產(chǎn)關(guān)系的徹底改變，BIM技術(shù)將是輔助實體建設(shè)的工具，極大地解放和發(fā)展生產(chǎn)力。

2.3 BIM的技術(shù)研究與生產(chǎn)應(yīng)用概述[8-11]

2.3.1 技術(shù)研究

主要集中在3個方面：①基礎(chǔ)理論研究，包括學術(shù)思想、技術(shù)標準、實施平臺等；②BIM軟件解決方案理論研究即BIM軟件開發(fā)；③BIM應(yīng)用研究，主要是側(cè)重于實際工程的實施，并反饋和解決應(yīng)用中遇到的問題。而這些技術(shù)研究中顯得尤為重要的是基礎(chǔ)理論研究中關(guān)于學術(shù)思想研究方面。

(1) 國外隨著BIM應(yīng)用的深入，實踐中不斷涌現(xiàn)出新的問題，使得學者們更加深入地分析BIM在實踐中的作用及BIM應(yīng)用對項目組織的影響。例如，華盛頓大學西雅圖分校Carrie S.Dossick和Gina Neff發(fā)現(xiàn)，通常BIM在技術(shù)上可實現(xiàn)更緊密地協(xié)作，但卻無法解決組織鴻溝，而BIM的成功在于組織凝聚力的提升及組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；Linderoth 和Henrik C.J結(jié)合案例研究了BIM在將建設(shè)參與者鏈接形成網(wǎng)絡(luò)的過程中作用的利弊，及由于項目全壽命期階段主體的分散性，BIM的應(yīng)用挑戰(zhàn)是如何維持和不斷重構(gòu)這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(2) 實踐中的新問題為學者們進行BIM理論框架改進和完善提供了方向。澳大利亞建設(shè)創(chuàng)新合作研究中心(CRC-CI)聯(lián)合韓國慶熙大學、澳大利亞迪肯大學、澳大利亞紐卡斯爾大學與悉尼大學的Singh和Gu等人，結(jié)合面向?qū)ο蟮腃AD技術(shù)提出了一個多方協(xié)作的BIM理論框架，從參與主體的多樣性角度強調(diào)通過滿足多方協(xié)作的技術(shù)要求去實現(xiàn)BIM 技術(shù)自身的管理優(yōu)化和跨學科應(yīng)用；韓國漢陽大學和美國佐治亞工學院Sanguinetti和Abdelmohsen等人圍繞美國聯(lián)邦法院項目開展系列研究，對BIM 原始模型改進，結(jié)合實踐經(jīng)驗針對設(shè)計反饋提出了一種新的BIM系統(tǒng)化架構(gòu)來改進在設(shè)計階段的反饋和分析，要點是基于事后自動調(diào)整來實現(xiàn)具體問題具體分析，同時將同一BIM 模型一元分析功能擴展為同時包括范圍、周期、能耗、成本等指標的多元分析，大大提高BIM 的適用性和靈活性，一定程度上可以解決組織鴻溝問題。

(3) BIM 應(yīng)用優(yōu)化路徑研究。目前常用優(yōu)化路徑更多集中在設(shè)計反饋和信息交換等問題方面，常通過新的信息技術(shù)引入來實現(xiàn)。韓國明知大學Jung和Joo將美日韓3個典型計算機集成建設(shè)(CIC)項目分別與幾何推理集成(GRI)設(shè)計(1995)、可視化(耶魯大學、哥倫比亞大學，2009)等主流BIM優(yōu)化設(shè)計在應(yīng)用方面進行對比，提出與CIC 技術(shù)集成綜合性BIM 框架實現(xiàn)，描述了對BIM技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生影響的變量，對可優(yōu)化內(nèi)容進行識別；此外，BIM 與計算機游戲集成的建筑仿真，改進了建筑設(shè)計的實時反饋與可視化，云計算技術(shù)可以用來優(yōu)化BIM的信息交換。

(4) BIM效能測度研究。關(guān)于BIM的實施效果有很多討論，既有經(jīng)濟效益定量指標研究也有管理效益方面的定性分析。亞利桑那州立大學Kristen Barlish和Kenneth Sullivan建立了一個基于投入/產(chǎn)出指標的測度模型，選取同樣背景下使用/未使用BIM項目為研究對象，分析投入/產(chǎn)出差異。Bryde和David Broquetas等搜集研究了來自英、美、德、西班牙、加拿大及中東等國家和地區(qū)35個使用BIM的施工項目數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)BIM正面的效果主要集中在成本節(jié)約、全生命周期內(nèi)的控制以及顯著的時間節(jié)約效應(yīng)，負面效果主要集中在作為新的工具，軟件的應(yīng)用帶來的學習、培訓(xùn)和熟練工作模式改變等菜單成本。

