BIM+項目管理平臺在隧道施工中的應(yīng)用研究

丁杰，李敏，姜愛強

（中交第三公路工程局有限公司，北京 101300）

0 引言

近年來，隨著科技的發(fā)展與創(chuàng)新，基建工程行業(yè)逐漸邁進信息化與數(shù)字化，應(yīng)用BIM技術(shù)的項目大幅增加。BIM作為建筑行業(yè)、機械工程、電子設(shè)備等領(lǐng)域具有劃時代意義的熱點技術(shù)，在隧道工程中的應(yīng)用尚處于起步階段［1］。在我國隧道工程的BIM應(yīng)用案例中，西成客運專線清涼山隧道工程基于Autodesk軟件探索出一種適用于隧道的BIM技術(shù)應(yīng)用路線［2］；武襄十城際鐵路以武當山西—王家莊隧道出口8.3 km范圍為試點，基于Dassault平臺重點研究了橋梁專業(yè)的應(yīng)用［3］；中國鐵路設(shè)計集團有限公司綜合運用BIM和三維仿真技術(shù)，搭建了基于BIM技術(shù)的鐵路站房應(yīng)急演練平臺［4］。我國鐵路建設(shè)信息化呈分散狀態(tài)，建設(shè)信息化集中管理平臺格外重要。應(yīng)用BIM技術(shù)可有效提升鐵路工程建設(shè)的信息管理能力及技術(shù)水平，是未來鐵路工程管理平臺的發(fā)展方向和核心［5-6］。

在歐洲黑山共和國（簡稱黑山）南北高速公路項目中，基于Bentley平臺，將項目管理平臺與其平臺下三維建模軟件有機結(jié)合，以提高項目管理水平，實現(xiàn)人、機、料的統(tǒng)籌管理。該研究在我國屬于應(yīng)用前沿，在國外隧道工程中，BIM+項目管理平臺的應(yīng)用研究也屬少見。

1 工程概況

黑山南北高速公路項目三標段施工線路全長9.055 km，工程內(nèi)容包含路基工程、路面工程、隧道工程等。其中，隧道共4座（以左線計），總長5 751 m，開挖方式為鑿巖臺車鉆孔爆破，主要采用臺階法和三臺階法施工。施工采用黑山當?shù)厥┕ひ?guī)范及歐洲相關(guān)施工規(guī)范、驗收標準等。黑山南北高速公路項目地理位置及線路走向見圖1。

圖1 項目地理位置及線路走向

在施工中主要存在以下重、難點：

（1）地理環(huán)境復雜、氣候條件惡劣，隧道進出口覆蓋較厚的腐殖土，進出洞施工難度較大，同時圍巖為復理石，巖體破碎、裂隙發(fā)育，存在坍塌風險，易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象；

（2）環(huán)保要求高，需對取棄土場、采石場進行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、報批，搭建臨建設(shè)施耗時較長；

（3）具備國外項目特點，要求采用新技術(shù)對其項目進行管控。

2 BIM+項目管理平臺建設(shè)

綜合國內(nèi)外BIM建模軟件特點，考慮Bentley軟件在交通領(lǐng)域的模型快速建立優(yōu)勢，選擇Bentley為隧道三維建模平臺［7］。應(yīng)用該平臺下基礎(chǔ)軟件Microsta?tion、Power civil建模：（1）Microstation通過各分部分項工程參考文件組成總裝模型；（2）Power civil是一款道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的專業(yè)軟件，內(nèi)含常規(guī)幾何、平面幾何、縱斷幾何、地形模型、場地設(shè)計、廊道模型、出圖（平縱橫）等功能。結(jié)合基于Bentley平臺二次開發(fā)的項目管理平臺，對項目進行施工進度模擬與工程量統(tǒng)計等應(yīng)用。

2.1 三維建模流程與IFC信息創(chuàng)建

在橋隧工程中，三維模型的創(chuàng)建應(yīng)依托于公路行業(yè)施工特性的模型創(chuàng)建流程進行（見圖2）。首先，在Power civil中根據(jù)直線、曲線轉(zhuǎn)角表與豎曲線參數(shù)創(chuàng)建平縱面路線（見圖3），再根據(jù)平縱面幾何信息創(chuàng)建隧道各圍巖等級橫斷面（見圖4），然后根據(jù)路線平面里程信息，依次通過里程段各圍巖等級斷面的分布，逐一生成廊道模型（模型自帶相關(guān)屬性信息），再導入10#Kosman隧道與地形模型（見圖5），達到整體模型的可視化與應(yīng)用。最終，各分部分項模型文件導入總文件，實現(xiàn)模型總裝。該建模流程所占內(nèi)存極小，模型畫面流暢，可在三維視圖查看隧道與地表線的高差位置，通過分析點功能查看任意點位置的高程。

在創(chuàng)建三維模型時，通過EBS編碼匹配，并參考鐵路IFCClass標準，實現(xiàn)設(shè)計模型屬性的添加和賦值；再結(jié)合隧道各種圍巖等級、構(gòu)件和開挖方法，逐步半自動地實現(xiàn)隧道BIM施工模型的建立，并完成施工信息標準的制定；形成便于信息查詢和錄入的結(jié)構(gòu)樹，從而達到EBS編碼能快速進行構(gòu)件信息的查詢和錄入。

