建筑信息模型(BIM)技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

李曉軍，田吟雪，陳樹汪，王安民

(1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

建筑信息模型(BIM)技術(shù)已在土木工程多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)美國國家建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)項目委員會對BIM的定義，BIM是指設(shè)施的物理和功能特性的數(shù)字化表述[1]。從本質(zhì)上講，BIM是一個包含工程項目設(shè)計、施工、運營、管理和維護階段的全壽命共享數(shù)據(jù)庫，能夠有效地提高項目進度和效率，控制項目成本，降低項目風(fēng)險[2]。2012年以來，我國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部先后發(fā)布《關(guān)于印發(fā)2012年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定修訂計劃的通知》、《關(guān)于推進BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的指導(dǎo)意見》等文件，明確我國BIM發(fā)展的目標(biāo)，促進建筑工程領(lǐng)域發(fā)布一系列BIM標(biāo)準(zhǔn)[3-7]。2017年，交通運輸部提出《推進智慧交通發(fā)展行動計劃》，推動BIM技術(shù)在重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項目全壽命周期的應(yīng)用。截至2018年底，全國共發(fā)布40多項BIM相關(guān)政策及標(biāo)準(zhǔn)，旨在加速推進BIM技術(shù)在土木工程各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

由于隧道工程具有帶狀分布、與地質(zhì)條件密切相關(guān)等特征[8]，BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用與建筑工程相比還有一定的差距。為了加強BIM技術(shù)在隧道工程中的適用性，進一步落實隧道工程信息化管理，從BIM標(biāo)準(zhǔn)、信息建模技術(shù)、全壽命周期應(yīng)用等方面，對BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述與分析，旨在找出BIM技術(shù)應(yīng)用于隧道工程的瓶頸問題，提出建議供同行參考。

1 BIM標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與分析

1.1 國內(nèi)外BIM標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1.1 國外BIM標(biāo)準(zhǔn)

隧道工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字化和信息化的基礎(chǔ)[9]，包括工程數(shù)據(jù)的名稱、代碼、分類編碼、數(shù)據(jù)類型、精度、單位、格式和元數(shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)形式[10]，有助于隧道工程數(shù)字化工作高效有序開展[11]。國際數(shù)據(jù)互用聯(lián)盟(IAI)1995年提出的IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]和國際地理信息開放聯(lián)盟(OGC)2002年制訂的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CityGML[13]包含的隧道信息極少，美國設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(SDSFIE)[14]和美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(ESRI)制訂的交通數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中包含了隧道，但僅是對隧道外形輪廓的描述[15]。美國2007年發(fā)布國家BIM標(biāo)準(zhǔn)[1]，現(xiàn)已更新至第3版，已成為歐洲、北美、韓國及多個英聯(lián)邦國家制定BIM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)[16]。英國、挪威、澳大利亞、荷蘭、新西蘭等國先后發(fā)布BIM標(biāo)準(zhǔn)，制訂基于IFC模型交換的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋BIM在建筑工程各階段的應(yīng)用要求與功能。新加坡、日本、韓國等國家先后發(fā)布BIM指南或手冊，涵蓋建筑工程領(lǐng)域BIM建模規(guī)范和協(xié)作程序，國外BIM技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1?？傮w上，國外BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前尚未包含隧道工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)IFC標(biāo)準(zhǔn)的buildingSMART國際組織計劃于2021年6月推出針對隧道工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC Tunnel。

表1 國外BIM技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Foreign standards of BIM technology

1.1.2 國內(nèi)BIM標(biāo)準(zhǔn)

我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部已發(fā)布一系列BIM技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)，包括分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)[3]、設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)[4]、施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[5]和應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6]，如表2所示。這些標(biāo)準(zhǔn)可分為基礎(chǔ)技術(shù)性標(biāo)準(zhǔn)和實施應(yīng)用性標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)技術(shù)性標(biāo)準(zhǔn)又分為分類與編碼、存儲與交換2個細(xì)類；實施應(yīng)用性標(biāo)準(zhǔn)分為建模、交付和應(yīng)用3個細(xì)類。

