基于BIM和二維碼的盾構(gòu)管片全生命周期管理系統(tǒng)研究

趙文祥

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 杭州 311122)

引言

隨著工程建設(shè)項目的管理水平和科技水平日益提高，城市軌道交通工程建設(shè)領(lǐng)域正在發(fā)生翻天覆地的變化。傳統(tǒng)的預(yù)制件線下管理方式無法實現(xiàn)盾構(gòu)管片進度管控以及生命周期維護操作，而且不能為建設(shè)單位提供現(xiàn)場實時統(tǒng)計資料。另一方面，隨著信息技術(shù)水平的不斷提升，在預(yù)制管片的管理模式方面也進行了探索和研究，并取得了一定的成果。其中，解亞龍等提出鐵路工程透明隧道的全域模型和透明工作面、透明地質(zhì)的概念，實現(xiàn)透明隧道的技術(shù)架構(gòu)[1]；宋博宙等提出基于二維碼技術(shù)創(chuàng)建地鐵管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對地鐵管片生產(chǎn)、出廠和運輸過程中的高效管控[2]；田文攀等將有限元法和建筑信息模型技術(shù)相結(jié)合，通過對管片堆放層數(shù)仿真分析與管片定位研究，在此基礎(chǔ)上提出一種基于BIM的混堆模式預(yù)制管片堆場定位新方法[3]；陳聰?shù)然贗FC標(biāo)準(zhǔn)模型體系、擴展方式和圖形表達方法，對管片檢測信息進行了表達和擴展，建立了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的管片檢測信息模型[4]; 林曉東等將BIM與GIS技術(shù)進行集成，搭建盾構(gòu)隧道的全壽命管理系統(tǒng)，為盾構(gòu)隧道整體相關(guān)的地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運營監(jiān)測和養(yǎng)護維護等階段提供標(biāo)準(zhǔn)化管理方法[5]；李鑫等提出了基于BIM技術(shù)構(gòu)建施工物料管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，通過對施工進度管理與物料管理的集成，解決了物料供應(yīng)、倉儲管理、進度風(fēng)險把控等現(xiàn)實問題[6]；孟軻總結(jié)了在上海軌道17號線全生命期應(yīng)用BIM技術(shù)的管理模式、總體策劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)交付全線數(shù)字資產(chǎn)的實施經(jīng)驗[7-8]；朱明清等開發(fā)了地鐵盾構(gòu)管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了車間級實時動態(tài)管理以及關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，可以有效解決進度管理、堆存管理、質(zhì)量管理等現(xiàn)實問題[9]；陳勇等提出通過在預(yù)制混凝土管片中植入RFID芯片，利用芯片進行數(shù)據(jù)采集及存儲，實現(xiàn)對預(yù)制混凝土管片全生命周期的質(zhì)量監(jiān)控[10-11]；胡珉等以隧道BIM運維模型為基礎(chǔ)， 建立隧道可視化智能決策系統(tǒng)，幫助用戶快速掌握現(xiàn)場情況，獲取自動輔助決策結(jié)果，提高運維工作效率和質(zhì)量[12]；吳賢國等提出基于DYNAMO參數(shù)化運營隧道三維建模方案，為運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，監(jiān)測量預(yù)警分析與預(yù)警可視化方向提供思路[13]；蘇立勇等創(chuàng)新性地對北京地鐵19號線中涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分類，確定附屬一體化信息化管理過程中所需的數(shù)據(jù)種類[14]；李益斌等研究了隧道BIM參數(shù)化快速建模方法，通過監(jiān)測信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)，提高監(jiān)測信息的可視化程度，并且為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)支持[15]。

綜合來看，目前國內(nèi)有關(guān)預(yù)制管片的研究主要集中在面向預(yù)制管片的生產(chǎn)、運輸、堆放、拼裝、監(jiān)測等單個方面，而對于整個預(yù)制管片全生命周期管理方面的研究尚存在空缺。以下依托杭州至紹興城際鐵路工程，建立基于“BIM+二維碼”的盾構(gòu)管片全生命周期管理系統(tǒng)。主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在將二維碼(編碼)管理信息與BIM三維建筑信息模型映射關(guān)聯(lián)，使線下實物與線上模型基于編碼的唯一性實現(xiàn)孿生一一對應(yīng)，通過延續(xù)應(yīng)用設(shè)計階段的 BIM 模型，保證了設(shè)計到施工信息的延續(xù)性和完整性。

