地下洞室施工模型動(dòng)態(tài)管理方法研究

許墨陶，龐 琦，葛瑞華，孫 陽(yáng)，李爾康

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司數(shù)字與智慧工程院，陜西 西安 710054)

0 引言

如今，隨著國(guó)家對(duì)工程信息化的重視程度提高，陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策來(lái)促進(jìn)BIM技術(shù)以及信息化技術(shù)的發(fā)展[1]。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)及施工方面的優(yōu)越性也日漸凸顯，如BIM模型的可視化、屬性信息的集成化、數(shù)據(jù)信息的無(wú)障礙共享化等，可幫助各參建方更好更快地了解和掌握建設(shè)項(xiàng)目的施工情況，近幾年在水利水電、高速公路、地下洞庫(kù)等工程已有廣泛應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，廖云江、王超、王紅軍等[2]以兩河口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程為例，利用BIM技術(shù)，建立集成施工信息地下洞室群BIM模型。于琦、王紅軍、歐陽(yáng)樂(lè)穎[3]在三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入BIM思想研發(fā)地下洞室預(yù)警系統(tǒng)。趙琳、張軒、陳鵬飛[4]在京張高鐵八達(dá)嶺車站工程中運(yùn)用BIM技術(shù)建立地下洞室模型有效提升設(shè)計(jì)效率。中國(guó)電建西北院發(fā)明了一種基于BIM的地下洞室地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法[5]。姚寶[6]使用revit軟件，實(shí)現(xiàn)地下車庫(kù)排水溝、車位、充電設(shè)備等設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高了工程質(zhì)量水平。沙莎[7]結(jié)合實(shí)際道路建設(shè)項(xiàng)目，基于BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了BIM模型的創(chuàng)建以及管理平臺(tái)的搭建。

然而，在地下洞室施工過(guò)程中，一方面由于地下洞室圍巖類別的復(fù)雜性，無(wú)法根據(jù)前期地質(zhì)勘探情況判斷出地下洞室準(zhǔn)確的圍巖類別并一次性建立準(zhǔn)確的地下洞室施工BIM模型；另一方面隨著地下洞室的開(kāi)挖掘進(jìn)，需對(duì)不同施工狀態(tài)的地下洞室BIM模型進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)管理，以提高模型的辨識(shí)度，進(jìn)而更好地指導(dǎo)施工。

為解決上述問(wèn)題，在中國(guó)電力建設(shè)股份有限公司科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助下，本文基于BIM輕量化技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新地下洞室施工BIM模型并直觀展示圍巖類別屬性信息與實(shí)際施工進(jìn)度的地下洞室施工模型的管理方法研究，并在某地下洞室施工過(guò)程中成功應(yīng)用，更好地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)度管理與施工[8]。

1 動(dòng)態(tài)管理方法設(shè)計(jì)

該方法將地下洞室輕量化BIM模型作為地質(zhì)信息和施工信息的可視化載體，隨著地下洞室的開(kāi)挖掘進(jìn)，同時(shí)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)揭露情況及編錄成果，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息，將不同的圍巖類別和實(shí)際施工進(jìn)度狀態(tài)在地下洞室輕量化BIM模型上用不同的顏色和透明度進(jìn)行呈現(xiàn)，可為管理者提供清晰明了、可視化的地下洞室施工決策依據(jù)。

該方法邏輯圖如圖1所示。

該方法的主要步驟如下：

步驟一：根據(jù)已知地質(zhì)資料通過(guò)BIM軟件建立地下洞室施工BIM模型。

步驟二：利用輕量化轉(zhuǎn)換工具將地下洞室施工BIM模型轉(zhuǎn)換為地下洞室施工輕量化BIM模型。

步驟三：將輕量化模型上傳至網(wǎng)頁(yè)端地下洞室施工管理平臺(tái)中。

步驟四：將圍巖類別信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息與輕量化模型關(guān)聯(lián)掛接。

