基于BIM技術(shù)的油氣管道隧道智慧建設(shè)運(yùn)營的應(yīng)用研究

馮 亮

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源戰(zhàn)略的實施[1] [2]，管道建設(shè)的需求與日俱增[3] [4] [5]。管道全生命周期業(yè)務(wù)的開展成為中石油系統(tǒng)乃至中國油氣管道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)研究對象[6] [7] [8]。管道全生命周期是從管道建設(shè)的需求開始，到管道規(guī)劃、設(shè)計、采辦、施工、運(yùn)營維護(hù)和報廢的整個動態(tài)過程，其信息化業(yè)務(wù)涵蓋了“過程中”管道設(shè)施上發(fā)生或存在的各種事與物[9]。設(shè)計階段作為承上啟下的重要一環(huán)對管道全生命周期的實現(xiàn)起著決定性作用[10]。管道穿跨越設(shè)計作為管道工程設(shè)計的重要部分，需要為管道全生命周期提供更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和更精細(xì)化的設(shè)計。

相比傳統(tǒng)工作方式，建筑信息模型(BIM)代表更為高效、便捷的先進(jìn)技術(shù)，通過與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)相結(jié)合，已經(jīng)在建筑、鐵路等眾多土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11] [12] [13]，并且未來實現(xiàn)綠色、智能的精細(xì)化管理，智慧建筑必將成為建筑行業(yè)發(fā)展的方向。但是在油氣、化工行業(yè)領(lǐng)域，由于其設(shè)計軟件已經(jīng)自成體系[14]，當(dāng)油氣管道的設(shè)計需要與土木工程結(jié)構(gòu)合并考慮時，油氣化工軟件卻無法很好地完成雙方的結(jié)合，因此需要尋找一條新的解決方案，BIM 技術(shù)的產(chǎn)生能夠在極大程度上解決兩個領(lǐng)域交叉的設(shè)計及施工管理困難。

同時由于BIM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性全面性[15]，可以為后續(xù)的施工及運(yùn)營管理提供充足的數(shù)據(jù)支持，通過對施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，尤其是盾構(gòu)設(shè)備的施工數(shù)據(jù)自動采集，可以對施工進(jìn)度與計劃進(jìn)行實時跟蹤統(tǒng)計，并且可以對施工設(shè)備的風(fēng)險通過參數(shù)進(jìn)行預(yù)警，以實現(xiàn)施工期間的全方位監(jiān)控，最終實現(xiàn)設(shè)計及施工階段數(shù)據(jù)的全數(shù)字化移交[16]。

本文依托出站三公里油氣管道隱患治理工程為例，其設(shè)計在蘭州市區(qū)人群密集區(qū)域，由一條3.08 m直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)的2 條輸油管道以及從一條支線頂管隧道內(nèi)匯入的1 條輸油管道，最終3 條并行敷設(shè)在盾構(gòu)隧道內(nèi)，同時盾構(gòu)隧道依據(jù)地面規(guī)劃完成了4 個水平轉(zhuǎn)彎，以及縱斷面方向的高程變化?；诖隧椖康膹?fù)雜情況，特考慮引入BIM 設(shè)計及管理流程，便于項目的施工開展。

2. 工程概況

2.1. 盾構(gòu)隧道設(shè)計

本項目為蘭成渝成品油管道、蘭鄭長成品油管道和蘭成原油管道在蘭州站出站3 公里管道隱患治理工程，項目位于蘭州市西固區(qū)，盾構(gòu)穿越始發(fā)井內(nèi)徑12.5 m，接收井內(nèi)徑9 m，盾構(gòu)隧道水平長度2744.62 m，隧道內(nèi)徑為3.08 m。對于盾構(gòu)隧道平面，由始發(fā)豎井出發(fā)，直線掘進(jìn)363 m 后，以400 m 曲率半徑轉(zhuǎn)彎35.75°，直線掘進(jìn)115.83 m，再以350 m 曲率半徑轉(zhuǎn)彎32.8°，直線掘進(jìn)863.11 m，然后以500 m 曲率半徑轉(zhuǎn)彎23.57°，直線掘進(jìn)406.17 m，最后以300 m 曲率半徑轉(zhuǎn)彎42.28°，直線掘進(jìn)119 m，到達(dá)接收井。同時對于盾構(gòu)隧道縱斷面也隨著里程變化，形成一個V 型斷面，轉(zhuǎn)角處均采用1000 m 曲率半徑的圓弧過度。