1 工程概況

杭州至紹興城際鐵路工程線路全長20.3 km，部分地下線，部分高架橋，沿線共設(shè)9個站點，其中高架站4個，地下站5個(見圖1)。圖1中紅色虛線部分為地下區(qū)間，絕大部分采用盾構(gòu)區(qū)間的形式，盾構(gòu)區(qū)間包括：姑娘橋站—衙前路站、衙前路站—楊汛橋站、鑒水路站—越州大道站、越州大道站—中國輕紡城站， 區(qū)間盾構(gòu)隧道均位于淤泥質(zhì)黏土層中，掘進地層天然含水量平均值為45.4%， 隧道最小埋深9.13 m，最大埋深20.61 m。區(qū)間雙線總長度為16 km，盾構(gòu)管片采用1.2 m寬的通用管片，總計13 400環(huán)。實線部分為地上高架、地面路基、明挖區(qū)間部分。

圖1 杭州至紹興城際鐵路方案示意

2 設(shè)計方案研究

2.1 研究內(nèi)容及目標(biāo)

基于工程數(shù)字化與信息化技術(shù)，研究管片設(shè)計生產(chǎn)施工全過程管理的專項解決方案，利用Bentley Microstaion設(shè)計平臺，建立全線盾構(gòu)區(qū)間管片BIM模型，用于指導(dǎo)管片生產(chǎn)及盾構(gòu)現(xiàn)場施工，為每塊管片建立二維碼身份證，建立數(shù)字資產(chǎn)與實體資產(chǎn)聯(lián)系的紐帶，對管片設(shè)計、生產(chǎn)、出廠、運輸、進場、堆放、調(diào)度下井、拼裝及驗收全過程進行數(shù)字化、精細化管控，以滿足管片資產(chǎn)全生命周期管理的要求。

2.2 重難點分析

盾構(gòu)區(qū)間排版部分需要整合分析盾構(gòu)區(qū)間周邊環(huán)境、盾構(gòu)設(shè)備等要素，以后形成較為合理的盾構(gòu)排版數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)生產(chǎn)及現(xiàn)場實施，杭紹線區(qū)間盾構(gòu)隧道全線位于淤泥質(zhì)黏土層中，掘進地層含水量高，自然環(huán)境較為復(fù)雜，時常需在現(xiàn)場條件發(fā)生變化的情況下及時快速重新計算排版。既需要形成比較可靠的排版用于指導(dǎo)生產(chǎn)及施工，也需要實現(xiàn)排版實時化，為應(yīng)對現(xiàn)場變化。應(yīng)對上述重難點，一方面在排版軟件中考慮現(xiàn)場多方位情況，引入定量分析理念，力求排版軟件能夠適應(yīng)現(xiàn)場多維度變化；另一方面，集成定制排版成果輸出成果，一鍵輸出排版成果用于指導(dǎo)生產(chǎn)、儲運及施工。

管片是承擔(dān)隧道結(jié)構(gòu)安全和防水功能的重要混凝土預(yù)制構(gòu)件，已經(jīng)在工廠內(nèi)形成了標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程。傳統(tǒng)的管片廠設(shè)立有專職的資料管理員，負(fù)責(zé)對管片的生產(chǎn)履歷進行記錄，這種記錄多為事后補錄，信息錄入不及時且容易出錯，另外，管片的水養(yǎng)和堆存信息也需要專人進行實時維護和更新。對于杭紹線項目的大型管片廠而言，上述數(shù)據(jù)錄入和處理的工作十分繁重，當(dāng)管片出現(xiàn)質(zhì)量問題時，這種手工記錄的方式也不利于快速定位。管片生產(chǎn)、儲運、安裝全過程管理部分需要實現(xiàn)全過程管理的平臺化和集成化，應(yīng)在一個數(shù)據(jù)平臺上實現(xiàn)生產(chǎn)、儲運、吊裝、施工以及后期運維管理的全過程管控體系。因此，提出一種以二維碼管理為軸線，以BIM模型為信息載體，以管片全生命周期管控為目標(biāo)，充分考量各方實際應(yīng)用場景及權(quán)責(zé)分工，打造全生命周期管控平臺模塊，制定與之相匹配的盾構(gòu)管片管理辦法，系統(tǒng)性地解決在管片生產(chǎn)儲運施工過程中遇到的問題。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)路線

技術(shù)路線描述由4部分組成，分別是PC端模型初始化、Web端信息初始化、移動端二維碼跟蹤管片、Web端操作與應(yīng)用，見圖2。

圖2 管片設(shè)計生產(chǎn)施工全過程管理技術(shù)路線

(1)PC端模型初始化

PC端模型初始化，即進行盾構(gòu)管片BIM模型創(chuàng)建，賦予模型屬性信息后輕量化發(fā)布。

(2)Web端信息初始化

Web端信息初始化，即收集二維碼跟蹤管片的信息字段、字段的管理和維護等工作。

(3)移動端二維碼管片跟蹤

移動端二維碼跟蹤管片，即二維碼線下跟蹤管片的信息錄入流程。

(4)Web端操作與應(yīng)用

Web端操作與應(yīng)用，即因線下條件受限需要在平臺補錄信息的過程和Web端對管片的全生命周期可視化管理。

3 研究成果及內(nèi)容

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

實現(xiàn)盾構(gòu)管片全生命周期管理可分為3個層面，見圖3。

圖3 盾構(gòu)管片全生命周期管理系統(tǒng)架構(gòu)