2.2 平臺功能

根據(jù)BIM技術(shù)應(yīng)用思路，依托黑山南北高速公路項目，研發(fā)了隧道BIM項目管理平臺。該平臺包含電腦端、移動端、Web端等3種形式的終端應(yīng)用管理（見圖6）。在平臺搭建時，首次提出通過模型結(jié)構(gòu)樹（模型結(jié)構(gòu)樹來源于BIM模型）提取技術(shù)、質(zhì)量、安全管理項的智能分析框架，直觀顯示管理狀態(tài)，實現(xiàn)模型與平臺信息交互，并與項目管理流程化、工程量自動統(tǒng)計、可視化管理進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)可自定義擴展施工屬性類型功能，從而在模型結(jié)構(gòu)樹上記錄任意施工生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于分析匯總。

3 案例應(yīng)用

依據(jù)黑山南北高速公路三標段施工現(xiàn)場實際情況及10#Kosman隧道三維模型，著重研究BIM技術(shù)結(jié)合項目管理平臺的應(yīng)用。

圖2 模型創(chuàng)建流程示意圖

圖3 平縱面路線創(chuàng)建

圖4 隧道橫斷面模板創(chuàng)建

圖5 10#Kosman隧道與地形模型

圖6 BIM項目管理平臺終端界面

3.1 橫斷面參數(shù)化模板快速建立

在施工現(xiàn)場，由于專業(yè)技術(shù)、人員操作、設(shè)計圖紙等因素，不可避免存在局部錯誤，導致項目返工、質(zhì)量不達標、施工進度滯后等問題。我國市場針對隧道橫斷面的BIM軟件較少，通過涉及10#Kosman隧道各種圍巖等級的研究，設(shè)計了基于Bentley平臺二次開發(fā)的隧道橫斷面快速創(chuàng)建工具，可快速創(chuàng)建各圍巖等級橫斷面模板生成隧道模型。隧道橫斷面參數(shù)模板快速建立工具界面見圖7。

圖7 隧道橫斷面參數(shù)模板快速建立工具界面

3.2 施工文件與模型鏈接

實現(xiàn)施工文件與模型的鏈接，實時查閱過程資料和圖紙，滿足信息的共享與傳遞。在指導現(xiàn)場施工時，只需平板電腦即可實現(xiàn)項目管理的集成化，在優(yōu)化設(shè)計、保證工程質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。施工文件與模型鏈接示意見圖8。

圖8 施工文件與模型鏈接示意圖

3.3 構(gòu)件信息查詢及工程量統(tǒng)計對比

在隧道施工中應(yīng)用BIM技術(shù)，能快速準確提取建筑工程量，打破項目各參與方之間的信息隔閡，解決項目全生命周期的信息孤島問題，從根本上提高項目施工成本管理水平［8-16］。隧道施工中的主要成本包含人工費、材料費、施工機具使用費。在隧道BIM項目管理平臺中，結(jié)合BIM模型信息，通過里程統(tǒng)計工程量，可精確提取材料計劃，并進行材料數(shù)值對比（見圖9）；實時分析實際工程量與設(shè)計清單的差值（見圖10）；快速分析圍巖等級變更引起的工程量和造價的變化（見圖11），為圍巖變更和工程計量提供數(shù)據(jù)支撐。

圖9 材料數(shù)值對比

圖10 實際工程量與設(shè)計清單差值分析

圖11 工程量變化快速分析

3.4 施工計劃自動編排

將BIM模型導入隧道BIM項目管理平臺，輸入各里程段不同圍巖等級每道工序的施工時間、日期、任務(wù)類型等，自動編排施工計劃（見圖12），根據(jù)計劃周期快速獲取某時間段內(nèi)所需完成的工程量，輔助項目決策，并分析施工措施工程量，對項目管控施工現(xiàn)場進度進行指導。

圖12 自動編排施工計劃

3.5 監(jiān)控、施工信息錄入分析

隧道監(jiān)控是隧道工程的重要組成部分。在隧道工程中，自然環(huán)境影響可能對施工形成一定阻力，安全生產(chǎn)是其最重要的環(huán)節(jié)。在施工前，將創(chuàng)建好的模型導入隧道BIM項目管理平臺，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的可監(jiān)控性與模擬性。在Web端和移動端，可完成實際時間、澆筑量、施工日志的錄入和工程量的實時統(tǒng)計?；谒淼繠IM項目管理平臺，完成檢測數(shù)據(jù)錄入，實現(xiàn)隧道施工的監(jiān)控、預警（見圖13）。施工信息錄入，可匯總分析項目施工現(xiàn)狀，實現(xiàn)總體施工進度、安全、質(zhì)量的把控（見圖14）。

圖13 隧道監(jiān)控預警

4 結(jié)論

本應(yīng)用研究以黑山南北高速公路10#Kosman隧道各種圍巖等級施工為工程背景，進行BIM技術(shù)+項目管理平臺在施工現(xiàn)場的實際應(yīng)用，取得以下主要研究成果：

圖14 施工信息匯總分析

（1）通過BIM技術(shù)結(jié)合項目管理平臺在黑山南北高速公路10#Kosman隧道各種圍巖等級施工中的成功應(yīng)用，驗證了BIM+項目管理平臺在隧道施工中應(yīng)用的可行性和有效性；

（2）BIM技術(shù)+項目管理平臺的應(yīng)用，提高了施工效率、質(zhì)量、安全等方面的把控，降低了成本，避免了物資浪費，為傳統(tǒng)公路工程行業(yè)施工打開了新方向；

（3）BIM技術(shù)與各業(yè)務(wù)在項目管理平臺的結(jié)合，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時分析與預測、模擬隧道可能發(fā)生的各種安全隱患，提高了項目對緊急情況的預防，有助于制定安全防護方案。