步驟五：將不同的圍巖類別和實(shí)際施工進(jìn)度狀態(tài)在地下洞室施工管理平臺(tái)中分別預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的顯示顏色與透明度。

步驟六：可視化展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度情況。

步驟七：在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)揭露情況及編錄成果與實(shí)際施工進(jìn)度，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息。

該方法可對(duì)地下洞室BIM模型進(jìn)行實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)地下洞室BIM模型顏色與透明度隨著圍巖類別和實(shí)際施工狀態(tài)的變化自動(dòng)添加/修改與顯示，直觀展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度，省去模型的再處理工作，不需要人工手動(dòng)進(jìn)行操作，提高了工作效率與模型的辨識(shí)度，可更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)度管理與施工，為決策者提供可視化的施工決策信息。

通過(guò)實(shí)時(shí)收集地下洞室施工過(guò)程信息，動(dòng)態(tài)反饋到輕量化模型中指導(dǎo)施工，再收集施工過(guò)程信息反饋到輕量化模型的一個(gè)反復(fù)過(guò)程，形成一個(gè)正反饋的邏輯閉環(huán)。

2 應(yīng)用案例

某水電工程采用壩式開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，對(duì)上游水電站反調(diào)節(jié)，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，電站建成后，每年可實(shí)現(xiàn)直接產(chǎn)值約12億元，經(jīng)濟(jì)效益較顯著。水電站擋水建筑物為建造在深厚覆蓋層上的混凝土面板堆石壩，泄洪建筑物由右岸2孔開(kāi)敞式岸邊溢洪道和1條泄洪放空洞組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸山體中，由電站進(jìn)水口、輸水隧洞、地下廠房、主變洞、尾水閘門(mén)操作室、尾水隧洞、尾水渠和地面GIS開(kāi)關(guān)站組成。本工程洞室較多，右岸有導(dǎo)流洞、泄洪放空洞，左岸引水發(fā)電系統(tǒng)均在地下，軟弱夾層發(fā)育，尤其是左岸地下廠房部位發(fā)育有兩條規(guī)模較大的軟弱條帶及平緩斷層，對(duì)地下廠房穩(wěn)定有一定影響，因此存在地下洞室圍巖的穩(wěn)定問(wèn)題。本文利用上述方法在該水電工程地下洞室群施工中成功應(yīng)用，取得較好的使用效果。

2.1 地下洞室BIM模型創(chuàng)建與輕量化轉(zhuǎn)換

本文根據(jù)某水電工程現(xiàn)有工程資料，采用達(dá)索公司旗下3DE平臺(tái)，建立施工三維模型和地質(zhì)三維模型。但因3DE軟件專業(yè)化程度高，只能通過(guò)桌面端軟件程序打開(kāi)三維模型，模型體量大，所占系統(tǒng)內(nèi)存多，無(wú)法上傳到網(wǎng)頁(yè)端管理平臺(tái)中進(jìn)行管理與查看。施工現(xiàn)場(chǎng)硬件條件有限，為方便現(xiàn)場(chǎng)工程管理人員可在個(gè)人電腦上查看、操作地下洞室BIM模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型指導(dǎo)工程管理可落地、可應(yīng)用。故首先需要將專業(yè)軟件中的BIM模型輕量化處理，轉(zhuǎn)化為網(wǎng)頁(yè)端也可查看操作的輕量化BIM模型。

本文通過(guò)電建西北院自主研發(fā)BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換插件，對(duì)BIM模型實(shí)施輕量化轉(zhuǎn)換，可在3DE平臺(tái)中將模型直接轉(zhuǎn)換為.b3d輕量化模型數(shù)據(jù)格式，壓縮比最高可達(dá)100∶1，且模型精度不降低，模型展示效果不受影響。BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換插件如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)研發(fā)

本文在React框架下，采用WebGL技術(shù)在HTML5頁(yè)面上建成了Web端施工模型管理平臺(tái)。本平臺(tái)主要包含以下4個(gè)模塊：

