BIM技術(shù)在我國(guó)隧道工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展

傅志超，李明田，周小鵬

（山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250357）

0 引言

BIM之父查克·伊斯曼教授于1975年在喬治理工大學(xué)提出建筑描述系統(tǒng)，并在該模式初次實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)化、由模型自動(dòng)生成二維圖紙、數(shù)據(jù)分析可視化、計(jì)劃施工組織與材料等功能[1]。1987年在一篇荷蘭語的論文中第一次有了建筑信息模型的概念[2]，Autodesk公司在2002年將BIM概念商業(yè)化，BIM技術(shù)革命便在全球范圍席卷開來。2011年5月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《2011-2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，開始了BIM在中國(guó)應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)在我國(guó)隧道工程中的應(yīng)用研究

隧道的隱蔽性及其狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，決定了研究隧道必須研究地質(zhì)，必須將隧道的地質(zhì)模型與結(jié)構(gòu)主體模型相結(jié)合[3]，這種設(shè)計(jì)理念對(duì)隧道工程的建設(shè)有了巨大的推動(dòng)。在BIM快速發(fā)展的新時(shí)代，BIM在勘察中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，勘察專業(yè)進(jìn)入三維時(shí)代已是大勢(shì)所趨[4]。

1.1 隧道勘察設(shè)計(jì)階段

2014年任曉春提出利用BIM與GIS融合的技術(shù)路線，為選線設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和決策分析，然后進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)[5]；2015年戴林發(fā)寶等結(jié)合三維工程地質(zhì)，模擬洞口邊仰坡開挖確定隧道進(jìn)口位置并采取合理隧道洞門形式，利用三維模型開挖直接計(jì)算土方量，再利用BIM4D技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工模擬、漫游項(xiàng)目[6]。鄭楠基于本特利平臺(tái)建立了地形地質(zhì)模型和隧道主體模型，然后優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化場(chǎng)地布置和合理施工機(jī)械選型，結(jié)合通風(fēng)軟件完成風(fēng)井和洞口定位；地形地質(zhì)模型與隧道模型耦合切取剖面，根據(jù)掌子面地質(zhì)變化調(diào)整施工方案；在設(shè)計(jì)上自動(dòng)生成工程量統(tǒng)計(jì)，使用鋼筋插件自動(dòng)配筋；完善結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)；集成工程數(shù)據(jù)，優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，方便查詢及管理各類信息和資料。伍尚前基于歐特克采用BIM模型及周邊GIS數(shù)據(jù)分析隧道圍巖地質(zhì)特征并進(jìn)行圍巖分級(jí)判別，再建立隧道結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)隧道模型在地質(zhì)模型中的位置進(jìn)行受力分析；連接模型得出重點(diǎn)處理的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)及綜合設(shè)計(jì)[7]。陳詩(shī)艾利用CIVIL3D構(gòu)建三維地質(zhì)模型，引入隧道模型后剖切獲得隧道縱斷剖面圖，由隧道周圍地層狀況優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。當(dāng)前正處于BIM技術(shù)研究的初期，模型設(shè)計(jì)基本以翻模為主，2018年徐博提出BIM正向設(shè)計(jì)流程，在地形地質(zhì)模型上進(jìn)行線路設(shè)計(jì)和工點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面庫(kù)、隧道洞身設(shè)計(jì)、隧道洞口設(shè)計(jì)、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)[9]。