(5) 新技術(shù)集成應(yīng)用方面。英國雷丁大學通過本校健康和保健基礎(chǔ)設(shè)施研究，及創(chuàng)新中心建設(shè)項目的實驗，發(fā)現(xiàn)BIM應(yīng)用中其他技術(shù)的引入是由建設(shè)項目員工來驅(qū)動的。例如施工現(xiàn)場的承包商為工人提供個人平板電腦實時上傳和下載設(shè)計信息并拍攝現(xiàn)場施工質(zhì)量和進度數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)BIM，大大提高BIM應(yīng)用的交互性和靈活性；土耳其Beykent大學的Isikdag Umit提出3種基于BIM面向服務(wù)的建筑設(shè)計模式，即BIMAJAX、BIM-SOAP 界面和RESTFUL BIM，分別為AJAX、SOAP 界面和REST 3種技術(shù)與BIM 的集成；澳大利亞迪肯大學與紐卡斯爾大學2010年在建設(shè)創(chuàng)新合作研究中心的支持下，對來自澳洲的多個案例開展了研究，認為動態(tài)BIM 協(xié)同決策模型可以解決實際操作中出現(xiàn)的BIM應(yīng)用分化。此外，BIM還可以與更多新興領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)創(chuàng)新，等等。

(6) 關(guān)于BIM基礎(chǔ)理論研究中的技術(shù)標準，可以劃分為BIM的指導(dǎo)實施標準如NBIMS、CBIMS、IDM、IFD，和數(shù)據(jù)交換標準，如IFC、gbXML、CIS/2、PCSC、COBie。很多國家已經(jīng)頒布了自己的國家標準，我國香港2009年頒布了地區(qū)標準，大陸2009年和2012年啟動了兩項BIM相關(guān)標準的研究，2014年底，中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布了EBS和IFD標準[12]。

2.3.2 生產(chǎn)應(yīng)用

經(jīng)過多年的發(fā)展，BIM的理念和實際應(yīng)用已經(jīng)不僅限于建筑行業(yè)。

(1) BIM在建筑關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的實踐

BIM儲存了建筑的所有信息并一定程度上能夠兼容其他程序和技術(shù)，可將其用于工料估算、4D調(diào)度和建筑仿真，數(shù)據(jù)自動提取功能還可以生成施工進度表等等，大大提高生產(chǎn)效率；樓宇維修同樣可以在BIM環(huán)境下展開，交付之后的樓宇維修牽扯各類知識和信息整合，將CBR(案例推理)在知識獲取方面的應(yīng)用與BIM在信息獲取的應(yīng)用集成，就可以實現(xiàn)與交付之前的各項工作在同一個系統(tǒng)和平臺上完成的效果；2012年，美國佐治亞工學院與韓國漢陽大學提出將BIM應(yīng)用于進度的自動安全檢測，通過應(yīng)用BIM的自動安全規(guī)則檢查去安全隱患。

(2) BIM在非建筑相關(guān)領(lǐng)域的實踐

斯坦福大學、荷蘭特文特大學將BIM用于“建造與施工管理”和“集成項目管理”課程教學，讓學生在課堂上學習項目管理的實際操作，改進教學效果的同時也有助于BIM自身的優(yōu)化。2011年德國達姆施塔特工業(yè)大學開始開展 “人類救援嚴肅游戲(Serious Human Rescue Game)”，將BIM與嚴肅游戲中的工程模擬(火、煙)功能組合，制訂出火災(zāi)疏散撤退效果新方案；基于能源修復(fù)目的BIM還可以用于自動熱成像與RGB 顏色模型紋理研究；由于建筑設(shè)計代碼檢測易于自動化，可將BIM 的IFC為文本轉(zhuǎn)換的格式來實現(xiàn)建筑供水系統(tǒng)自動代碼檢測程序開發(fā)，目前這種自動代碼檢測程序已經(jīng)在美國、澳大利亞、新加坡及葡萄牙等多個國家和地區(qū)展開應(yīng)用；2012年，佐治亞工學院開發(fā)了支持國家BIM標準(NBIMS)的混凝土供應(yīng)鏈模型，模型對供應(yīng)鏈管理各階段的信息流進行定義并能識別其需求內(nèi)容，通過了包括Autodesk、Scia、Allplan、Bentley、Tekla等主要BIM軟件廠商和大量BIM項目測試。等等。

3 隧道與地下工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[12-53]