1)施工模型管理模塊，其主要功能為：管理輕量化模型的上傳、模型操作等。

2)模型信息管理模塊，其主要功能為：管理輕量化模型圍巖類別屬性、施工屬性掛接等。

3)施工任務(wù)管理模塊，其主要功能為：管理輕量化施工模型施工任務(wù)、施工進(jìn)度等信息等。

4)形象進(jìn)度模擬模塊，用于可視化展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度。

平臺(tái)整體用于整體協(xié)調(diào)統(tǒng)籌模塊之間的信息傳遞。

2.3 輕量化模型上傳及屬性掛接

模型輕量化后通過(guò)施工模型管理模塊上傳至Web端平臺(tái)，仍能保留輕量化前的模型結(jié)構(gòu)樹(shù)。通過(guò)模型信息管理模塊將圍巖類別信息上傳至平臺(tái)后，在模型結(jié)構(gòu)樹(shù)或地質(zhì)模型構(gòu)件上添加對(duì)應(yīng)屬性信息即可完成輕量化地質(zhì)模型與對(duì)應(yīng)信息的掛接工作。輕量化模型和對(duì)應(yīng)屬性在平臺(tái)上的展示如圖3所示。

然后將BIM模型對(duì)應(yīng)的施工進(jìn)度信息導(dǎo)入模型信息管理模塊中。

2.4 圍巖類別顏色與透明度的預(yù)設(shè)

在施工模型管理平臺(tái)中，按照工程資料以及提前設(shè)定的規(guī)則，對(duì)圍巖類別屬性和施工狀態(tài)分別預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的顏色及透明度，使得在可視化模型展示時(shí)，圍巖和施工狀態(tài)的顏色及透明度能夠隨著圍巖類別屬性和施工狀態(tài)的更新自動(dòng)變化。省去模型的再處理工作，不需要人工手動(dòng)進(jìn)行操作，提高了工作效率與模型的辨識(shí)度。

2.5 可視化展示施工進(jìn)度

當(dāng)前洞室工程項(xiàng)目管理中經(jīng)常用于表示進(jìn)度計(jì)劃的甘特圖，由于專業(yè)性強(qiáng)、可視化程度低，無(wú)法清晰描述施工進(jìn)度以及各種復(fù)雜關(guān)系，難以準(zhǔn)確表達(dá)工程施工的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。本文將BIM與施工組織計(jì)劃相連接，將空間信息、時(shí)間信息與資源信息整合在一個(gè)可視的5D模型中，直觀、精確地反映整個(gè)地下洞室施工過(guò)程。通過(guò)可視化展示可以在地下洞室建造過(guò)程中合理制定施工計(jì)劃、5D精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場(chǎng)地布置，對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理、控制，以縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量。

在某水電工程中的具體應(yīng)用如下：

1)地下洞室施工任務(wù)建立。

Web端施工模型管理平臺(tái)支持工程控制性節(jié)點(diǎn)進(jìn)度、年度進(jìn)度、月度進(jìn)度的導(dǎo)入、查詢。支持Project，EXCEL等格式進(jìn)度數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

在系統(tǒng)內(nèi)也可以新建/添加/刪除施工任務(wù)，任務(wù)可分母子級(jí)。

在任務(wù)條目中可填入(導(dǎo)入)對(duì)應(yīng)的計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間、計(jì)劃持續(xù)時(shí)間、計(jì)劃工程量等計(jì)劃信息。

系統(tǒng)中根據(jù)計(jì)劃可以有配套的甘特圖進(jìn)行管理，系統(tǒng)有日歷以及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻針功能。

2)任務(wù)與模型關(guān)聯(lián)。

平臺(tái)支持通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)關(guān)聯(lián)(按照編碼或指定規(guī)則)的方式，將計(jì)劃任務(wù)與模型構(gòu)件相互關(guān)聯(lián)。模型需提前根據(jù)地下洞室開(kāi)挖計(jì)劃，以開(kāi)挖單元為模型顆粒度，進(jìn)行拆解和細(xì)化。