表2 國內(nèi)BIM技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)Table 2 National standards of BIM technology in China

在城市軌道交通工程領(lǐng)域，北京市與深圳市發(fā)布了城市軌道交通設(shè)施設(shè)備分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)[18-19]，上海申通地鐵集團有限公司和上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會發(fā)布了城市軌道交通工程信息模型建模指導(dǎo)意見[20]、城市軌道交通信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)[21]和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[22]，規(guī)定了地鐵隧道工程設(shè)施設(shè)備的分類與編碼要求、建模流程、交付內(nèi)容以及在工程各階段中需具備的功能與提交的成果。

在鐵路工程領(lǐng)域，中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布了較為完善的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系[23-35]，包括分類與編碼、儲存與交換、交付和應(yīng)用等類別，對鐵路工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用起到了重要的推動作用。該BIM標(biāo)準(zhǔn)體系覆蓋了路基、橋梁、隧道等工程對象，對于推動隧道工程BIM技術(shù)應(yīng)用同樣起到了重要作用。

在公路工程領(lǐng)域，江蘇省發(fā)布了公路工程信息模型分類和編碼規(guī)則[36]，包含公路隧道分項工程的分類方法與編碼規(guī)則，為BIM技術(shù)在公路隧道工程的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

我國隧道工程相關(guān)領(lǐng)域信息模型規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)見表3。相比于鐵路工程和城市軌道交通工程，目前公路工程領(lǐng)域的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系制訂工作相對滯后。

表3 我國隧道工程相關(guān)領(lǐng)域信息模型規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Specifications and standards of information model in related fields of tunnel engineering in China

1.2 隧道工程領(lǐng)域BIM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展分析

綜合國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域信息模型標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，我國隧道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較為領(lǐng)先，對BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用起到重要推動作用。但是，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)仍存在一定局限性。1)與隧道工程密切相關(guān)的地質(zhì)信息模型標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，例如《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》[26]指出，巖土體類型使用動態(tài)擴展的方法引用《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[24]中“表60-地理信息”的相關(guān)條目進行定義，實質(zhì)上是將地質(zhì)信息模型的工作留給使用人員自行補充。2)鐵路工程信息模型標(biāo)準(zhǔn)體系雖然較為全面，但其中隧道工程的信息模型標(biāo)準(zhǔn)主要適用于設(shè)計階段，而不適用于施工階段；對于隧道工程而言，地質(zhì)條件變化經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計變更，因此，設(shè)計階段的BIM應(yīng)用若要延伸到施工階段，則還需要做大量的工作。3)不同領(lǐng)域的隧道工程信息模型標(biāo)準(zhǔn)體系的完善程度不同；與鐵路工程相比，城市軌道交通工程建筑領(lǐng)域缺少存儲與交換類別的標(biāo)準(zhǔn)，公路工程領(lǐng)域的信息模型標(biāo)準(zhǔn)則更少。4)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)未能覆蓋隧道工程的全壽命周期。

針對上述問題，現(xiàn)階段應(yīng)根據(jù)隧道工程的特點，不斷完善現(xiàn)有信息模型標(biāo)準(zhǔn)，補充隧道地質(zhì)信息模型和施工階段信息模型的內(nèi)容，形成專門針對隧道工程的信息模型標(biāo)準(zhǔn)，促進不同行業(yè)隧道工程的BIM技術(shù)應(yīng)用。從長期來看，還需要推進隧道運營維護階段信息模型標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

2 隧道工程信息建模技術(shù)現(xiàn)狀與分析

2.1 隧道工程信息建模技術(shù)現(xiàn)狀

2.1.1 隧道結(jié)構(gòu)BIM建模

現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)BIM建模方法可分為：1) 提取隧道軸線、建立參數(shù)化模型單元、將模型單元沿軸線拼接；2) 開發(fā)隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，根據(jù)軸線坐標(biāo)和參數(shù)化斷面設(shè)計，建立一體化隧道結(jié)構(gòu)模型。目前主流的BIM建模軟件缺少隧道結(jié)構(gòu)所需的模型族庫，直接建立隧道結(jié)構(gòu)模型存在諸多不便。

