基于BIM技術(shù)的隧道工程施工信息集成與管理應(yīng)用研究

鄧小軍,劉肖群,董春暉

(山東交通職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊261206)

公路隧道施工是高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程,尤其是CRD法施工中的襯砌隧道作業(yè)面多、工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度管理、技術(shù)交底質(zhì)量要求高。目前，現(xiàn)場(chǎng)信息管理的手段相對(duì)落后,信息集成化程度低,例如，在進(jìn)度管理中仍多采用二維的橫道圖展示形象進(jìn)度,無(wú)法真實(shí)呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工工序的空間關(guān)系,難以準(zhǔn)確表達(dá)多個(gè)作業(yè)面的施工動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底一般是用二維CAD圖紙,現(xiàn)場(chǎng)施工人員的識(shí)圖能力參差不齊,致使現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底困難[1]。

BIM可視化虛擬仿真技術(shù),是以三維可視化數(shù)字模型為基礎(chǔ),利用數(shù)字仿真,模擬模型的三維幾何信息和非幾何信息(如進(jìn)度、材質(zhì)、體量)。通過(guò)創(chuàng)建面向工程結(jié)構(gòu)化對(duì)象的施工建筑信息模型(BIM),可視化展示工程結(jié)構(gòu)的體量以及施工方案難點(diǎn)。同時(shí)模型中加入時(shí)間維度,模擬施工工序,實(shí)現(xiàn)工程虛擬施工。于是基于BIM的可視化虛擬仿真技術(shù),為隧道施工創(chuàng)新發(fā)展提供了突破口。[2]

1 項(xiàng)目概況

隧道工程地處濟(jì)南市平陰縣,隧道位于平陰縣玫瑰鎮(zhèn)、東阿鎮(zhèn)與刁山坡鎮(zhèn)交界地帶的山坳里,北面是山坡,東西面是山體,南面是山溝,東南方向距離大套村民房約300 m,隧道洞口1 000 m范圍內(nèi)無(wú)國(guó)家級(jí)文物及重要設(shè)施,500 m內(nèi)無(wú)省級(jí)文物、重要設(shè)施,300 m內(nèi)無(wú)居民樓、醫(yī)院、學(xué)校等。153#墩高7 m,193#墩高21.5 m,由小里程向大里程設(shè)計(jì)最大坡度為12‰。

黑風(fēng)口隧道分左右兩幅,其中左幅起訖里程K319+495—K319+935,長(zhǎng)440 m；右幅起訖里程YK319+499-YK319+939,長(zhǎng)440 m,兩幅隧道間凈距約13 m,為小凈距短隧道。隧道左、右幅均位于直線(xiàn)段上。隧道左、右幅縱坡+1.400%～-2.600%。

2 基于高精度方法的隧道BIM模型構(gòu)建

2.1 前期準(zhǔn)備工作

1)在BIM模型構(gòu)建之前,團(tuán)隊(duì)對(duì)BIM具體實(shí)施大綱進(jìn)行了多次討論,并就其中的關(guān)鍵性步驟向現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員詢(xún)問(wèn)細(xì)節(jié),重視建模和應(yīng)用前期的目標(biāo)策劃與實(shí)施管理等基礎(chǔ)性工作。

2)根據(jù)公路隧道工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方案等,對(duì)BIM模型進(jìn)行合理的單元拆分和組織架構(gòu)策劃,開(kāi)發(fā)基于高精度方法的隧道施工BIM模型構(gòu)件庫(kù),由項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人與BIM技術(shù)人員共同完成BIM模型構(gòu)件庫(kù)組織結(jié)構(gòu)框架(圖1)、構(gòu)件(族)參數(shù)組織設(shè)計(jì)、模型屬性信息設(shè)置、視圖信息表達(dá)方法等,最終形成BIM模型構(gòu)件庫(kù)及相關(guān)成果的交付標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 BIM模型構(gòu)件庫(kù)組織結(jié)構(gòu)框架