1.2 隧道施工管理階段

2013年劉小方在越江隧道應(yīng)用AUTODESK與NAVISWORKS進(jìn)行道路翻交與管線排布，排除了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了協(xié)調(diào)效率[10]。裴作君在某隧道施工中應(yīng)用BIM技術(shù)做臨建工程及工程量統(tǒng)計(jì)，將監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和檢驗(yàn)資料載入模型，將復(fù)雜施工方法工藝制成動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)可視化交底[11]。李延在寶蘭客專石鼓山隧道建立基于BIM的地質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建、管理體系、交底模式、工程量統(tǒng)計(jì)、工法模擬、地質(zhì)模型等施工組織管理研究，將施工資料與管理人員信息等導(dǎo)入BIM協(xié)同管理平臺(tái)[12]。趙璐等在鐵路隧道施工方面進(jìn)行了4D虛擬施工及進(jìn)度動(dòng)態(tài)管理、質(zhì)量監(jiān)控和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警管理、施工資料信息集成管理及可視化交底應(yīng)用，并采用三級(jí)架構(gòu)平臺(tái)，為設(shè)計(jì)施工一體化和施工現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)管理提供技術(shù)平臺(tái)[13]。裴非飛以精細(xì)化管理為目的，明確系統(tǒng)框架體系及應(yīng)用組織體系進(jìn)行全生命周期管理平臺(tái)建設(shè)。張渤龍等利用模型進(jìn)行施工管理，在質(zhì)量管理中抓住材料質(zhì)量管理與施工過程質(zhì)量管理兩個(gè)方面，施工進(jìn)度管理涉及可視化的工程進(jìn)度安排、項(xiàng)目施工全過程模擬及施工工藝模擬，此外還有施工成本管理和施工安全管理[14]。張穩(wěn)濤根據(jù)工程量進(jìn)行精細(xì)化實(shí)體結(jié)構(gòu)碰撞檢查避免返工，通過建立地質(zhì)構(gòu)造和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)比分析隧道圍巖情況，適時(shí)調(diào)整施工方案，建立超、欠挖模型分析統(tǒng)計(jì)[15]。王秀林等采用基本模型+參考模型的方式組合拼裝，將BIM模型與施工資料和信息集成應(yīng)用，根據(jù)工作分解結(jié)構(gòu)模擬和優(yōu)化進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)度展示、分析和調(diào)整，模擬施工工藝，開發(fā)隧道質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)樣板區(qū)，搭建了項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺(tái)，通過網(wǎng)頁(yè)端和移動(dòng)端及時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各類狀況[16]。2017年劉洪瑞根據(jù)TSP實(shí)際預(yù)報(bào)結(jié)果，將破碎帶信息添加到隧道的三維地質(zhì)模型中[17]。錢七虎介紹我國(guó)復(fù)雜不良地質(zhì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控最新進(jìn)展，指出建設(shè)隧道應(yīng)基于大數(shù)據(jù)向智慧隧道發(fā)展[18]。劉思佳等基于Revit模型，以陶家夼隧道為例，結(jié)合全站儀、3D激光掃描技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備將隧道施工的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、圍巖狀況信息、圍巖支護(hù)信息、襯砌空洞信息以標(biāo)簽形式導(dǎo)入BIM模型中，實(shí)現(xiàn)病害信息在施工期間的動(dòng)態(tài)采集及病害區(qū)域的三維可視化[19]。

1.3 隧道運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)階段

龔佳琦等將隧道監(jiān)測(cè)及維護(hù)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，并用時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和高維時(shí)空關(guān)聯(lián)分析方法，分析各組件以及病害之間的關(guān)系，評(píng)估病害的危險(xiǎn)等級(jí)、成因，制定決策方案，通過漫游功能代替人工巡檢與BIM模型和用戶界面聯(lián)動(dòng)設(shè)置進(jìn)行可視化展示[20]。李明博等得到病害的坐標(biāo)后，通過病害展布圖CAD文檔提取病害的位置信息，用弧長(zhǎng)公式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式換算得到三維坐標(biāo)，提高了隧道養(yǎng)護(hù)效率。運(yùn)用BIM技術(shù)結(jié)合3D激光掃描技術(shù)和線形相機(jī)掃描技術(shù)等新檢測(cè)技術(shù)，可以快速高效進(jìn)行隧道病害檢測(cè)[21]。黃廷等人構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理平臺(tái)，通過可視化管理減少運(yùn)維管理應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間，提高運(yùn)維階段的信息化管理水平[22]。胡珉提出利用BIM模型與可視化的空間信息融合、監(jiān)測(cè)信息與控制信息融合，實(shí)現(xiàn)基于BIM的隧道空氣質(zhì)量控制與照明控制。同年胡珉等圍繞全生命周期信息，從信息規(guī)范、采集、組織和分析展開設(shè)計(jì)系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，將模型數(shù)據(jù)整體有序呈現(xiàn)出來，為隧道的信息查詢、多因素分析、快速有效的評(píng)估和決策提供新的手段[23]。