1)在山嶺隧道方面，文獻[37]基于IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)，對鐵路工程常用緩和曲線統(tǒng)一參數(shù)表達、里程系統(tǒng)和非幾何屬性等進行擴充與修改，實現(xiàn)隧道中心線數(shù)據(jù)精確傳遞，自動生成線路中心線對象;文獻[38]利用Microstation軟件建立能夠重復(fù)使用、參數(shù)驅(qū)動的隧道三維模型單元，提高設(shè)計效率和模型標(biāo)準(zhǔn)化程度;文獻[39]將不同圍巖等級的參數(shù)化單元構(gòu)件模型根據(jù)地質(zhì)情況，沿三維軸線拉伸和拼裝形成整條隧道模型。2)針對隧道中存在的橫通道等附屬結(jié)構(gòu)，文獻[40]開發(fā)了洞室與暗洞相交點的自動剪切程序，提高隧道接口處建模的效率。3)在盾構(gòu)隧道方面，文獻[41-42]建立盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化模型，根據(jù)隧道線路自動計算每環(huán)管片安裝位置坐標(biāo)和方向向量，通過拼裝形成盾構(gòu)隧道整體結(jié)構(gòu)模型。除通過拼接模型單元建立完整隧道外，文獻[43]基于BIM軟件開發(fā)隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，通過坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成三維軸線，經(jīng)參數(shù)化斷面設(shè)計后建立洞身模型，并附加構(gòu)件屬性信息，最后對橫通道進行自動識別和剪切，得到一體化隧道結(jié)構(gòu)模型。

上述建模方法均已較為成熟，能夠方便且較為準(zhǔn)確地建立隧道結(jié)構(gòu)BIM模型。然而在一些結(jié)構(gòu)特殊部位，例如結(jié)構(gòu)形式改變處、橫通道處等，一般需要進行較多的人工處理。

2.1.2 BIM與GIS集成

隧道工程信息模型需要將結(jié)構(gòu)信息模型與地形地質(zhì)信息模型相結(jié)合，以保證其完全性。結(jié)構(gòu)信息模型主要在BIM軟件中建立，地形地質(zhì)信息模型主要在GIS軟件中建立[2]，兩者集成在一起有3種做法：1)將GIS數(shù)據(jù)載入BIM。例如，文獻[44]采用PowerCivil軟件建立隧道模型與地形地質(zhì)三維模型，通過IFD編碼實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)屬性信息的附加，將地質(zhì)模型與隧道結(jié)構(gòu)模型集成于BIM平臺；文獻[45]通過二次開發(fā)，將GIS空間分析得到的地質(zhì)風(fēng)險評估結(jié)果顯示在BIM平臺上，實現(xiàn)對GIS數(shù)據(jù)的管理。2)將BIM模型載入GIS。文獻[46]在GIS中集成隧道BIM模型、三維地形地質(zhì)模型，利用數(shù)據(jù)庫存儲隧道線形定位坐標(biāo)與地質(zhì)巖溶信息，實現(xiàn)隧道定位、巖溶病害查詢等功能。3)將BIM與GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入第三方平臺集成，利用ID建立2個模型之間的準(zhǔn)確映射，將幾何模型和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)[47]，集成于Web等平臺綜合分析隧道安全風(fēng)險[45]。

以上方法通過ID映射關(guān)聯(lián)幾何與屬性信息，均能有效地將隧道工程BIM模型與GIS數(shù)據(jù)集成，避免數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)關(guān)注協(xié)同設(shè)計、仿真模擬、工程量計算與出圖等應(yīng)用時，將GIS數(shù)據(jù)載入BIM平臺的做法更具優(yōu)勢；當(dāng)關(guān)注施工進度管理、地質(zhì)災(zāi)害與風(fēng)險評估等功能時，將BIM模型載入GIS的做法更具優(yōu)勢。