由始發(fā)井內(nèi)安裝兩根D508 及D610 管道進(jìn)入盾構(gòu)隧道，在里程約850 m 處，第三根D610 管道由頂管支洞進(jìn)入盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道內(nèi)每隔20 m 澆筑2 個寬0.5 m 的混凝土支墩用于放置兩根D610 管道，在支墩中間的U 型槽內(nèi)敷設(shè)D508 管道，其上敷設(shè)鋼格柵蓋板作為檢修通道。

2.2. 項目特點(diǎn)與難點(diǎn)

1) 隧道位于蘭州市西固區(qū)城區(qū)，項目周圍人口密集、房屋林立。設(shè)計平面路由受到地面建構(gòu)筑物及規(guī)劃影響，需要4 次水平轉(zhuǎn)彎；縱斷面同時依據(jù)施工便利及排水要求設(shè)置V 型斷面，因此盾構(gòu)中心線為復(fù)雜空間曲線；

2) 在人口密集的蘭州市區(qū)，土地利用、環(huán)保施工及綠色施工要求高，規(guī)劃選線、用地規(guī)劃受限較大；

3) 盾構(gòu)隧道內(nèi)空間狹小，3.08 m 的直徑內(nèi)需放置2 根D610 及1 根D508 管道，并需要保留施工安裝空間，同時要考慮管道運(yùn)行，安裝難度大；

4) 在盾構(gòu)隧道中途需要打開預(yù)留支洞以便接入頂管隧道；

基于以上設(shè)計重難點(diǎn)，為提高設(shè)計及施工質(zhì)量，方便設(shè)計意圖準(zhǔn)確表達(dá)，以及避免結(jié)構(gòu)碰撞及施工空間布局，因此本項目引入BIM 設(shè)計。

3. BIM 應(yīng)用

3.1. 模型命名規(guī)則

根據(jù)設(shè)計師的意圖，對隧道設(shè)計圖紙進(jìn)行模型精確建立，首先要合理劃分構(gòu)件命名規(guī)則，對于BIM模型搭建管理，以及后期BIM 的擴(kuò)展應(yīng)用將會提供極大的便利[15]。例如BIM 模型與傾斜攝影模型的合并，隧道施工數(shù)據(jù)的對比檢查，3dmax 動畫制作等。根據(jù)本項目隧道施工的特點(diǎn)，以名稱簡寫+尺寸+材質(zhì)作為命名規(guī)則，將豎井、盾構(gòu)隧道、支洞斜井、管道、支墩、其他附屬設(shè)施等分別定義了命名規(guī)則，以豎井為例，隧道模型部分結(jié)構(gòu)件命名如表1 所示。

Table 1. Naming rules of departure shaft structure表1. 始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)命名規(guī)則

3.2. 盾構(gòu)隧道模型建立及工程量統(tǒng)計

由于Revit 主要針對房屋建筑設(shè)計為主，對于其他形態(tài)結(jié)構(gòu)需要自建族模塊的特點(diǎn)[17]，考慮到本項目盾構(gòu)隧道主要為線性工程，需要精確控制環(huán)片、管道、支墩、豎井以及其他附屬設(shè)施的幾何構(gòu)造問題，因此采用Civil3D + Revit + Dynamo 結(jié)合的方式進(jìn)行參數(shù)化建模，建模思路及詳細(xì)流程如圖1 所示。

