BIM 技術(shù)在廈門(mén)海滄隧道施工中的應(yīng)用

■林瑞慧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

近年來(lái)，隨著信息化建模技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在建筑施工項(xiàng)目中的應(yīng)用逐漸普及，對(duì)于施工的成本控制、生產(chǎn)效率、工作安全方面都起到重要作用。三維設(shè)計(jì)BIM 技術(shù)是未來(lái)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)[1]。BIM技術(shù)在隧道工程項(xiàng)目中的應(yīng)用是多方面的，對(duì)于項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一次技術(shù)突破，同時(shí)也改變了傳統(tǒng)的施工方法與運(yùn)營(yíng)模式[2]。 隧道工程項(xiàng)目涉及專業(yè)眾多，應(yīng)用BIM 技術(shù)可以建立集成交互平臺(tái)，精簡(jiǎn)各專業(yè)之間的項(xiàng)目溝通流程，便于各專業(yè)同步完成工作目標(biāo)[3]。BIM 技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變更內(nèi)容的反饋效率高， 對(duì)模型設(shè)計(jì)變量的修改能夠快速得到工程量變化反饋結(jié)果， 節(jié)省了傳統(tǒng)可視化過(guò)程中重建模型的時(shí)間和成本[4]。對(duì)于復(fù)雜工程項(xiàng)目的施工，傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)圖紙所傳遞的信息往往不夠直觀，無(wú)法為后期的施工管理提供足夠的工程信息。采用BIM 技術(shù)建立的模型可以較為直觀地指導(dǎo)施工，其先進(jìn)的信息共享也便于施工管理[5]。BIM 技術(shù)有效促進(jìn)社會(huì)各方、各專業(yè)工作人員之間的協(xié)作，從而改變中國(guó)建設(shè)工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理模式。利用BIM 技術(shù)生成的模型可以直觀地反映項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工情況，提高施工精度，減少工程材料浪費(fèi)。 本研究以廈門(mén)海滄隧道工程為對(duì)象，通過(guò)BIM 技術(shù)解決傳統(tǒng)隧道工程施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，總結(jié)歸納BIM 技術(shù)在隧道工程中的使用優(yōu)勢(shì)。

1 基于BIM 建模的碰撞檢查

根據(jù)業(yè)主提供的各專業(yè)圖紙為海滄隧道工程項(xiàng)目建立BIM 模型，包括地質(zhì)模型、隧道模型、施工設(shè)備模型及施工場(chǎng)地模型等。 根據(jù)設(shè)計(jì)單位及施工單位提供的構(gòu)件產(chǎn)品信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，這些信息包括但不限于構(gòu)件尺寸信息、施工進(jìn)度信息、造價(jià)成本信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、設(shè)備制造及維護(hù)信息。 依據(jù)BIM 模型在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工階段進(jìn)行的碰撞檢測(cè)等措施，配合施工方及設(shè)計(jì)單位進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化。海滄隧道BIM 中的碰撞檢測(cè)分為硬碰撞和軟碰撞。 硬碰撞指的是項(xiàng)目設(shè)計(jì)在施工中會(huì)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)沖突問(wèn)題，軟碰撞指的施工條件不滿足設(shè)計(jì)要求或施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)存在沖突的情況。

針對(duì)廈門(mén)海滄海底隧道選擇某一段預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋進(jìn)行碰撞檢測(cè)，預(yù)應(yīng)力鋼束在對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件十分重要，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)沖突有兩種情況時(shí)常發(fā)生。 一種是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后和設(shè)計(jì)單位及時(shí)溝通修改，可能會(huì)耽誤工期；另一種是施工單位發(fā)現(xiàn)鋼筋碰撞問(wèn)題后既不上報(bào)問(wèn)題， 也不與設(shè)計(jì)單位溝通，直接剪切鋼筋或調(diào)動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼束的位置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力情況改變，為后期運(yùn)營(yíng)埋下了很大的質(zhì)量安全隱患。 在預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部提取普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋模型（圖1）進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