2 BIM在隧道工程中應(yīng)用的主要任務(wù)

隧道模型的用途決定了隧道模型的細(xì)節(jié)和精度，應(yīng)根據(jù)工程項(xiàng)目現(xiàn)有條件建立符合用途的地質(zhì)及結(jié)構(gòu)模型。隧道數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)中，所涉及的數(shù)據(jù)資料主要包括隧道結(jié)構(gòu)本身、地質(zhì)圍巖、環(huán)境資源、隧道管理人員、指導(dǎo)性施工方案（圖1）。

圖1 隧道數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

隧道信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)與地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)屬性信息、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等，可以直觀高效展現(xiàn)隧道模型信息；隧道3D模型數(shù)據(jù)庫(kù)是利用三維建模平臺(tái)完成的模型，主要含有圖片、文本、表格等信息；GIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)項(xiàng)目相關(guān)的各類地理信息數(shù)據(jù)，主要包括地形地質(zhì)、土地利用規(guī)劃等環(huán)境信息；隧道時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)是基于時(shí)間的數(shù)據(jù)集合在時(shí)間坐標(biāo)系中，可展示隧道趨勢(shì)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警，發(fā)揮指導(dǎo)施工的作用。不斷完善工程造價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如工程種類、投資規(guī)劃、結(jié)構(gòu)分布等工程造價(jià)指標(biāo)，將以往的工程應(yīng)用進(jìn)行分析和選用，再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和計(jì)算，然后調(diào)用隧道的各項(xiàng)相關(guān)信息，可更精確地計(jì)算出預(yù)算。

2.1 BIM在隧道工程決策設(shè)計(jì)階段的任務(wù)

BIM與GIS結(jié)合進(jìn)行線路規(guī)劃，結(jié)合氣象水文、地形地貌，為選線設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持與決策適應(yīng)性分析、工程場(chǎng)地適應(yīng)性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，分析隧道進(jìn)出口穩(wěn)定性，確定洞門選址及洞門形式；準(zhǔn)確掌握隧道的地形地質(zhì)情況有利于優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的查詢和分析評(píng)估，從而做出合理規(guī)劃、優(yōu)化選線布局，避免穿越嚴(yán)重不良地質(zhì)區(qū)域；創(chuàng)建地形地質(zhì)模型與隧道結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行洞口設(shè)計(jì)、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要建筑材料種類及技術(shù)要求、特殊地質(zhì)的設(shè)計(jì)等可視化BIM模型設(shè)計(jì)，在隧道設(shè)計(jì)階段建立結(jié)構(gòu)獨(dú)有構(gòu)件，Revit二次開發(fā)集成化，設(shè)計(jì)智能化，提高建模精度和效率；很多巖石力學(xué)問題是空間問題，將三維的隧道模型結(jié)合地質(zhì)模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，利用三維網(wǎng)絡(luò)模擬分析圍巖塊體在三維地質(zhì)模型中的穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，再結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)合隧道建筑限界、內(nèi)輪廓在隧道內(nèi)設(shè)置與交通量、環(huán)境相適應(yīng)的通風(fēng)照明等運(yùn)營(yíng)管理監(jiān)控設(shè)施，在規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)考慮使各設(shè)施系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性和可升級(jí)性；根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力特性、工程造價(jià)與機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)，在土建設(shè)計(jì)時(shí)及時(shí)溝通預(yù)留機(jī)電斷面所需洞口。