2.1.3 LOD分級與模型輕量化

在展示隧道高精度模型時，特別是對于長隧道和特長隧道，往往難以保證其可視化效率[48]，會影響B(tài)IM在隧道工程應(yīng)用的用戶體驗?！冻鞘熊壍澜煌ㄐ畔⒛Ｐ图夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[22]與《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》[30]根據(jù)隧道的階段和用途劃分了模型精度與細(xì)節(jié)層次(LOD,Level of Detail)，并明確規(guī)定各級模型應(yīng)包含的構(gòu)件內(nèi)容，為模型輕量化提供基礎(chǔ)。文獻[39]采用LOD3.0精度建立完整隧道模型，在重要工點采用LOD3.5精度模型，在保證關(guān)鍵節(jié)點精度的同時縮減完整隧道的數(shù)據(jù)量。文獻[49]提供隧道全景模型、隧道實景和變電所3個不同LOD的情境體驗，分別展示整條隧道的土建結(jié)構(gòu)和周邊地理信息、隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件和周邊道路、變電所內(nèi)設(shè)備的基本信息和工作動態(tài)，實現(xiàn)了隧道模型輕量化。文獻[50]定義了不同LOD所包含的隧道構(gòu)件及精細(xì)程度，根據(jù)用戶視角與隧道模型的距離的變化，動態(tài)加載不同LOD等級的隧道模型，有效提高了隧道模型的可視化效率。文獻[51]提出了盾構(gòu)隧道多尺度幾何信息模型的表達方法，將盾構(gòu)隧道的IFC模型與LOD結(jié)合，提高了可視化效率，并且在低LOD模型上做出的修改可以自動更新高LOD模型[52]。

目前，隧道模型的LOD分級的做法已逐漸普及，有利于實現(xiàn)工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性。但是如何將模型LOD分級與模型輕量化展示相結(jié)合，更多地需要依賴可視化軟件技術(shù)的實現(xiàn)。

2.2 隧道工程信息模型建模技術(shù)分析

盡管主流的BIM建模軟件缺少隧道結(jié)構(gòu)所需的模型族庫，但是通過二次開發(fā)或輔助設(shè)計系統(tǒng)，隧道結(jié)構(gòu)BIM建模技術(shù)已基本成熟。下一步需要重點解決結(jié)構(gòu)形式改變處、橫通道處等特殊位置的高效建模問題，以及設(shè)計變更時隧道模型的自動更新問題。在結(jié)構(gòu)信息模型與地形地質(zhì)信息模型集成方面，目前技術(shù)已日趨成熟且有多種實現(xiàn)方式，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求特點來選擇具體采用哪種集成方式。在隧道模型LOD分級方面，目前已基本達成共識，但在模型輕量化展示上，更多需要軟件技術(shù)支持。

3 BIM技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

3.1 BIM技術(shù)在隧道工程各階段中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1.1 規(guī)劃與勘查階段

美國國家建筑科學(xué)研究院在國家標(biāo)準(zhǔn)中總結(jié)了BIM技術(shù)在項目中的應(yīng)用，其中包括規(guī)劃階段，2013年上海市規(guī)劃國土資源局發(fā)布了《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)劃方面應(yīng)用的作用與地位[53]，然而BIM技術(shù)在隧道等地下工程規(guī)劃與勘查階段的應(yīng)用案例仍然少見報道[54]。