圖1 碰撞結(jié)構(gòu)

碰撞檢測(cè)完之后會(huì)產(chǎn)出碰撞檢測(cè)報(bào)告， 報(bào)告以excel 表格形式呈現(xiàn)（圖2），表中每一行代表一處碰撞， 在這一行中會(huì)說(shuō)明是哪兩個(gè)構(gòu)件發(fā)生了碰撞、碰撞位置等等，使得結(jié)構(gòu)沖突位置一目了然，節(jié)省了大量查閱圖紙復(fù)核的時(shí)間。

圖2 碰撞檢測(cè)報(bào)告excel 表格信息

圖2 碰撞檢測(cè)報(bào)告excel 表格信息顯示廈門(mén)海滄海底隧道的橫洞下方有服務(wù)洞，一旦服務(wù)洞與橫洞交叉發(fā)生碰撞則必須要更改項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，一旦工程發(fā)生變更那么將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、 時(shí)間損失。 在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)1 號(hào)行車(chē)橫洞與襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生了碰撞（圖3～4）。 從圖4 的標(biāo)圈位置可以看出，1 號(hào)行車(chē)橫洞與襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生了交叉， 如果不及時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，施工時(shí)會(huì)造成更大的損失。

圖3 碰撞效果圖

圖4 碰撞結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)階段采用BIM 技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效控制了圖紙中的各類錯(cuò)漏。 通過(guò)后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)反饋，減少了70%以上的現(xiàn)場(chǎng)變更，降低了30%以上的現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)工作，工作數(shù)據(jù)查找效率提高了300%。三維協(xié)同數(shù)字化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)過(guò)程更直觀易懂，提高了約20%的出圖效率。 基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)開(kāi)展以BIM 模型為載體的數(shù)字化移交，對(duì)于本項(xiàng)目意義重大。 探測(cè)數(shù)據(jù)三維化， 為設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的三維探測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)總結(jié)和分析并對(duì)現(xiàn)有方案作出相應(yīng)的修改，積極地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造。 后續(xù)的模型在施工管理中發(fā)揮了作用，真正做到了一套模型從設(shè)計(jì)應(yīng)用到施工。

2 基于BIM 技術(shù)的施工管理

2.1 可視化技術(shù)交底

隧道工程的施工交底通常采用設(shè)計(jì)圖紙配合文字說(shuō)明。 如果施工人員不能夠準(zhǔn)確理解圖紙表達(dá)意思而導(dǎo)致施工出現(xiàn)差錯(cuò)，容易工期延誤或工程返工。 BIM 模型具有直觀、可視化等優(yōu)點(diǎn)，可以更加具體地指導(dǎo)項(xiàng)目施工，施工人員能夠通過(guò)三維模型快速掌握施工內(nèi)容， 提高了施工技術(shù)人員的交底效率。 采用BIM 相關(guān)軟件建立海滄隧道模型（圖5），模型的不同顏色段代表不同的圍巖等級(jí)。

圖5 海滄隧道三維BIM 整體模型

通過(guò)展示BIM 模型，技術(shù)人員在與施工人員進(jìn)行技術(shù)交底時(shí)，可以快速查看施工細(xì)節(jié)部位，加深施工人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的掌握程度，提高了相互溝通的效率。 在海滄隧道項(xiàng)目過(guò)程中，通過(guò)BIM 模型查看隧道IV 級(jí)圍巖的支護(hù)細(xì)節(jié)部分（圖6），避免因?yàn)槔斫馄顚?dǎo)致工期延誤等問(wèn)題發(fā)生。

圖6 海滄隧道IV 級(jí)圍巖BIM 模型支護(hù)細(xì)節(jié)部分

2.2 施工成本控制

運(yùn)用BIM 技術(shù)可以解決傳統(tǒng)模式無(wú)法管控工程成本的問(wèn)題， 可對(duì)施工項(xiàng)目進(jìn)行多方位的成本管理。