2.2 BIM模型構(gòu)件庫(kù)

所謂面對(duì)具體項(xiàng)目的高精度方法,即按照隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,劃分不同的構(gòu)件類(lèi)型,直到滿(mǎn)足BIM施工管理精度的需要,并且定義構(gòu)件的幾何信息和屬性信息,最后再根據(jù)層級(jí)關(guān)系通過(guò)不斷的組裝就可以形成一個(gè)符合實(shí)際要求的完整隧道BIM模型[3],見(jiàn)圖2。

圖2 完整隧道BIM模型

高精度方法建模的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)企業(yè)的BIM模型構(gòu)件庫(kù),對(duì)于構(gòu)件管理的內(nèi)容主要包括構(gòu)件命名、構(gòu)件編碼、模型精度和追蹤反饋四個(gè)方面,其中模型精度包括幾何信息和屬性信息兩個(gè)類(lèi)型,是指構(gòu)件在模型劃分中的最小單元,在隧道BIM模型中各構(gòu)件的模型精度應(yīng)滿(mǎn)足施工管理的要求,并且能為未來(lái)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面提供準(zhǔn)確的信息[4]。

黑風(fēng)口隧道BIM模型圍巖級(jí)別劃分為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)一般、Ⅳ級(jí)加強(qiáng)、Ⅴ級(jí)四個(gè)等級(jí),構(gòu)件可劃分為超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱填充、排水槽等主要類(lèi)別。針對(duì)構(gòu)件的細(xì)部結(jié)構(gòu),建模時(shí)也需考慮進(jìn)一步合理化分解,從而方便標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的設(shè)計(jì),最后精確到尺寸規(guī)格的劃分程度。模型構(gòu)件命名規(guī)則使用“圍巖等級(jí)+構(gòu)件類(lèi)別+ 構(gòu)件類(lèi)型+細(xì)部結(jié)構(gòu)+尺寸”,見(jiàn)表1。例如Ⅳ級(jí)加強(qiáng)—二次襯砌—鋼筋網(wǎng)—襯砌鋼筋Φ8。構(gòu)件編碼可按照相應(yīng)的模型劃分等級(jí),從最高一層圍巖等級(jí)開(kāi)始確定第一部分的編碼,直到最后的尺寸規(guī)格確定末位的編碼。例如，在編碼0102030405中,01代表Ⅲ級(jí),02代表二次襯砌,03代表鋼筋網(wǎng),04代表襯砌鋼筋,05代表Φ8。

表1 模型構(gòu)件命名規(guī)則劃分表

2.3 隧道BIM模型的構(gòu)建

2.3.1 地形地質(zhì)模型

根據(jù)項(xiàng)目前期提供的場(chǎng)地測(cè)量數(shù)據(jù),在Autodesk CAD Civil3D中導(dǎo)入經(jīng)過(guò)處理后的測(cè)量數(shù)據(jù),基本完成了場(chǎng)地地形的繪制,形成三維的地形模型,見(jiàn)圖3。然后又將Civil3D中建立的地形模型導(dǎo)入Revit中,通過(guò)概念體量中的樣條曲線(xiàn)功能依次處理各個(gè)等高線(xiàn)的平面,初步完成了對(duì)場(chǎng)地附近的地質(zhì)模型創(chuàng)建,并且按照不同圍巖等級(jí)對(duì)地質(zhì)模型賦予了顏色用以區(qū)別,最后根據(jù)隧道在山體中的具體位置,利用布爾運(yùn)算對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了開(kāi)洞處理,形成了隧道竣工以后形成的場(chǎng)地模型[5],見(jiàn)圖4。

圖3 三維地形模型

圖4 竣工場(chǎng)地模型

2.3.2 隧道主體模型

BIM團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述BIM模型構(gòu)件庫(kù)的要求,對(duì)建模工作內(nèi)容進(jìn)行層層分解,各自完成分配的建模任務(wù),按照高精度方法進(jìn)行建模。Autodesk Revit中所有圖元對(duì)象都是基于“族”的,族就是前面提到BIM模型的構(gòu)件,每個(gè)族能夠在其內(nèi)部定義多種類(lèi)型,每種類(lèi)型可以具有不同形狀、尺寸、材質(zhì)等參數(shù)值。在項(xiàng)目中能夠根據(jù)具體需要調(diào)整參數(shù)并將其實(shí)例化。創(chuàng)建BIM模型的過(guò)程就是在不斷的實(shí)例化族類(lèi)型,類(lèi)似于“搭積木”。首先從最底部的細(xì)部結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格開(kāi)始,逐個(gè)繪制每個(gè)小的零部件,然后根據(jù)明確的層級(jí)關(guān)系,向上組裝形成各個(gè)構(gòu)件類(lèi)型,再由許多的構(gòu)件類(lèi)型組裝形成一個(gè)個(gè)構(gòu)件類(lèi)別,最后形成不同圍巖等級(jí)對(duì)應(yīng)的隧道施工標(biāo)準(zhǔn)段模型。見(jiàn)圖5。