國外的BIM技術(shù)發(fā)展主要集中在建筑行業(yè)，在其他土木建筑行業(yè)的發(fā)展則比較緩慢，相關(guān)行業(yè)標準和軟件也不成熟。國外的鐵路、公路行業(yè)對于BIM技術(shù)的使用，跟建筑行業(yè)相比還屬于探索階段。我國的土木建筑行業(yè)是從2002年后開始接觸BIM的理念和技術(shù)，現(xiàn)階段我國的BIM發(fā)展和運用主要是以國內(nèi)的一些大的設(shè)計單位為主，遠沒有發(fā)揮出BIM在建筑全生命周期的應(yīng)用價值。關(guān)于隧道與地下工程主要在鐵路、公路和市政公用工程中，目前能夠查到的公開資料中多集中在鐵路和市政建設(shè)。當前整個國內(nèi)的BIM發(fā)展缺乏完善的技術(shù)指導(dǎo)規(guī)范和數(shù)據(jù)標準，而且BIM系列軟件的技術(shù)發(fā)展緩慢，從業(yè)人員中掌握BIM技術(shù)的人數(shù)嚴重不足[13,14]。

3.1 概念設(shè)計與規(guī)劃方面的BIM應(yīng)用

國內(nèi)目前尚未查詢到利用BIM技術(shù)真正進行概念設(shè)計和規(guī)劃方面的示范工程，或者應(yīng)用案例或經(jīng)驗，2013年上海市規(guī)劃國土資源局印發(fā)了《上海市建設(shè)工程三維審批規(guī)劃管理試行意見》，明確了BIM在規(guī)劃方面的應(yīng)用地位[9]。在國外，美國的Building SMART Alliance of National Institute of Building Sciences總結(jié)了BIM的項目應(yīng)用，其中包括規(guī)劃[9]。

3.2 技術(shù)設(shè)計階段的BIM應(yīng)用及典型案例

設(shè)計階段當前是我國隧道BIM應(yīng)用的主戰(zhàn)場，多采用建設(shè)單位為主導(dǎo)，設(shè)計單位與施工單位共同參與方式：建設(shè)單位總體規(guī)劃，設(shè)計單位建模、設(shè)計、展示和分析，施工單位應(yīng)用BIM模型擬定施工方案┉┉。BIM技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)尚不明顯，即或是設(shè)計階段的應(yīng)用也多在展示功能，設(shè)計應(yīng)用多采用翻模，距離完全的BIM設(shè)計模式還有不小的距離，此外，BIM中信息更多是建筑結(jié)構(gòu)本身的信息，對于建設(shè)環(huán)境的考慮多為空白，或者說尚在探索之中。所以說，無論是BIM技術(shù)本身，還是隧道與地下工程BIM應(yīng)用，都期待大家去耕耘。

3.2.1 BIM在國內(nèi)隧道的首批試點應(yīng)用

西成鐵路清涼山隧道是國內(nèi)首批鐵路工程BIM 研究和應(yīng)用試點項目，BIM 應(yīng)用從施工圖階段開始，主要嘗試：采用Autodesk平臺，建立相應(yīng)族庫組裝形成橋隧BIM模型；研究了利用模型出圖、計算詳細工程數(shù)量、施工順序模擬、4D施工工法模擬、NWC格式交付標準等，以及與航測、地質(zhì)、通信、信號、接觸網(wǎng)等專業(yè)的模型融合，橋隧專業(yè)基于工作集的協(xié)同設(shè)計；導(dǎo)入真實地形數(shù)據(jù)信息后模擬實際場景進行整體漫游展示；編寫《鐵路工程BIM模型交付標準》(初稿)；施工單位在設(shè)計模型基礎(chǔ)上添加施工信息形成了建造階段管理平臺。成功之處在于將BIM技術(shù)引入隧道工程設(shè)計，并與施工階段進行了有益的銜接嘗試，形成了部分可行的技術(shù)標準。

3.2.2 BIM在復(fù)雜山嶺隧道的全設(shè)計周期應(yīng)用

典型工程如新鼓山隧道，是國內(nèi)從工程可行性研究至施工圖全設(shè)計周期均試點應(yīng)用BIM技術(shù)的復(fù)雜山嶺隧道，有很強的研究和示范意義，但應(yīng)用范圍僅包括洞門、明洞、下穿公路段、工作井段等隧道復(fù)雜段：(1)利用地質(zhì)三維模型確定隧道洞口和隧道走向。(2)利用三維開挖工具建立洞口的復(fù)雜開挖模型，利用模型生成土石方數(shù)量表。(3)利用BIM的4D技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜段施工模擬。成功之處在于利用BIM技術(shù)對地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜段進行了輔助設(shè)計，為應(yīng)用BIM進行設(shè)計提供了有益探索，并且，對復(fù)雜段落進行了施工動態(tài)模擬VRP(Virtual Reality Platform)探索。

3.2.3 BIM在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工程中的應(yīng)用

復(fù)雜地質(zhì)條件，整個設(shè)計階段完全應(yīng)用了BIM技術(shù)，國內(nèi)隧道工程設(shè)計階段應(yīng)用BIM的可行性和缺陷檢核，寶蘭客專石鼓山隧道都是較好的案例：