2.2.1 優(yōu)化施工方式

傳統(tǒng)的工程項(xiàng)目進(jìn)行分包施工時(shí)，各個(gè)專業(yè)分包得到的圖紙往往僅涉及自身專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，很難發(fā)現(xiàn)與其他專業(yè)施工沖突的地方，如果施工沖突嚴(yán)重則很有可能耽誤工期、 提高施工成本。 基于BIM 的圖紙優(yōu)化則會(huì)很好地減少甚至避免這種情況的產(chǎn)生?；贐IM 的圖紙優(yōu)化環(huán)節(jié)首先進(jìn)行碰撞檢查，最大程度上避免碰撞點(diǎn)的出現(xiàn)，合理調(diào)整各分包專業(yè)的施工方式，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力。

2.2.2 計(jì)算工程量準(zhǔn)確

從管理施工成本的角度考慮，工程量的相關(guān)信息與工程款結(jié)算掛鉤， 需要統(tǒng)計(jì)大量施工數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方式造成一定困難。 BIM 模型中包含了大量的項(xiàng)目部件及構(gòu)件信息，可以快速計(jì)算工程設(shè)計(jì)用量， 解決了圖紙統(tǒng)計(jì)工程量的不確定性問(wèn)題，方便項(xiàng)目成本管理工作的開(kāi)展。

2.2.3 成本管理精細(xì)化

施工技術(shù)人員可以通過(guò)采集BIM 模型提供的施工時(shí)間、 工作區(qū)域及工程完成情況來(lái)評(píng)估工程量。 由于材料費(fèi)用占據(jù)約工程總造價(jià)的50%～60%，因此施工材料的管控工作十分重要。通過(guò)BIM 技術(shù)創(chuàng)建工程材料關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)Ω黝惒牧系男枨笥昧窟M(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，便于施工管理者實(shí)行進(jìn)行限額領(lǐng)料政策。圖7 為海滄隧道項(xiàng)目利用BIM 管理平臺(tái)制作的材料管控表，項(xiàng)目相關(guān)單位的工作人員均有權(quán)限調(diào)取該項(xiàng)目的材料使用記錄，減少了工程材料的浪費(fèi)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了成本的精細(xì)化管理。

圖7 海滄隧道材料管控圖

BIM 的理念和技術(shù)融入傳統(tǒng)工作流程，才能保證基于BIM 技術(shù)的施工階段成本管理工作順利進(jìn)行。 因此，要將主要的成本管理工作具體化、精細(xì)化，完善成本管理工作流程，最終實(shí)現(xiàn)如圖8 所示的階段性成本管理流程。 與通常施工成本控制分為事前成本計(jì)劃、 過(guò)程成本控制和階段性成本分析3 個(gè)階段一樣，基于BIM 的施工階段成本管理也分為3 個(gè)階段， 在具體實(shí)施中以傳統(tǒng)流程為主，BIM技術(shù)為輔助手段，并明確成本管理工作分解及任務(wù)分工。

圖8 階段性成本管理流程

工程成本的控制中單位的施工效益、材料的進(jìn)價(jià)成本及消耗都是決定因素。 在廣聯(lián)達(dá)BIM5D 軟件中可以統(tǒng)計(jì)隧道材料工程量，以及材料成本和資源消耗，指導(dǎo)編制物資供應(yīng)和采購(gòu)計(jì)劃。 項(xiàng)目部相關(guān)人員可以隨時(shí)查看統(tǒng)計(jì)隧道工程用量，使得審核過(guò)程有效可靠，實(shí)現(xiàn)真正的限額領(lǐng)料，方便實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理過(guò)程的實(shí)時(shí)三算對(duì)比。 在軟件視口屬性中選擇需要查詢的時(shí)間段， 根據(jù)匹配好的構(gòu)件屬性，選擇資源、資金曲線，自動(dòng)生成折線圖。 在本次項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中統(tǒng)計(jì)了混凝土用量及消耗成本，并且對(duì)混凝土消耗成本作出實(shí)際與計(jì)劃的對(duì)比，統(tǒng)計(jì)查看了2018 年8 月初至2018 年9 月底隧道工程量的數(shù)據(jù)（圖9～10），與實(shí)際材料進(jìn)行對(duì)比參考。