(1)終端數(shù)據(jù)層

充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動應(yīng)用提高現(xiàn)場管控能力，通過傳感器、攝像頭、手機等終端設(shè)備，實現(xiàn)對盾構(gòu)區(qū)間建設(shè)過程的實時監(jiān)控、智能感知、數(shù)據(jù)采集和高效協(xié)同，提高作業(yè)現(xiàn)場的管理能力。

(2)平臺層

各系統(tǒng)中處理的復(fù)雜業(yè)務(wù)，產(chǎn)生的大模型和大數(shù)據(jù)對服務(wù)器提供高性能的計算能力和低成本的海量數(shù)據(jù)存儲能力產(chǎn)生了巨大需求。通過云平臺進行高效計算、存儲及提供服務(wù)。讓項目參建各方更便捷的訪問數(shù)據(jù)，協(xié)同工作，使得建造過程更加集約、靈活和高效。

(3)應(yīng)用層

應(yīng)用層核心內(nèi)容應(yīng)始終圍繞提升盾構(gòu)生產(chǎn)、養(yǎng)護、運輸、拼裝等過程要素的管控。

3.2 盾構(gòu)管片BIM模型創(chuàng)建

利用Bentley Microstaion設(shè)計平臺進行盾構(gòu)管片參數(shù)化建模，管片參數(shù)化設(shè)計包括幾何分塊設(shè)計、接縫設(shè)計、細部構(gòu)造設(shè)計，(見圖4)；實現(xiàn)各種控制條件下(如偏差、優(yōu)選點位)沿線路擬合優(yōu)選排版設(shè)計、計算及建模(見圖5)。

圖4 單環(huán)管片參數(shù)化設(shè)計示意

圖5 沿線路擬合優(yōu)選排版設(shè)計計算及建模示意

排版完成的盾構(gòu)管片模型將被批量賦予編碼，編碼由“標(biāo)段+區(qū)間+管片編號+左/右線+管片類型+環(huán)號”組成，如某一管片編碼可寫為SG6-HJ1-00114-L-B1-50。賦予編碼后，BIM模型將以輕量化模型的方式導(dǎo)入盾構(gòu)管片全生命周期管理系統(tǒng)，用于二維碼的申請生成、加工信息統(tǒng)計、管片狀態(tài)動態(tài)拼接展示等。

3.3 管片生產(chǎn)施工全過程管理流程

管片生命周期中的狀態(tài)包括生產(chǎn)中、運輸中、修復(fù)中、已交付、已廢棄、已拼裝以及已驗收，見圖6。不考慮管片重復(fù)修補的情況，管片共有3條生命周期路線。

圖6 管片生產(chǎn)施工全過程管理流程

(1)生產(chǎn)中-運輸中-已交付-已拼裝-已驗收

該生命周期路線為常見情況，管片進場后施工方錄入現(xiàn)場堆放信息；管片下井前施工方錄入組環(huán)信息；待到管片拼裝成功，由監(jiān)理單位通過web端進行驗收。

(2)生產(chǎn)中-運輸中-修復(fù)中-已廢棄

管片運輸過程中可能會發(fā)生磕碰、斷裂等意外情況，這些管片進場時會被施工方定位為不合格，掃碼后錄入管片不合格信息，然后返廠交回給管片廠，若判定為不可修補，即將管片設(shè)置為已廢棄狀態(tài)。

(3)生產(chǎn)中-運輸中-修復(fù)中-運輸中-已交付-已拼裝-已驗收

該過程可等同于上述兩個過程的結(jié)合，唯一不同的是，修復(fù)中的管片進入管片廠之后被認(rèn)定為可以修補，由管片廠修補后重新將管片置為運輸中的狀態(tài)，再次等待施工單位的檢測。

3.4 管片生產(chǎn)施工全過程管理系統(tǒng)

基于模型的預(yù)制件(管片)管理業(yè)務(wù)功能，主要針對管片生產(chǎn)加工、運輸?shù)跹b、拼裝、驗收等全過程信息進行精細化管控，采用二維碼作為線下信息采集載體，將線下管片實時數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)運營提供豐富的管片生命信息，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可有效指導(dǎo)管片生產(chǎn)和協(xié)調(diào)，降低管片廢棄率從而減少成本損耗；同時通過二維碼所記載信息與管片環(huán)模型的屬性進行唯一識別形成關(guān)聯(lián)關(guān)系，實時更新現(xiàn)場管片拼裝進度，為建設(shè)單位提供現(xiàn)場實時資料，有效把控管片拼裝進度。