2.2 BIM在隧道工程施工管理階段的任務(wù)

基于IFC進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)集成管理和精細(xì)化管理。質(zhì)量方面有材料質(zhì)量管理和施工過程質(zhì)量管理，施工階段在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)、檢驗(yàn)資料和管理人員信息載入模型等質(zhì)量監(jiān)控和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全預(yù)警管理、結(jié)合地質(zhì)模型對(duì)比分析圍巖情況適時(shí)調(diào)整施工方案，復(fù)雜施工方法工藝制成動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)可視化交底等；施工中及時(shí)準(zhǔn)確整合開挖資料及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果完成地質(zhì)編錄，進(jìn)行圍巖分類和地質(zhì)評(píng)價(jià)，為后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建提供全面完整的地質(zhì)資料模型等；進(jìn)度管理實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度可視化、項(xiàng)目4D虛擬施工全過程模擬、進(jìn)度預(yù)警和輔助偏差分析，進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整，優(yōu)化施工組織方案的編制實(shí)現(xiàn)進(jìn)度跟蹤檢查；利用BIM結(jié)合RFID進(jìn)行物料的跟蹤，更好地優(yōu)化資源、工期配置，進(jìn)行數(shù)字信息化項(xiàng)目管理；搭建項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)平臺(tái)，支持網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)端的協(xié)調(diào)平臺(tái)幫助解決現(xiàn)場(chǎng)問題；實(shí)現(xiàn)隧道全生命周期協(xié)同工作和信息數(shù)據(jù)交互應(yīng)用，將數(shù)據(jù)資料在竣工模型中一并交付。

2.3 BIM在隧道工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的任務(wù)

構(gòu)建基于BIM技術(shù)的隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理平臺(tái)，在運(yùn)維階段可以及時(shí)查詢地質(zhì)資料，方便隧道維修；通過漫游功能代替人工巡檢，與BIM模型和用戶界面聯(lián)動(dòng)設(shè)置進(jìn)行可視化展示，方便制定維修計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)空間管理及災(zāi)害應(yīng)急模擬；BIM技術(shù)結(jié)合3D激光掃描技術(shù)和線形相機(jī)等檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行隧道病害檢測(cè)；利用BIM模型與可視化的空間信息融合、監(jiān)測(cè)信息與控制間隙融合，實(shí)現(xiàn)基于BIM的隧道空氣質(zhì)量控制與照明控制；BIM技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)進(jìn)行隧道的信息查詢、多因素分析、評(píng)估和決策。

3 結(jié)語

雖然BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用處于初步階段，但是BIM技術(shù)必然是實(shí)現(xiàn)隧道工程全壽命周期數(shù)據(jù)、信息管理的有力武器。

（1）隧道工程的建設(shè)應(yīng)從全生命周期的應(yīng)用出發(fā)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，業(yè)主應(yīng)在建模之初統(tǒng)籌協(xié)調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)各單位面臨的問題，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互應(yīng)用的開放管理。

（2）BIM模型與專業(yè)的隧道軟件無法無縫對(duì)接，需要不斷提高軟件二次開發(fā)水平，真正實(shí)現(xiàn)隧道信息模型的傳遞共享；隧道圍巖的滑移、垮落，巖質(zhì)邊坡的崩塌，可以通過確定巖質(zhì)邊坡的破壞面，利用三維網(wǎng)絡(luò)模擬分析圍巖塊體在三維地質(zhì)中的穩(wěn)定性解決空間問題。

（3）通過BIM模型解決隧道施工中的問題是BIM理念落實(shí)的關(guān)鍵，應(yīng)該提高施工精細(xì)化、安全智能化水平，不斷提高運(yùn)營(yíng)管理智慧化水平，優(yōu)化隧道養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)低碳化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字隧道向智慧隧道的轉(zhuǎn)變。