圖9 混凝土實(shí)際與計(jì)劃用量資源曲線

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，從2017 年3 月起至2018 年1 月，混凝土的用量計(jì)劃8 380 m3左右，實(shí)際用量6 075 m3左右， 比計(jì)劃用量少2 000 m3。 計(jì)劃資金消費(fèi)7 000 萬(wàn)元左右， 實(shí)際消費(fèi)金額4 000 萬(wàn)元左右。 數(shù)據(jù)顯示混凝土材料消耗實(shí)際比預(yù)算金額消耗更少。 再根據(jù)圖10 顯示進(jìn)度，工程施工建設(shè)進(jìn)度嚴(yán)重落后，說(shuō)明項(xiàng)目管理方人員在這個(gè)時(shí)間段對(duì)建設(shè)進(jìn)度及資金消耗的把控欠佳， 需要及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。BIM 技術(shù)對(duì)項(xiàng)目管理方控制資金成本起到了一定的作用。

圖10 混凝土實(shí)際與計(jì)劃消耗資金曲線

2.3 施工進(jìn)度控制

施工進(jìn)度控制是在項(xiàng)目施工過(guò)程中不斷調(diào)整施工速率的過(guò)程。 通過(guò)研究BIM-4D 模型結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目施工進(jìn)度數(shù)據(jù)， 制定合適的進(jìn)度調(diào)整方案，對(duì)隧道施工項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行優(yōu)化。 BIM 模型可對(duì)指定的不同施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行模擬分析， 從中選擇更加合理的項(xiàng)目計(jì)劃。 BIM 技術(shù)的引入改變了傳統(tǒng)紙質(zhì)描述施工進(jìn)度的觀感， 為項(xiàng)目施工進(jìn)度控制帶來(lái)新體驗(yàn)。

2.3.1 優(yōu)化項(xiàng)目施工的實(shí)施進(jìn)度

通過(guò)施工過(guò)程模擬可以預(yù)先判斷未來(lái)的施工進(jìn)度狀況，通過(guò)對(duì)比實(shí)際施工與計(jì)劃施工模擬進(jìn)度的差距，及時(shí)調(diào)整施工速度與人員按排，施工模擬也可以檢測(cè)施工項(xiàng)目安排任務(wù)是否存在沖突。 傳統(tǒng)進(jìn)度優(yōu)化需要根據(jù)目前施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)估分析，在方案調(diào)整上較為被動(dòng)，引入BIM 技術(shù)的施工進(jìn)度調(diào)整具有主動(dòng)性， 可以提早進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。 BIM-4D技術(shù)所展現(xiàn)的實(shí)際施工進(jìn)度數(shù)據(jù)， 不受外界因素影響而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法收集。BIM-4D 技術(shù)能夠收集大量施工信息數(shù)據(jù)， 相對(duì)于施工管理者的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方式， 以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)的進(jìn)度優(yōu)化分析更加全面精細(xì)。

2.3.2 提高人員工作的協(xié)同交流效率

通過(guò)BIM 模型傳遞的信息便于各專業(yè)人員相互交流，提高工作人員的協(xié)同交流效率。BIM-4D 信息集成系統(tǒng)建立了可供各方面工作者交流查閱的信息平臺(tái)，將傳統(tǒng)一對(duì)一的交流方式改為不受時(shí)間空間限值的網(wǎng)點(diǎn)式交流。 在信息平臺(tái)上所有與項(xiàng)目相關(guān)的資料都是一致的，避免了各單位資料不統(tǒng)一的情況發(fā)生；依靠BIM 信息平臺(tái)的交流溝通，保證了項(xiàng)目施工進(jìn)度協(xié)同調(diào)整的準(zhǔn)確性，提高了團(tuán)隊(duì)施工進(jìn)度管理能力。