圖5 隧道施工標(biāo)準(zhǔn)段模型

2.3.3 隧道附屬模型

考慮到后期進(jìn)行BIM應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需要,團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了相關(guān)的隧道附屬模型,見(jiàn)圖6。例如,為模擬開(kāi)挖巖體施工進(jìn)度、開(kāi)挖工程量計(jì)算及施工工藝模擬等內(nèi)容,完成了開(kāi)挖巖體模型及臨時(shí)支護(hù)模型的構(gòu)建；為便于施工信息準(zhǔn)確查看及資料集成管理,構(gòu)建了樁號(hào)牌、導(dǎo)視牌及公告欄等輔助模型；為模擬施工現(xiàn)場(chǎng)布置,還完成了臨時(shí)用房模型、施工工棚等模型；為進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)樣板區(qū)的VR體驗(yàn),完成了對(duì)施工樣板區(qū)布置的模型。

圖6 隧道附屬模型

2.3.4 隧道組裝模型

隧道組裝模型采用“基本模型+參考模型”的方式進(jìn)行組合拼裝,見(jiàn)圖7。具有以下特點(diǎn)：

圖7 隧道組裝模型

1)從建模者角度來(lái)說(shuō),在構(gòu)建體量較大的模型時(shí),不需要進(jìn)行繁瑣的構(gòu)件反復(fù)組合,可顯著提高建模效率,減少拼裝錯(cuò)誤。由于采用繁、簡(jiǎn)模型分離管理機(jī)制,當(dāng)BIM模型需要修改時(shí),只需按類(lèi)型對(duì)基本模型或者參考模型進(jìn)行修改即可,無(wú)須對(duì)所有BIM模型逐一進(jìn)行修改,從而大幅減少了修改模型工作量。[6]

2)從耗費(fèi)計(jì)算機(jī)資源角度來(lái)講,優(yōu)勢(shì)更為明顯。任何軟件對(duì)于體量較大的BIM模型都會(huì)表現(xiàn)得“力不從心”,會(huì)出現(xiàn)卡死或報(bào)錯(cuò)閃退現(xiàn)象。采用基本模型與參考模型的方式可以減小模型體量,有效避免上述問(wèn)題。

3)從BIM模型應(yīng)用角度來(lái)講,基本模型已能夠滿(mǎn)足目前施工階段的一般應(yīng)用,當(dāng)需要進(jìn)行BIM應(yīng)用的時(shí)候,則可以根據(jù)基本模型的類(lèi)型與相應(yīng)參考模型組合拼裝。例如,在進(jìn)行隧道工程三維可視化展示時(shí),根據(jù)隧道定位軸線(xiàn)及不同圍巖等級(jí)長(zhǎng)度,對(duì)隧道主體進(jìn)行了組裝,完成了隧道主體及場(chǎng)地模型的整體拼裝。

3 信息集成應(yīng)用研究

以建立的隧道整體模型為載體,在虛擬模型中集成施工資料,可直接基于模型進(jìn)行施工資料管理，三維可視化技術(shù)交底，向業(yè)主和監(jiān)理直觀展示相關(guān)資料和模型等,可解決施工管理過(guò)程中資料管理不集中，施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范查看不便，技術(shù)交底不直觀以及工藝和施工出現(xiàn)的問(wèn)題無(wú)法清楚地向業(yè)主和監(jiān)理解釋等問(wèn)題[7]。