(1)管片信息模塊

管片信息模塊整合了二維碼申請、管片信息查詢以及組環(huán)信息查詢功能(見圖7)。該部分功能易于操作，邏輯簡單易懂。模塊提供了管片身份信息的初始化以及管片、組環(huán)信息查看功能，有助于用戶對自己標(biāo)段的管片、組環(huán)情況的了解。處于廢棄狀態(tài)的管片，考慮到是管片實物質(zhì)量問題，而設(shè)計模型無誤，故將保留其管片編碼，廢棄其過程信息，管片模型無需操作，只需在平臺中重新生成二維碼，即可用于后續(xù)過程操作。

圖7 管片生命周期查詢頁面

(2)管片跟蹤模塊

管片跟蹤功能整合了生產(chǎn)信息、進場信息、組環(huán)信息以及驗收信息。管片跟蹤功能除了能完成各狀態(tài)管片信息查詢功能，還配合移動端完善了管片的生命周期管理功能。通過點擊查看按鈕查看組環(huán)信息，可以展示組環(huán)驗收人、管片間隙、拼裝點位、軸線等信息，見圖8。

圖8 組環(huán)詳情展示頁面

(3)統(tǒng)計分析

通過統(tǒng)計分析頁面可查看管片的統(tǒng)計信息，展示內(nèi)容包含管片的總量以及分布于各個狀態(tài)下的管片數(shù)量，見圖9。

圖9 系統(tǒng)統(tǒng)計分析頁面

若管片不合格，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能也可以看到廢棄和修復(fù)的管片信息。

由于各標(biāo)段獨立進行施工，各個標(biāo)段施工進度不盡相同，為了統(tǒng)計各標(biāo)段管片使用情況以反映施工進度，統(tǒng)計分析提供標(biāo)段管片總數(shù)以及管片拼裝數(shù)量統(tǒng)計對比等功能。

(4)移動APP

移動端包括管片管理和批量掃描功能。通過掃描管片二維碼，系統(tǒng)會根據(jù)管片狀態(tài)以及用戶信息判斷對當(dāng)前管片的操作權(quán)限，僅具備“查看”權(quán)限的用戶不可獲取上傳、提交與編輯操作。移動端用戶界面見圖10。

圖10 移動端用戶界面

4 效益分析

依托杭州至紹興城際鐵路工程，盾構(gòu)管片全生命周期管理系統(tǒng)運用二維碼作為線下信息采集載體，將線下管片實時數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析有效指導(dǎo)管片生產(chǎn)和協(xié)調(diào)，降低管片廢棄率從而減少成本損耗，通過折算成減少的人工、材料及設(shè)備使用率/量，減少了盾構(gòu)區(qū)間土建造價的1%；同時通過二維碼所記載信息與管片環(huán)模型的屬性進行唯一識別形成關(guān)聯(lián)關(guān)系，實時更新現(xiàn)場管片拼裝進度，為建設(shè)單位提供現(xiàn)場實時資料，有效把控管片拼裝進度，人工日計劃達成率提高5%以上。

5 結(jié)語

研究關(guān)于盾構(gòu)管片全生命周期管理的專項解決方案，提出了基于“BIM+二維碼”的管片設(shè)計生產(chǎn)施工全過程管理，構(gòu)建了盾構(gòu)專項設(shè)計與施工全過程管控的技術(shù)平臺，并將研究成果應(yīng)用于杭紹線盾構(gòu)管片生產(chǎn)與施工全過程，實現(xiàn)了管片出廠、運輸、進場、堆放、調(diào)度下井、拼裝及驗收全過程管控，降低了工程成本，加強了對工程進度、質(zhì)量、安全、成本的全面管控和精細化管理。在項目建設(shè)期結(jié)束后，通過數(shù)字化移交的手段將盾構(gòu)管片所有信息和數(shù)據(jù)植入運維管理平臺，為項目運維階段提供無損、豐富的有效數(shù)據(jù)，包括原管片施工質(zhì)量、病害監(jiān)測數(shù)據(jù)、養(yǎng)護記錄、服役狀態(tài)等，從而打通盾構(gòu)管片的生產(chǎn)到運維全生命周期，為管片運維期間確定巡檢的頻次、強度以及巡檢重點部位等常規(guī)運維決策提供數(shù)據(jù)依托，通過對特定管片追根溯源，從而為管片漏水、破損等緊急事故的應(yīng)對方案提供數(shù)據(jù)支撐。