考慮到本項目為空間復(fù)雜曲線的特點(diǎn)，則采用具有強(qiáng)大地形以及根據(jù)平縱斷面創(chuàng)建空間曲線的Civil3D 軟件創(chuàng)建隧道中心線平面路線及縱斷面線[18]，并創(chuàng)建隧道簡易橫斷面，以確保可以有位于隧道軸線法平面的定位點(diǎn)，在隧道環(huán)片拼裝時進(jìn)行定位，由于盾構(gòu)環(huán)片每環(huán)為1.2 m，因此在Civil3D 的空間曲線的間隔設(shè)置為1.2 m，以兼顧軟件運(yùn)行效率及精度的要求。通過Dynamo 將隧道軸線坐標(biāo)擬合為NurbsCurve 曲線[19]，最終生成的隧道三維軸線如圖2 所示。

Figure 1. BIM modeling idea process圖1. BIM 建模思路流程

Figure 2. Flat, longitudinal section design of Civil3D software圖2. Civil3D 軟件平、縱斷面設(shè)計

如圖3 所示，本次設(shè)計的盾構(gòu)環(huán)片是由6 片獨(dú)立的管片，通過螺栓互相緊固成為一體，在環(huán)片設(shè)計上需要提前預(yù)留螺栓孔、密封槽、管片記號等，因此利用Dynamo 的參數(shù)化程序，在建模上需要分別建立單獨(dú)的零件塊，而后在一個完整的弧面管片上通過布爾運(yùn)算減去零件塊，最終得到所需的管片模型，而后再添加螺栓等零件模型，將其組裝成完整一環(huán)。另外準(zhǔn)備好管道支墩、管道支架等族模塊，便于下一步的總裝。

Figure 3. Parametric model of shield loop and attached part圖3. 盾構(gòu)環(huán)片及附屬零件參數(shù)化模型

如圖4 所示，所有參數(shù)化隧道零件以及隧道中心線均準(zhǔn)備完成后，則可以通過Dynamo 驅(qū)動所有組件的參數(shù)，并將其組合拼接成一個完整的隧道模型。組裝好的模型如圖5 所示。當(dāng)整體模型組裝完成后，采用Revit 自帶的統(tǒng)計功能對于整體工程量進(jìn)行了統(tǒng)計，可以做到工程量統(tǒng)計的精確高效，如圖6 所示。

Figure 4. Assembly model of BIM modeling圖4. BIM 建模拼裝模型

Figure 5. Assembly results of BIM modeling圖5. BIM 建模拼裝結(jié)果

3.3. 地質(zhì)模型及傾斜攝影

如圖7 所示，為了更生動準(zhǔn)確體現(xiàn)隧道周邊環(huán)境的情況，分別用Revit 軟件以及傾斜攝影的方式，分別制作了地層模型、地面建構(gòu)筑物環(huán)境的模型，充分表達(dá)了盾構(gòu)隧道設(shè)計施工中環(huán)境的詳細(xì)情況。

4. 智慧施工

為了滿足管道數(shù)字化移交和全生命周期的相關(guān)要求[6] [7] [8]，通過采用BIM 軟件建立原始模型，配合盾構(gòu)監(jiān)控管理，可以將設(shè)計施工過程全部記錄下來，滿足可視化展示，為智能管道、全生命周期管理提供基礎(chǔ)。

Figure 6. Automatic statistical material table of Revit software圖6. Revit 軟件自動統(tǒng)計材料表

Figure 7. BIM terrain model and on-site tilt photography results圖7. BIM 地形模型及現(xiàn)場傾斜攝影成果

4.1. 盾構(gòu)監(jiān)控管理

如圖8 所示，盾構(gòu)監(jiān)控主要是對盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)及位置信息的展示，主要包括推進(jìn)參數(shù)、掘進(jìn)姿態(tài)、報警信息、三圖展示以及信息總覽[20]。對盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中各個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，包括刀盤、推進(jìn)系統(tǒng)、渣土改良、注漿系統(tǒng)、盾尾油脂、鉸接系統(tǒng)、螺旋機(jī)等。將盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控室的數(shù)據(jù)傳送至互聯(lián)網(wǎng)，讓通過電腦或移動設(shè)備隨時隨地查看盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)。將導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取到遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺進(jìn)行展示，包括切口、盾尾的垂直水平偏差、以及盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)角和坡度等。讀取盾構(gòu)機(jī)PLC 系統(tǒng)中的報警信息，并實時展示在遠(yuǎn)程監(jiān)控管里平臺，幫助施工管理人員隨時掌握盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)。