3.1 隧道主體結(jié)構(gòu)屬性信息查詢(xún)與注釋

在集成應(yīng)用平臺(tái)中,可直接查看隧道三維模型并查看構(gòu)件屬性與進(jìn)行尺寸測(cè)量，以及通過(guò)構(gòu)件注釋鏈接施工現(xiàn)場(chǎng)圖片、視頻和施工資料,見(jiàn)圖8。為了更直觀表達(dá)隧道不同圍巖等級(jí)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其構(gòu)成信息,在不同圍巖等級(jí)轉(zhuǎn)換處,將模型進(jìn)行了剖切處理,從而可直觀查看各部分組成及相關(guān)重要信息,見(jiàn)圖9。

3.2 施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范集成與虛擬現(xiàn)場(chǎng)直接查看

為方便結(jié)合隧道模型進(jìn)行隧道施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)查看, 將《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTGF 60—2009)》中重要施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表格以三維表格的形式集成在平臺(tái)中,同時(shí)在各級(jí)圍巖轉(zhuǎn)換處以導(dǎo)視牌的形式鏈接相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 構(gòu)件屬性查詢(xún)和構(gòu)件注釋

圖9 剖切處理后信息查看

3.3 不同位置二維施工圖及施工工藝模擬動(dòng)畫(huà)集成

在不同圍巖等級(jí)轉(zhuǎn)換處設(shè)置導(dǎo)視牌,在導(dǎo)視牌上集成鏈接了對(duì)應(yīng)位置的二維施工圖,可直接查看二維施工圖,并可與三維隧道模型進(jìn)行對(duì)比查看。此外,集成鏈接了對(duì)應(yīng)的施工工藝模擬動(dòng)畫(huà),可直接查看,見(jiàn)圖10。

3.4 施工現(xiàn)場(chǎng)三維布置集成

隧道施工從出口開(kāi)挖,在出口處布置了施工用房、公告欄等,根據(jù)二維布置圖,建立了施工現(xiàn)場(chǎng)布置三維模型,并放置于施工資料與信息集成平臺(tái)模型中,可進(jìn)行布置合理性判斷和優(yōu)化調(diào)整,見(jiàn)圖11。

3.5 質(zhì)量檢查表及工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果集成

為便于查看隧道內(nèi)里程樁號(hào),建立了樁號(hào)牌模型, 并放置于隧道對(duì)應(yīng)位置。 在樁號(hào)牌位置集成鏈接了質(zhì)量檢查表及工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,便于與模型結(jié)合直接查看質(zhì)量檢查情況及工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖10 施工圖和模擬動(dòng)畫(huà)集成展示

圖11 施工現(xiàn)場(chǎng)三維布置集成

4 信息管理應(yīng)用研究

4.1 工程量統(tǒng)計(jì)

在施工過(guò)程中,根據(jù)二維圖紙計(jì)算工程量十分繁瑣、重復(fù)冗余,浪費(fèi)了大量的人力物力,且精度普遍不高,對(duì)工程質(zhì)量影響很大；而B(niǎo)IM數(shù)字信息模型具有精準(zhǔn)的三維體量,結(jié)合施工進(jìn)度,可以快速獲取階段工程量。結(jié)合進(jìn)度模擬模型,在模型中鏈接工程量查看與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 可在模型中直接打開(kāi)工程量計(jì)算表,自動(dòng)計(jì)算任意樁號(hào)間的工程量,并提供查詢(xún)功能。在進(jìn)度計(jì)劃模擬模型中,樁號(hào)牌位置可打開(kāi)對(duì)應(yīng)樁號(hào)位置工程量計(jì)算結(jié)果,方便查看與施工進(jìn)度對(duì)應(yīng)的工程量完成情況,見(jiàn)圖12。

4.2 施工進(jìn)度管理

4D施工進(jìn)度模擬是用Fuzor軟件的虛擬仿真環(huán)境,對(duì)3D幾何空間模型添加時(shí)間維度,虛擬推演實(shí)際施工過(guò)程。具體來(lái)說(shuō), 是將BIM模型與施工組織進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián),以進(jìn)度驅(qū)動(dòng)模型的虛擬仿真。