(1) 建立BIM地質(zhì)模型。建模平臺采用CATIA，輕量化展示采用3DVIAComposer，主要的BIM設(shè)計依賴Autodesk完成。

(2) 建立部件庫。根據(jù)各種斷面類型建立可用于隧道建模的各類部件，實現(xiàn)施工圖三維建模。

(3) 對國內(nèi)外常用的BIM軟件平臺、企業(yè)解決方案、應(yīng)用接口技術(shù)開展調(diào)研，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的施工圖交付。

3.2.4 BIM在國內(nèi)城市地下工程中的應(yīng)用

典型工程如廈門地鐵，應(yīng)用的主要體現(xiàn)：

(1)場地仿真3D建模。

(2)管線遷改模擬。

(3)交通疏解模擬。

(4)協(xié)同設(shè)計，利用BIM技術(shù)應(yīng)用管理平臺，使不同地點、不同專業(yè)的設(shè)計人員通過網(wǎng)絡(luò)基于同一BIM模型進行三維協(xié)同設(shè)計，提高不同設(shè)計專業(yè)間信息傳遞效率和傳遞質(zhì)量，避免信息失真。

(5)管線綜合硬(軟)碰撞檢查。

(6)空間利用及開洞檢查。

(7)基于BIM模型的圖紙生成，如效果圖、平立剖、3D視圖、大樣圖等，設(shè)計變更后實現(xiàn)圖紙自動更新。

(8)施工模擬，按施工計劃進行4D動畫演示。

(9)大型設(shè)備安裝及檢修運輸路徑檢查。

最大成功之處在于嘗試了協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了BIM的平臺功能(盡管僅僅作為管理平臺，距離設(shè)計協(xié)作平臺尚有不小距離)；此外，對于城市地下工程最為重要的施工碰撞(對外)檢測和安裝、檢修路徑檢查，進行了4D的VR模擬。

3.2.5 BIM技術(shù)用于隧道與地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計或分析

BIM技術(shù)在設(shè)計階段主要用作圖形繪制，體現(xiàn)的也僅僅作為工具的作用，如果BIM技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析，那么勢必將引起設(shè)計工作的革命，可以理解為這是BIM對于設(shè)計工作的主要貢獻。理論上講，BIM技術(shù)可以更好地建立結(jié)構(gòu)的幾何模型和物理模型，能夠更加真實地模擬工程結(jié)構(gòu)的邊界條件，因此也可以實現(xiàn)智能化的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。

案例1：上海嘉定區(qū)陳翔路地道工程。BIM物理模型通過Revit軟件的族命令建立，結(jié)構(gòu)分析模型采用Revit Structure建立(也可創(chuàng)建物理模型)，結(jié)構(gòu)分析通過和Robot 結(jié)構(gòu)分析軟件結(jié)合完成。為驗證結(jié)構(gòu)分析的準確性，同時采用了ANSYS有限元軟件進行結(jié)構(gòu)建模計算。

案例2：深圳地鐵9號線。通過數(shù)值分析研究曲線位置的力學特性及周圍土體的響應(yīng)，在最不利部位的疊線彎曲半徑處建立BIM模型，在此基礎(chǔ)上劃分有限元單元采用專業(yè)軟件結(jié)構(gòu)分析。

由案例應(yīng)用可以看出，應(yīng)用BIM技術(shù)進行結(jié)構(gòu)分析或設(shè)計主要是應(yīng)用BIM技術(shù)進行物理建模，然后導(dǎo)入ANSYS等有限元等分析軟件計算，算不上應(yīng)用BIM技術(shù)的結(jié)構(gòu)分析，但實現(xiàn)了BIM物理模型與結(jié)構(gòu)分析軟件的接口，換言之，如BIM軟件具備了結(jié)構(gòu)分析模塊將可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計功能，未來的前景非常廣闊。

3.3 施工建設(shè)階段的BIM應(yīng)用與進展

施工是所有美好理念落地的保障，無論規(guī)劃、設(shè)計做得多么漂亮，施工才是落實的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，并且施工中BIM應(yīng)用也才能真正實現(xiàn)BIM技術(shù)的經(jīng)濟效益最大化，可以這么理解，BIM在施工建設(shè)階段的落地才能真正算得上BIM技術(shù)的應(yīng)用，不過遺憾的是，目前難度還很大，施工階段得以應(yīng)用的案例也非常少，根源可能還是在于社會生產(chǎn)和社會分工，現(xiàn)階段還停留在施工模擬階段。BIM技術(shù)在施工建設(shè)的應(yīng)用比較典型的思路大致有以下幾個方面：