2.3.3 減少項(xiàng)目施工的進(jìn)度損耗

BIM-4D 技術(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)于平面圖紙繪制較復(fù)雜，但是采用BIM 模型進(jìn)行前期設(shè)計(jì)可提前解決施工階段可能發(fā)生的問(wèn)題，采用碰撞檢測(cè)等技術(shù)能夠提前預(yù)估施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)事件，通過(guò)提前調(diào)整施工方案或變更設(shè)計(jì)圖紙可以減少施工時(shí)間的浪費(fèi)并在無(wú)形中降低了人力物力消耗。 目前我國(guó)的一線施工工人文化水平普遍不高，在隧道施工過(guò)程中存在技術(shù)交底困難的問(wèn)題，通過(guò)BIM 模型可以讓工人快速了解自己的工作任務(wù)和施工目標(biāo)，在確保施工質(zhì)量的同時(shí)也提高了施工效率。

2.3.4 實(shí)現(xiàn)可視化施工過(guò)程模擬。

施工進(jìn)度工程管理通常采用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖進(jìn)行表述， 但是此類描述方法往往缺乏直觀的內(nèi)容表達(dá)， 大型工程項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖往往過(guò)于復(fù)雜，很難讓施工管理人員第一時(shí)間理清施工任務(wù)之間的邏輯關(guān)系。 利用BIM 技術(shù)虛擬項(xiàng)目施工建設(shè)，通過(guò)反復(fù)模擬施工過(guò)程，管理隧道工程施工進(jìn)度，在施工階段提前模擬可能發(fā)生的問(wèn)題，逐步修改，提前制定對(duì)策，優(yōu)化進(jìn)度和施工方案，指導(dǎo)實(shí)際工程施工。 比較計(jì)劃方案和實(shí)際施工進(jìn)度，項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度將隨時(shí)調(diào)整，確保項(xiàng)目建設(shè)順利完成。

海滄隧道施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果見(jiàn)圖11，在2017 年3 月計(jì)劃施工開(kāi)始到2018 年5 月期間，隧道左側(cè)開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。 紅色標(biāo)識(shí)里程段都屬于未能如期按照計(jì)劃施工的部分，黃色標(biāo)識(shí)里程段表示正在施工，灰色標(biāo)識(shí)里程段表示已經(jīng)完工。 從施工項(xiàng)目整體把握施工進(jìn)度節(jié)奏，分析施工延遲落后的原因，方便管理人員及時(shí)調(diào)整施工計(jì)劃。

圖11 隧道項(xiàng)目整體施工進(jìn)度計(jì)劃過(guò)程方案模擬

3 總結(jié)

綜上所述，本項(xiàng)目將BIM 技術(shù)應(yīng)用到海滄隧道工程之中，其應(yīng)用效果如下：（1）設(shè)計(jì)階段采用BIM技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效地控制了圖紙中的各類錯(cuò)漏。 （2）依托本工程，項(xiàng)目組自主研發(fā)了“基于BIM技術(shù)的隧道安全施工三維可視化管理”，基于此平臺(tái)， 可以在施工現(xiàn)場(chǎng)查看隧道各部位的細(xì)節(jié)并進(jìn)行可視化交底；管理施工信息模型和資料共享，及時(shí)糾正施工時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤并提高溝通效率； 模擬項(xiàng)目施工進(jìn)度和施工工法，找出問(wèn)題并及時(shí)糾正；對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行管理， 防止因構(gòu)件不合格而延誤工期。