在進(jìn)度控制BIM應(yīng)用中,基于進(jìn)度管理模型,將收集實(shí)際進(jìn)度信息與進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)偏差分析結(jié)果,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整進(jìn)度計(jì)劃及進(jìn)度管理模型?？梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度跟蹤檢查、實(shí)際進(jìn)度可視化展示、實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度對(duì)比分析、進(jìn)度預(yù)警、進(jìn)度偏差分析、進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整與模擬[8]。

根據(jù)隧道開(kāi)挖巖體BIM模型,結(jié)合開(kāi)挖進(jìn)度計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖進(jìn)度模擬三維可視化、開(kāi)挖順序合理性判斷、開(kāi)挖計(jì)劃調(diào)整及計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比等功能,見(jiàn)圖13。圖12展示了施工進(jìn)度信息和橫道圖,對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行施工流水段、時(shí)間的定義,可清晰查看所有構(gòu)件的施工順序和時(shí)間節(jié)點(diǎn),通過(guò)對(duì)比分析施工計(jì)劃和實(shí)際施工進(jìn)度的狀態(tài),便于項(xiàng)目管理者實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌控施工進(jìn)度,確定最好的施工順序和時(shí)間節(jié)點(diǎn),快速調(diào)整施工資源,隨時(shí)為制定物資采購(gòu)計(jì)劃提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐,對(duì)項(xiàng)目成本管控提供技術(shù)支持,以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精細(xì)化施工管理。

圖12 隧道工程量統(tǒng)計(jì)查看

圖13 隧道開(kāi)挖4D進(jìn)度模擬

4.3 施工質(zhì)量安全管理

基于深化設(shè)計(jì)模型或預(yù)制加工模型創(chuàng)建質(zhì)量管理模型,基于質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程和施工資料規(guī)程確定質(zhì)量驗(yàn)收計(jì)劃,批量或特定事件時(shí)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收、質(zhì)量問(wèn)題處理、質(zhì)量問(wèn)題分析工作。在確定質(zhì)量驗(yàn)收計(jì)劃時(shí),利用模型針對(duì)整個(gè)工程確定質(zhì)量驗(yàn)收計(jì)劃,并將驗(yàn)收檢查點(diǎn)附加或關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的構(gòu)件模型元素或構(gòu)件模型元素組合上[9]。在質(zhì)量驗(yàn)收時(shí),將質(zhì)量驗(yàn)收信息附加或關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的構(gòu)件模型元素或構(gòu)件模型元素組合上。在質(zhì)量問(wèn)題處理時(shí),將質(zhì)量問(wèn)題處理信息附加或關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的構(gòu)件模型元素或構(gòu)件模型元素組合上。在質(zhì)量問(wèn)題分析時(shí),利用模型按部位、時(shí)間等角度對(duì)質(zhì)量信息和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行匯總和展示,為質(zhì)量管理持續(xù)改進(jìn)提供參考和依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)部位二維、三維圖紙交互查看、虛擬環(huán)境下模型信息查詢(xún)、移動(dòng)端進(jìn)行安全質(zhì)量檢查,將檢查記錄存入到模型內(nèi),隨時(shí)通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行查詢(xún),進(jìn)行安全質(zhì)量管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

將BIM技術(shù)應(yīng)用在隧道工程,需要按照工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)建立標(biāo)準(zhǔn)化的BIM模型構(gòu)件庫(kù), 滿(mǎn)足施工管理應(yīng)用的精度要求。利用面向隧道工程的高精度建模方法,快速構(gòu)建公路隧道施工BIM模型,可實(shí)現(xiàn)輔助隧道工程施工組織3D可視化設(shè)計(jì)和4D施工動(dòng)態(tài)管理等功能；并且可以在施工前盡可能地解決設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題,一定程度上消除設(shè)計(jì)施工分離造成的弊端,還可以利用BIM模型豐富的信息屬性實(shí)現(xiàn)隧道工程施工的數(shù)字化,實(shí)現(xiàn)可視化、集成化管理,提高項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管控能力[10]。同時(shí),施工單位驅(qū)動(dòng)的BIM應(yīng)用模式為BIM技術(shù)的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐與保證。從上述工程實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn),BIM技術(shù)可以為設(shè)計(jì)施工一體化和施工現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)管理提供良好的技術(shù)支持平臺(tái),在未來(lái)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用空間都很大,仍需要積極探索與實(shí)踐。