(1) 優(yōu)化施工組織方案的編制。傳統(tǒng)施工組織設(shè)計在二維施工圖上想象構(gòu)思，利用施工經(jīng)驗主觀選擇施工方案的裝備、工藝等，往往存在裝備選型不合適、工藝繁瑣或可行性差，及相當簡單但又不可避免的無可奈何的“錯、漏、碰”等問題。BIM技術(shù)可通過真實描述施工方案的三維數(shù)字模型實現(xiàn)施工方案3D可視化和4D虛擬仿真，實現(xiàn)實時交互的過程模擬，虛擬推演施工過程，動態(tài)檢查方案可行性以及存在問題，優(yōu)化施工裝備、工藝、工序。

(2) 利用BIM的4D模擬預(yù)現(xiàn)工料機等生產(chǎn)資源的配置，實現(xiàn)生產(chǎn)管理宏觀指導(dǎo)。例如，可通過Autodesk Navisworks導(dǎo)入NWC模型文件，得到虛擬仿真環(huán)境下的模型，建立虛擬仿真環(huán)境，再用Timeliner模塊添加施工步序時間任務(wù)項數(shù)據(jù)源CSV文件，生成虛擬環(huán)境下的時間任務(wù)項，并使用規(guī)則自動附著于模型，使得施工步序的時間任務(wù)項與模型構(gòu)件一一對應(yīng)，生成虛擬仿真環(huán)境下由時間驅(qū)動的4D 動態(tài)模型，從而實現(xiàn)施工方案的虛擬推演。

(3) 力圖實現(xiàn)隧道現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)適時指導(dǎo)。BIM技術(shù)常常結(jié)合現(xiàn)場工法、工序等，將BIM設(shè)計模型轉(zhuǎn)變?yōu)槭┕つＰ?，按施工組織實際情況，對施工資源(工、料、機)進行合理適時分配，做到生產(chǎn)、安全、質(zhì)量、進度、成本等的多方管理和控制，最大程度降低或避免無序管理造成失控。同時，BIM 模型有很好的三維渲染功能，利用VR技術(shù)給人以真實感和視覺沖擊，使管理、技術(shù)及作業(yè)各層級人員能更好地理解工程重點、難點、關(guān)鍵點、風險點，不斷優(yōu)化施工工法，減少乃至零返工，降低重復(fù)工序、無效工序的施工和管理成本。

(4) 做到監(jiān)測和預(yù)警，生產(chǎn)風險識別和風險管理，實現(xiàn)安全生產(chǎn)保障。以BIM模型為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)的進度動態(tài)三維在線、二維視角下的推進信息展示，可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測、質(zhì)量的監(jiān)控及周邊環(huán)境變化的監(jiān)控，及實時動態(tài)推進數(shù)據(jù)監(jiān)控與施工質(zhì)量動態(tài)智能預(yù)警，并實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的變化自動預(yù)警(距離實際要求還有一定差距，但這是未來的發(fā)展方向)，以及可實現(xiàn)對地下作業(yè)人員的動態(tài)定位、人員運動軌跡的動態(tài)三維顯示、人員訊息捕獲及人員所在區(qū)域的快速預(yù)警等。

(5) 通過監(jiān)控量測和超前預(yù)報與BIM技術(shù)的結(jié)合，力圖實現(xiàn)動態(tài)化設(shè)計施工。監(jiān)控量測即是要打通BIM 施工管理與現(xiàn)有監(jiān)控量測平臺之間的數(shù)據(jù)接口，集成現(xiàn)有監(jiān)控量測平臺，不增加現(xiàn)場技術(shù)人員工作量的前提下實現(xiàn)在BIM 模型上實時查看測點的數(shù)據(jù)、變形曲線及狀態(tài)。超前預(yù)報方面，以石鼓山隧道為例，采用TSP系列地震超聲波探測技術(shù)(物探)判斷前方地質(zhì)情況，雖不能獲取直觀詳細的空間地質(zhì)信息形成有效的三維地質(zhì)模型，但可通過超前地質(zhì)預(yù)報的信息化管理和三維BIM模型直觀顯示前方地質(zhì)情況與掌子面地質(zhì)的比較分析加以判斷，適時修訂，實現(xiàn)動態(tài)化設(shè)計和施工，很好的體現(xiàn)和發(fā)揮BIM技術(shù)的三維展示功能和作用。

(6) 信息化協(xié)同生產(chǎn)管理，個人理解，這才是BIM的技術(shù)核心和發(fā)展動力之所在。現(xiàn)階段基于BIM技術(shù)的信息化管理，重點是將項目管理和三維動態(tài)模型聯(lián)系起來，開發(fā)相應(yīng)的信息化管理系統(tǒng)，通過點擊三維模型相應(yīng)構(gòu)件，導(dǎo)出項目管理信息、工程進度等內(nèi)容，協(xié)助管理者及時準確掌控工程現(xiàn)場，讓決策者能在遠程指揮指導(dǎo)工程進展，避免了傳統(tǒng)的繁瑣呈報程序，減少了傳遞過程中的時效損失和信息誤差，并能動態(tài)調(diào)整方案。