3)施工進(jìn)度可視化展示。

進(jìn)度計(jì)劃編制完成，并綁定模型構(gòu)件后，平臺(tái)可以根據(jù)計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行可視化展示。

將進(jìn)度關(guān)聯(lián)到模型上并通過(guò)模型展示出來(lái)(見(jiàn)圖4)，可按照時(shí)間段查看計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)展情況，或可以任意拖拽時(shí)刻針至任意時(shí)刻，查詢?nèi)我鈺r(shí)刻的模型計(jì)劃進(jìn)度形象。

2.6 圍巖類別信息和實(shí)際施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)反饋

隨著地下洞室開(kāi)挖施工的推進(jìn)，實(shí)際地質(zhì)揭露情況和實(shí)際施工進(jìn)度也在不斷動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)生的信息動(dòng)態(tài)更新到Web端施工模型管理平臺(tái)，模型也隨著信息的更新動(dòng)態(tài)變化。在某水電工程具體實(shí)現(xiàn)如下：

1)地質(zhì)信息更新。

隨著施工階段地質(zhì)編錄的深入，依托開(kāi)挖過(guò)程中編錄成果，按照一定頻次(可取洞室開(kāi)挖單位工程編錄完成后一周內(nèi))對(duì)地下洞室圍巖類別信息進(jìn)行更新。平臺(tái)根據(jù)更新的信息自動(dòng)修改地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)模型顏色及透明度，并將其輕量化成果上傳至系統(tǒng)中，模型編碼不變，直接覆蓋原模型，顯示最新版本，并保存歷史版本(見(jiàn)圖5)。

2)實(shí)際施工進(jìn)度信息更新。

施工進(jìn)度信息包括實(shí)際開(kāi)始時(shí)刻、實(shí)際結(jié)束時(shí)刻、實(shí)際持續(xù)時(shí)刻以及實(shí)際工程量等。實(shí)際施工進(jìn)度填寫(xiě)在定制的表格中，上傳至平臺(tái)后，施工進(jìn)度信息會(huì)自動(dòng)映射到對(duì)應(yīng)的模型構(gòu)件上。管理人員便可以按照時(shí)間段查看實(shí)際進(jìn)度進(jìn)展情況，或可以任意拖拽時(shí)刻針至任意時(shí)刻，查詢?nèi)我鈺r(shí)刻的模型實(shí)際進(jìn)度形象。

隨著項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度進(jìn)展反饋，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)條目的計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間與實(shí)際開(kāi)始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間與實(shí)際結(jié)束時(shí)間對(duì)比，每項(xiàng)工作任務(wù)將有對(duì)應(yīng)的計(jì)劃模擬與實(shí)際進(jìn)度的對(duì)比分析，如提前1 d完成或已推遲10 d等，系統(tǒng)可以自動(dòng)導(dǎo)出進(jìn)度對(duì)比報(bào)表。

系統(tǒng)可以采用兩個(gè)窗口播放的形式，如左側(cè)窗口是計(jì)劃進(jìn)度模擬仿真窗口，右側(cè)窗口是實(shí)際進(jìn)度窗口，可以雙窗口同步播放，視覺(jué)上獲取進(jìn)度的差別(見(jiàn)圖6)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文創(chuàng)新性地提出了一種基于BIM技術(shù)的地下洞室施工模型動(dòng)態(tài)管理方法，將抽象的地下洞室地質(zhì)信息和施工信息可視化展示，并根據(jù)實(shí)際施工情況動(dòng)態(tài)反饋到平臺(tái)中，讓施工模型自動(dòng)動(dòng)態(tài)更新，并在某地下洞室工程中成功實(shí)踐，探索出該方法行之有效的實(shí)現(xiàn)路徑。解決了手動(dòng)更新模型效率低，工程管理中決策依據(jù)不直觀等問(wèn)題，有效提升地下洞室施工決策效率，增加資源分配和資源投入合理性，該方法具有良好的推廣前景。