3.1.2 設(shè)計階段

隧道工程設(shè)計階段一項重要工作是通過計算確定隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸和材料用量。1)基于隧道工程BIM模型，通過提取模型中的幾何與屬性等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能夠自動生成有限元計算模型[55-56]，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，在保證安全的同時降低工程成本。文獻[57]提出了用于盾構(gòu)隧道掘進過程信息建模、結(jié)構(gòu)分析和可視化設(shè)計的SATBIM平臺，開發(fā)了全自動隧道建模器，建立不同LOD的數(shù)值模型，實現(xiàn)了高度自動化的模型生成、設(shè)置和執(zhí)行功能，有效提高計算效率。2)文獻[58]通過提取地層數(shù)據(jù)與隧道幾何數(shù)據(jù)，生成隧道BIM模型，結(jié)合二次開發(fā)，進行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入FLAC軟件實現(xiàn)有限元計算，并將計算結(jié)果導(dǎo)入BIM模型進行渲染，實現(xiàn)基于BIM的有限元計算結(jié)果可視化。3)隧道結(jié)構(gòu)BIM模型能夠?qū)崿F(xiàn)正洞、附屬洞室、輔助坑道等工程量的自動計算與輸出，提高建設(shè)成本計算的精度和效率[59]。4)在BIM軟件中修改三維模型能夠自動更新二維圖紙，實現(xiàn)二維輔助出圖，在設(shè)計變更時提高工作效率[60]。5)隧道BIM模型可以和通風(fēng)、機電、給排水等集成在一起，實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計與信息共享[61]，在工程施工前進行碰撞檢查，避免出現(xiàn)空間矛盾等問題[62]。文獻[52]建立了盾構(gòu)隧道多尺度協(xié)作平臺，支持多個用戶同時修改模型，實現(xiàn)隧道工程協(xié)同設(shè)計，有效提高建模與設(shè)計效率。在鐵路工程領(lǐng)域，已有多項研究探索BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用。文獻[43]基于Bentley平臺開發(fā)隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，根據(jù)圍巖狀況精確建立隧道設(shè)計模型，并結(jié)合IFC/IFD編碼標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)自動附加工程信息，建立完整的鐵路隧道輔助設(shè)計流程。

BIM技術(shù)在隧道工程設(shè)計階段已日趨成熟，逐步應(yīng)用于有限元模型的自動生成和計算結(jié)果可視化、工程量統(tǒng)計、二維輔助出圖、碰撞檢查等多個方面。

3.1.3 施工階段

施工安全與風(fēng)險管控、進度和質(zhì)量管理是隧道施工階段的重要關(guān)注點，BIM技術(shù)的應(yīng)用對此有著重要的推動作用。

1)采用基于BIM的4D虛擬施工技術(shù)，在施工前通過施工方案模擬，有助于確定最佳施工順序和時間節(jié)點，使施工人員更加直觀地掌握施工技術(shù)[63]。

2)基于BIM的施工進度管理，通過填報施工組織計劃和電子施工日志，能夠生成格式化施工進度報表，實現(xiàn)施工進度計劃編制、施工進度形象跟蹤、施工進度對比等三維可視化監(jiān)控與分析[64]。文獻[65]提出了基于BIM的盾構(gòu)隧道施工可視化輔助系統(tǒng)，結(jié)合傳感設(shè)備進行數(shù)據(jù)實時采集與處理，從數(shù)據(jù)層、模型層、服務(wù)層和應(yīng)用層展開對隧道工程中設(shè)備、材料、進度、人員、質(zhì)量與安全的動態(tài)化和智能化管理，在保證隧道整體施工質(zhì)量和安全風(fēng)險防范等方面取得了良好效果。文獻[66]開發(fā)了隧道BIM移動端應(yīng)用平臺，現(xiàn)場作業(yè)人員通過手機移動端將施工進度、施工質(zhì)量和施工安全等信息上傳和發(fā)布至平臺，實現(xiàn)施工進度、施工質(zhì)量、施工安全的可視化管理和信息共享。

3)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報的風(fēng)險評估信息，建立隧道施工安全風(fēng)險識別系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)[67]，能夠?qū)κ┕ぐ踩珷顟B(tài)進行監(jiān)控[68]，實現(xiàn)施工安全風(fēng)險控制。文獻[45]集成了地鐵隧道結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型，實時反饋隧道施工中遇到的巖性變化、可能遭遇的地質(zhì)災(zāi)害及其危險程度，并整合施工進度、隧道結(jié)構(gòu)變形、地面沉降、建筑物沉降傾斜等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析地鐵隧道施工安全。文獻[69]以京張高鐵清華園隧道工程為例，建立隧道BIM質(zhì)量管理平臺，實現(xiàn)可視化進度管理、施工動態(tài)監(jiān)控、動態(tài)風(fēng)險三維預(yù)警等應(yīng)用，提高工程建設(shè)信息化管理水平。