3.4 運維管理方面的BIM技術(shù)應(yīng)用與研究進展

維護通常有事后維護、預(yù)防維護和預(yù)知維護三種，而后兩種屬于先決性維護，運營人員需根據(jù)已有信息查找病害源或風險隱性異常。改善隧道運維管理，需將運維中發(fā)現(xiàn)的常見病害和建筑資產(chǎn)間復(fù)雜關(guān)系相關(guān)聯(lián)，以此來捕捉各病害之間的空間、邏輯聯(lián)系。

為了解決隧道在運維中存在的問題，諸多學者進行了相關(guān)研究[32,38]。Akcamete等(2013)將建筑設(shè)備加入BIM模型中并整合日常巡檢信息和維修記錄，以BIM 模型為載體進行信息的篩選、查詢與解鎖；Hassanain等(2001)為資產(chǎn)維護管理提出了面向?qū)ο蟮哪Ｊ絹碇С植煌I(lǐng)域之間的信息交換；傳感技術(shù)廣泛使用后，胡振中等(2013)將BIM模型和二維碼技術(shù)結(jié)合，用于設(shè)備維護維修、設(shè)備識別和應(yīng)急管理；過俊等(2013)開發(fā)了建筑空間與設(shè)備管理系統(tǒng)，通過BIM 技術(shù)將設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合用于設(shè)備快速定位、查詢、維護管理；曹華(2013)通過監(jiān)控手段和信息化管理平臺實現(xiàn)隧道電力系統(tǒng)綜合管理；?，摰?2015)構(gòu)建了隧道全生命周期BIM 云平臺，為運維管理提供數(shù)據(jù)技術(shù)支持；李俊松等(2014)提出利用BIM 模型集成隧道信息并模擬火災(zāi)險情發(fā)生時人員的疏散路徑和通風組織；T．Park等(2014)利用BIM技術(shù)預(yù)估運維成本；A．Borrmann 等(2015)利用可視化和web技術(shù)將運營中的實時信息通過郵件發(fā)送給管理、輔助人員；龔佳琪等(2015)提出了依托BIM 可視化輔助下的病害決策分析思路，與日常監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，雖沒有能夠解決病害源分析和查找這個根本問題，但指出了大數(shù)據(jù)、云計算與BIM技術(shù)結(jié)合進行分析的新方向。

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到快速發(fā)展，并被嘗試結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道與地下工程等建筑領(lǐng)域[37]。建成隧道質(zhì)量監(jiān)控方面，豆海濤等(2011)提出了紅外熱像技術(shù)應(yīng)用，及滲漏水檢測和裂縫自動檢測方案；尚金光(2012)提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道變形監(jiān)控系統(tǒng)，通過開發(fā)多終端GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)程序，將三維監(jiān)測信息及自動檢測方法模型與基于OpenGL三維可視化模型集成，實現(xiàn)采集、通訊、預(yù)警和評估一體的物聯(lián)網(wǎng)控制體系。作業(yè)人員安全方面，葉英等(2009)設(shè)計了TMIGS系統(tǒng)，在隧道內(nèi)架設(shè)基站讓施工人員佩戴定位卡，進而能實時確定人員的具體位置；林陵娜等(2010)提出以RFID技術(shù)改良移動感應(yīng)器系統(tǒng)，在危險源安裝混合傳感器等設(shè)備并配合施工人員身上的感應(yīng)標簽，實現(xiàn)人機定位、危險源預(yù)警、重大設(shè)備控制等功能，并提出以RFID技術(shù)結(jié)合GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)構(gòu)建實時的監(jiān)控系統(tǒng)。施工管理方面，李宏偉(2016)強調(diào)了基于BIM技術(shù)的云平臺建管養(yǎng)模式，試圖將信息化與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合進一步向前推進。此外，張偉忠(2016)[31]在地鐵既有結(jié)構(gòu)物保護中應(yīng)用了BIM技術(shù)，可視其在施工或維護方面的應(yīng)用延伸。

4 隧道與地下工程中BIM技術(shù)存在的問題及解決思路[12-53]

4.1 技術(shù)層面的問題及解決思路

(1) 標準問題

主要涉及技術(shù)層面，同時也涉及管理層面。BIM技術(shù)的應(yīng)用是建立在相互協(xié)同的基礎(chǔ)之上，需要建模、制圖、施工模擬等軟件的相互配合，但是由于生產(chǎn)廠家的不同，如若沒有統(tǒng)一的平臺和數(shù)據(jù)標準，數(shù)據(jù)交換將成為困難，BIM技術(shù)的優(yōu)勢將難以體現(xiàn)。國際上，各發(fā)達國家均已制定適應(yīng)本國的行業(yè)標準體系，但由于中國引進BIM技術(shù)的時間較短，對于BIM標準的研究僅進行了一些基礎(chǔ)類的工作。同時，因為我國的建筑行業(yè)體制不統(tǒng)一，條塊化嚴重，工程技術(shù)標準不統(tǒng)一，以及建筑行業(yè)內(nèi)對于BIM法律體系的遺漏以及各方面技術(shù)人員的稀缺等等，都是導(dǎo)致BIM在我國隧道行業(yè)應(yīng)用時標準問題出現(xiàn)的原因。