通過區(qū)間平面圖、地質(zhì)剖面圖等方式展示盾構(gòu)機(jī)實時位置，幫助管理人員了解盾構(gòu)機(jī)所處地層，以及盾構(gòu)機(jī)與地面建筑之間的位置關(guān)系。信息總覽將盾構(gòu)施工相關(guān)信息匯總在一起，方便管理人員對項目的整體把控，包括實施工況、風(fēng)險提示、設(shè)備參數(shù)、隧道質(zhì)量、監(jiān)測分析、安全評估、審閱建議，如圖9 所示。

4.2. “智能化”決策管理

一是系統(tǒng)可以進(jìn)行歷史曲線分析。將盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)以圖形化的方式進(jìn)行展示。二是系統(tǒng)可以進(jìn)行盾構(gòu)功效分析。自動統(tǒng)計盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)所對應(yīng)的時間，可按環(huán)、按時間查詢，并可錄入每個停機(jī)階段的停機(jī)原因，方便分析盾構(gòu)機(jī)工作效率，分析影響盾構(gòu)機(jī)施工最大的因素，進(jìn)而改進(jìn)施工管理，提供盾構(gòu)機(jī)工作效率。三是系統(tǒng)可以進(jìn)行施工輔助分析。統(tǒng)計每環(huán)推進(jìn)參數(shù)的最大值，最小值，平均值，并形成曲線，與地質(zhì)、風(fēng)險、埋深等信息對應(yīng)，分析每環(huán)施工參數(shù)值的變化規(guī)律。四是系統(tǒng)可以進(jìn)行施工診斷分析。將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果和盾構(gòu)施工專家經(jīng)驗結(jié)合，形成盾構(gòu)施工診斷規(guī)則庫。

Figure 8. Equipment monitoring management function圖8. 設(shè)備監(jiān)控管理功能

Figure 9. Intelligent decision analysis function圖9. 智能決策分析功能

5. 總結(jié)

本文以蘭州站出站三公里油氣管道隱患治理工程為例，基于Autodesk 平臺將BIM 技術(shù)應(yīng)用于項目設(shè)計施工建造階段，對其進(jìn)行深入探索得出以下結(jié)論：

1) 本項目在BIM 建模時，累計發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙缺陷錯誤及碰撞23 處，將圖紙中隱藏的空間問題暴露出來，提高設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計人員現(xiàn)場服務(wù)的時間。

2) 通過Civil3D+ Dynamo + Revit 的建模軟件體系，突破了往常設(shè)計圖紙中僅能用平縱斷面圖的方式進(jìn)行圖紙設(shè)計的模式，同時對于隧道內(nèi)、豎井內(nèi)管道的布置給出了準(zhǔn)確定位，高精度的完成了項目整體布置，同時由于Dynamo 強(qiáng)大的編程功能，建模效率高，節(jié)約大量時間。

3) 通過盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理以及“智能化”決策管理，可以將盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的各個參數(shù)實時提取，通過與類似項目工程比對，及時發(fā)現(xiàn)施工中的進(jìn)度質(zhì)量問題，為安全施工提供保障。

4) 通過BIM 模型的設(shè)計，在設(shè)計階段即保留了組件信息，同時配合本項目采用的盾構(gòu)監(jiān)控管理平臺，全方位保留了設(shè)計施工過程中的全部數(shù)字信息，為運(yùn)營單位的全方位監(jiān)管提供了充分的資料依據(jù)。

在下一階段，數(shù)字化設(shè)計還需滿足以下要求：

1) 能夠滿足集團(tuán)公司的數(shù)字化成果移交要求。可基于線路平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)提交，且在整體線路平臺中對穿跨越設(shè)計內(nèi)容通過三維模型進(jìn)行展示和交互。

2) 在實現(xiàn)高效、精細(xì)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、項目參數(shù)等設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，且能夠整合施工、運(yùn)營的各個階段的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計施工和輔助進(jìn)行運(yùn)營管理和決策。