由此可見，BIM技術(shù)在隧道施工階段已成功應(yīng)用于隧道施工方案模擬、施工進度可視化監(jiān)控、施工質(zhì)量管理、工程風(fēng)險預(yù)警等多個方面，并發(fā)揮出越來越重要的作用。隧道在施工中的地質(zhì)條件變化和不良地質(zhì)體是重要風(fēng)險源，由此引起的設(shè)計變更較為常見，如何基于BIM技術(shù)實現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報和掌子面地質(zhì)素描等地質(zhì)信息綜合管理、安全風(fēng)險分析、施工變更處理、模型自動更新等工作的高效信息化處理，對于提高隧道工程信息化管理水平具有重要的作用，BIM在這方面的應(yīng)用需要進一步加強。此外，隧道施工過程中的自動化和智慧化決策程度較低，未來應(yīng)將BIM技術(shù)與大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合，建立能夠自主判斷和決策的隧道施工風(fēng)險管理系統(tǒng)。

3.1.4 運營維護階段

隧道在運營維護階段易出現(xiàn)裂縫和滲漏水等病害，傳統(tǒng)上病害以展開圖、調(diào)查表等方式記錄和展示[70]，可視化和信息化程度較低。BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高運營維護階段中隧道監(jiān)測與病害數(shù)據(jù)管理的效率，目前在隧道工程領(lǐng)域已取得以下成果：1)通過BIM模型和動態(tài)監(jiān)測預(yù)警，顯示結(jié)構(gòu)變形、滲水和破壞等情況的位置，有助于及時采取措施控制危險源[60]；2)將病害圖像導(dǎo)入隧道BIM模型，實現(xiàn)隧道病害三維可視化效果展示，能夠有效提高隧道的安全狀況評定、日常維護和管理等工作的效率[71]，基于BIM模型開發(fā)虛擬巡檢功能，管理人員能全面掌握隧道內(nèi)部情況，對隧道病害做出在線診斷和快速響應(yīng)[49]；3)將隧道設(shè)施設(shè)備錄入隧道工程BIM模型，綁定其編號和名稱，有助于快速獲取設(shè)施設(shè)備的資料信息，實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的定期檢查和管理[72]，同時，設(shè)施設(shè)備的定期檢查和維護會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在BIM基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)施設(shè)備管理模塊，儲存和管理維修記錄，形成完整閉合的信息流，有助于避免信息在保存過程中流失[73]；4)基于BIM開發(fā)隧道應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)，有利于迅速確定和發(fā)布災(zāi)害位置信息，及時切斷受損設(shè)備，防止受影響范圍的進一步擴大[73]。

在隧道運營維護階段，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于實時動態(tài)監(jiān)測預(yù)警、病害信息可視化、設(shè)施設(shè)備維護管理、突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案管理等方面，實現(xiàn)了不同專業(yè)之間的信息共享，有利于提高管理人員工作效率，保障隧道安全運營。未來BIM技術(shù)應(yīng)與運營維護階段大數(shù)據(jù)管理和智能分析相結(jié)合，為結(jié)構(gòu)性能評定、維護養(yǎng)護方案制訂和優(yōu)化等提供輔助決策依據(jù)，為隧道的智慧運營維護奠定基礎(chǔ)。

3.1.5 全壽命周期

隧道BIM模型作為工程全壽命信息的載體，應(yīng)當(dāng)在全壽命周期中得到持續(xù)應(yīng)用。文獻[74]基于BIM平臺驗證和完善鐵路工程IFC與IFD標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)BIM模型由設(shè)計階段向施工階段的轉(zhuǎn)換，為BIM技術(shù)在鐵路工程全生命周期的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。文獻[75]遵循全壽命理念提出隧道協(xié)同管理平臺，覆蓋規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營維護4個階段，包含構(gòu)件庫、模型、地形、進度、成本、質(zhì)量、能耗和安全等系統(tǒng)，然而該平臺目前尚未應(yīng)用于實際工程。文獻[76]提出鐵路工程建設(shè)信息化全壽命周期管理平臺，建立基于BIM技術(shù)的行業(yè)統(tǒng)一私有云平臺，在深化設(shè)計、施工和運營維護等階段實現(xiàn)鐵路工程質(zhì)量、進度、安全等全方位管理。文獻[77]提出基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)iS3系統(tǒng)，基于信息流的思想，將信息化過程分為采集、處理、建模、表達、分析和服務(wù)等組成部分，通過建立與GIS和BIM等軟件開放式接口，實現(xiàn)全壽命周期階段信息的集成，并提供面向工程應(yīng)用的智慧化服務(wù)[78]。