(2) 軟件平臺問題

第一，目前多采用國外的BIM軟件，本土化程度較低，未考慮本國的地形條件、使用習慣、規(guī)范要求等，與其他軟件相配合時無疑需要二次開發(fā)，國內(nèi)也進行了一些二次開發(fā)相關(guān)的工作，但都未能推廣。以中國建筑行業(yè)使用最為廣泛的REVIT為例，單位制、界面表達、圖紙規(guī)范、建筑規(guī)范等都和國內(nèi)不同，和國內(nèi)實際甚至相差甚多，但是由于其功能齊全，因此在國內(nèi)一直較受歡迎。第二，建筑類BIM技術(shù)應(yīng)用的地質(zhì)條件較為簡單，現(xiàn)有的BIM軟件便可以滿足要求。但是對于隧道，特別是山嶺隧道而言，地質(zhì)復(fù)雜，隧道跨度大，現(xiàn)有的地質(zhì)軟件難以建立相應(yīng)的模型，并且現(xiàn)有的地質(zhì)軟件和BIM設(shè)計軟件多存在不兼容問題，因此BIM在中國隧道領(lǐng)域的應(yīng)用只能借助建筑BIM設(shè)計軟件或者制造業(yè)軟件，這必然導(dǎo)致軟件的應(yīng)用平臺不一致，比如ATUODESK、達索和BENTLY等等，平臺的不同必然導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)交流的困難。

(3) 解決思路

與BIM前景的定量評判問題研究相結(jié)合，推進理論研究，實現(xiàn)真正的BIM設(shè)計和施工及管理。BIM標準框架體系包括信息技術(shù)本身的標準，也包括針對企業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用的標準，企業(yè)級標準是BIM標準體系的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，在鐵路領(lǐng)域，中國鐵路工程總公司已經(jīng)著手研究BIM技術(shù)標準并取得了突破性的進展，目前已經(jīng)完成鐵路工程EBS分解和分類編碼標準。

就BIM模型而言，隧道建模平臺、地質(zhì)建模平臺和GIS平臺都還很不成熟，可以通過打通BIM軟件和相關(guān)優(yōu)秀的地質(zhì)建模軟件接口，以及其他分析應(yīng)用的軟件接口，分工協(xié)作、共創(chuàng)共享，并與我國隧道規(guī)范、BIM設(shè)計標準相結(jié)合，隧道工程的BIM設(shè)計應(yīng)用才好最終落到實地，管理應(yīng)用也才有載體和平臺，可為BIM的快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4.2 管理層面的問題及解決思路

我國項目管理主導(dǎo)模式是計劃方式下的DBB(desigh-bid-building)，限制了各方交流，阻礙了信息流動，遏制了BIM在隧道工程領(lǐng)域的發(fā)展。當前BIM在中國隧道領(lǐng)域的應(yīng)用基本依賴于特殊項目，對于一般的隧道工程，BIM只存在于設(shè)計階段，這與BIM所實現(xiàn)的全生命周期性相差甚遠。研究表明，施工方對BIM的應(yīng)用更有利于發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，BIM技術(shù)經(jīng)濟價值的體現(xiàn)也更加明顯。因此，改變現(xiàn)有的項目管理模式更有利于BIM在隧道工程領(lǐng)域的發(fā)展。

IPD集成產(chǎn)品開發(fā)(Integrated Product Development)是一套產(chǎn)品開發(fā)的理念模式，現(xiàn)在已發(fā)展成為一種新興的項目管理模式，與傳統(tǒng)的DBB管理模式相比，IPD偏重于考慮全項目過程中的利益，側(cè)重于項目團體的協(xié)作能力，可以說IPD管理模式與BIM優(yōu)勢的發(fā)揮異曲同工。

4.3 發(fā)展層面的問題及解決思路

(1) BIM與GIS結(jié)合問題

隧道工程多修建在山嶺中，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)模型難以建立，因此BIM在隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用相對困難。而GIS(Geographic Information System)是以地理空間信息數(shù)據(jù)為對象的空間屬性資訊系統(tǒng)，如若能將BIM技術(shù)和GIS技術(shù)融合使用，在現(xiàn)有GIS地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上進行BIM軟件模型的分析，將使得建模和分析的過程大為簡化。因此，BIM與GIS的有效結(jié)合將是BIM技術(shù)在中國隧道領(lǐng)域普及面臨的另一重要課題。

(2) BIM與智能設(shè)備結(jié)合的問題

目前BIM技術(shù)應(yīng)用的瓶頸在于不能將BIM技術(shù)與生產(chǎn)工具相結(jié)合，實現(xiàn)真正的BIM條件下的施工，因此智能設(shè)備的研究以及與BIM技術(shù)結(jié)合將是落地的重要方向，是BIM技術(shù)在隧道應(yīng)用上從概念應(yīng)用到實質(zhì)應(yīng)用的跨越性一步。

(3) BIM前景的定量評判問題

可以說，目前整個國際上均缺乏統(tǒng)一成熟的BIM 應(yīng)用效能測度方法，由于BIM 應(yīng)用的實際效果難以測度和量化，很多專家嘗試從不同角度提出新的BIM 應(yīng)用效能測度方法，目前尚未形成一種成熟統(tǒng)一的、被大家普遍接受的方法來切實論證BIM真正的效果，還處于不斷探索的過程中。

5 隧道與地下工程的BIM技術(shù)發(fā)展趨勢

5.1 技術(shù)生產(chǎn)方面的發(fā)展及影響

BIM技術(shù)首先是作為工具和平臺，其自身的發(fā)展，正如現(xiàn)在的電子硬件設(shè)備發(fā)展史一樣，市場化競爭將逐步優(yōu)選出更加實用的企業(yè)級標準作為行業(yè)標準，并在應(yīng)用過程中不斷完善和更新，吹盡狂沙始得金，沒有最好，只有更好。

對于交通組織和交通工程的設(shè)計理論來說，BIM技術(shù)的引入可能促使其進步，對原有的理論或方法進行揚棄性改造，但其基本規(guī)則仍會得以延續(xù)。

對于地質(zhì)或者巖土工程，作為工程建設(shè)的控制性條件，只有工程去適應(yīng)條件，沒有大規(guī)模削足適履以適應(yīng)工程建設(shè)的做法，這不經(jīng)濟，也不耐久。但是，地質(zhì)工程也不可能是化外之地，主流技術(shù)將圍繞三維數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作平臺、管理信息系統(tǒng)、標準化體系的建立展開。同時，巖土工程信息化是一個系統(tǒng)工程，信息技術(shù)的支持僅僅是其中的一方面，行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、管理機制的創(chuàng)新、項目管理水平的提升等，都將影響甚至決定了它的方向。

5.2 對生產(chǎn)關(guān)系的改造及影響

BIM設(shè)計將以協(xié)同工作為主，徹底改變現(xiàn)階段二維繪圖制作中廣大技術(shù)人員重復(fù)勞動、體力活動與腦力活動并重的生產(chǎn)方式，BIM自身作為工具、作為平臺、作為生產(chǎn)力將從事具體圖紙繪制操作中的人解放出來，更多地投入到方案研究和設(shè)計中，且不可避免地將裁汰部分冗員。另外一種可能就是專業(yè)IT公司+工程技術(shù)服務(wù)公司的設(shè)計模式，這將更加凸出個人專業(yè)技術(shù)能力、專業(yè)技術(shù)資質(zhì)的設(shè)計地位，推動社會結(jié)構(gòu)層面的協(xié)同設(shè)計組織形式的發(fā)展，促進設(shè)計單位轉(zhuǎn)型。

施工建設(shè)中BIM的全面應(yīng)用也將大大促進工具研發(fā)進程，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用，促進生產(chǎn)效能的更大幅提升，生產(chǎn)成本的更大幅降低，盡可能實現(xiàn)零報廢工程、零重復(fù)工程、零返工工程，也可能促使設(shè)備供應(yīng)商從銷售行業(yè)跨界提供生產(chǎn)服務(wù)，現(xiàn)有的施工總承包模式向管理保障服務(wù)轉(zhuǎn)型。并且，后期的運維服務(wù)也可以從設(shè)備供應(yīng)商和服務(wù)供應(yīng)商處購買。

對于科研而言，將可能向三個方向發(fā)展，一是基于BIM技術(shù)的物聯(lián)設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用，二是基于BIM技術(shù)及其協(xié)同平臺的研發(fā)和應(yīng)用，三則是基礎(chǔ)理論的研究。當然，作為設(shè)備和平臺，究竟還是隧道建設(shè)的工具，那么基礎(chǔ)理論的研究將回歸本質(zhì)。并且，隨著未來人類交通需求的不斷增長、宇宙探知的不斷深入、城市建設(shè)的大幅推進，地下空間的開發(fā)利用將是更加重要的課題，地下空間建設(shè)的巖土體穩(wěn)定性及長期效應(yīng)、地下空間的環(huán)境巖土工程、地下工程的災(zāi)害及減災(zāi)防災(zāi)理論和技術(shù)等基礎(chǔ)理論研究將擺在更加重要的位置。

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