上述研究表明，BIM技術(shù)在隧道工程全壽命周期中的持續(xù)應(yīng)用已經(jīng)得到城市軌道交通、鐵路、公路等行業(yè)的高度重視，但目前公開發(fā)表的成功案例還比較少，多數(shù)是如何打通設(shè)計與施工或施工與運營維護等2個不同階段的障礙。這與隧道工程涉及單位多、信息種類多、數(shù)據(jù)格式多、信息分散等多方面因素有關(guān)。隨著BIM技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的進一步普及應(yīng)用，應(yīng)加強全壽命周期集成平臺的開發(fā)，實現(xiàn)多來源、多類型信息集成與應(yīng)用。

3.2 BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用分析

現(xiàn)有研究表明，BIM技術(shù)在隧道工程的設(shè)計、施工和運營維護中已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，其中在設(shè)計階段的應(yīng)用最為成熟，在施工階段和運營維護階段的應(yīng)用也越來越深入。目前，BIM技術(shù)在施工階段應(yīng)在多源地質(zhì)信息綜合管理、施工安全信息綜合管理與風(fēng)險動態(tài)分析、設(shè)計變更、模型自動更新等方面繼續(xù)深入，為隧道動態(tài)設(shè)計與施工提供信息化技術(shù)支撐，使BIM真正成為業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理和監(jiān)測等單位之間的高效信息共享平臺。BIM技術(shù)還要加強全壽命周期集成平臺的研發(fā)，推進從設(shè)計、施工到運營維護的全壽命持續(xù)應(yīng)用。未來BIM技術(shù)還要與大數(shù)據(jù)和智能分析相結(jié)合，實現(xiàn)隧道設(shè)計、施工和運營維護的智能化輔助決策。

4 結(jié)論與建議

BIM技術(shù)在隧道工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，也是當(dāng)前非?；钴S的研究方向。本文對BIM技術(shù)在隧道工程中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行系統(tǒng)綜述，從信息模型標(biāo)準(zhǔn)、建模技術(shù)、全壽命周期等方面的應(yīng)用進行總結(jié)和分析，并對今后的發(fā)展提出如下建議。

1)現(xiàn)階段，我國在隧道工程信息模型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上較為領(lǐng)先，對BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用起到了重要的推動作用。下一步應(yīng)將BIM標(biāo)準(zhǔn)從設(shè)計階段延伸至施工階段和運營維護階段，同時提升對地質(zhì)信息模型標(biāo)準(zhǔn)的重視度，建立與完善相關(guān)地質(zhì)信息模型標(biāo)準(zhǔn)。此外，形成專門針對隧道工程的信息模型標(biāo)準(zhǔn)，對于促進不同行業(yè)中隧道工程的BIM應(yīng)用將有著重要的作用。

2)隧道結(jié)構(gòu)BIM建模技術(shù)已基本成熟，下一步重點需要解決隧道附屬結(jié)構(gòu)等特殊部位在高效建模設(shè)計變更時模型自動更新和不同精度模型同步更新的問題。隧道模型LOD分級目前已基本達成共識，但在模型輕量化展示上，更多需要軟件技術(shù)支持。

3)BIM技術(shù)在隧道工程的設(shè)計、施工和運營維護等階段均已得到較為廣泛的應(yīng)用，下一步要在隧道動態(tài)設(shè)計與施工等方面進一步深化BIM技術(shù)的支撐作用，打通隧道工程各階段之間的信息障礙，推進隧道工程全壽命周期BIM平臺的研發(fā)與持續(xù)應(yīng)用。此外，BIM技術(shù)還需進一步結(jié)合大數(shù)據(jù)和智能分析等技術(shù)，為隧道的智能設(shè)計、施工和運營維護奠定基礎(chǔ)。