淺析BIM與裝配式隧道施工技術(shù)

【摘要】裝配式隧道施工是隧道建設(shè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，但其復(fù)雜的施工過程對信息化管理提出了更高的要求。BIM技術(shù)以其可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，為裝配式隧道施工提供了創(chuàng)新解決方案。文中系統(tǒng)分析了BIM技術(shù)在裝配式隧道設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維等階段的應(yīng)用，提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)、數(shù)字化管理、施工模擬等關(guān)鍵應(yīng)用點(diǎn)，并結(jié)合工程項(xiàng)目論證了BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。研究結(jié)果表明，BIM技術(shù)可以顯著提升裝配式隧道的建設(shè)效率與質(zhì)量，但仍面臨技術(shù)、管理等挑戰(zhàn)，后期應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、完善標(biāo)準(zhǔn)體系、加大人才培養(yǎng)，以推動(dòng)BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中的規(guī)模化應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】裝配式隧道；BIM技術(shù)；數(shù)字化應(yīng)用；信息化集成

【中圖分類號(hào)】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2025）01-0028-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，隧道工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工模式面臨工期長、質(zhì)量控制難、資源消耗大等問題。裝配式隧道施工作為一種先進(jìn)的建造方式，通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配的方式，可顯著提升隧道建設(shè)效率。但裝配式施工對設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、管理的協(xié)同性提出了更高的要求。BIM技術(shù)憑借數(shù)字化、信息化、智能化的優(yōu)勢，被越來越多地應(yīng)用于裝配式隧道建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)研究了BIM技術(shù)在裝配式隧道施工各階段的應(yīng)用方式、關(guān)鍵點(diǎn)、實(shí)際價(jià)值與面臨的挑戰(zhàn)，對于指導(dǎo)裝配式隧道高效建設(shè)、推動(dòng)隧道工程向智能化發(fā)展具有重要意義。

1 BIM技術(shù)與裝配式隧道施工概述

1.1 BIM技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域

BIM（Building Information Modeling）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息技術(shù)建立起多維、動(dòng)態(tài)、可視化的建筑信息模型，實(shí)現(xiàn)工程全生命周期數(shù)據(jù)的集成與管理[1]。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、參數(shù)化等特點(diǎn)，能夠顯著提升建設(shè)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、保障施工質(zhì)量、節(jié)約工程成本。目前，BIM技術(shù)已在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等建筑全產(chǎn)業(yè)鏈中得到廣泛應(yīng)用，涵蓋房建、市政、鐵路、水利等多個(gè)工程領(lǐng)域，成為建筑業(yè)信息化轉(zhuǎn)型的核心支撐技術(shù)。

1.2 裝配式隧道施工及其發(fā)展現(xiàn)狀

裝配式隧道施工是指采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的隧道建造方式。相較傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工，裝配式隧道施工具有效率高、工期短、受環(huán)境影響小、質(zhì)量控制精準(zhǔn)等優(yōu)勢。同時(shí)，其具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、精細(xì)化的特點(diǎn)，可顯著降低資源消耗、減少環(huán)境污染、提升安全水平。近年來，我國大力推廣裝配式建造方式，出臺(tái)了相關(guān)政策法規(guī)以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。在隧道工程領(lǐng)域，裝配式施工已在城市地下綜合管廊、海底隧道、電力隧道等項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，成為隧道建設(shè)與管理模式創(chuàng)新的重要方向。

1.3 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中的應(yīng)用價(jià)值

BIM技術(shù)與裝配式隧道施工的結(jié)合，能夠發(fā)揮數(shù)字化、信息化的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維的無縫銜接與精細(xì)管控，從而提升隧道建設(shè)品質(zhì)與管理效能?；贐IM的參數(shù)化進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可快速生成標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，優(yōu)化空間布局。BIM平臺(tái)支撐下的工廠化生產(chǎn)與質(zhì)量追溯，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件預(yù)制過程的數(shù)字化管理。將BIM應(yīng)用于施工階段的進(jìn)度模擬、現(xiàn)場布置、資源調(diào)配等環(huán)節(jié)，可科學(xué)指導(dǎo)裝配施工，提高工效，保證施工安全。運(yùn)維階段利用BIM實(shí)現(xiàn)隧道信息化管理，可支撐健康診斷、應(yīng)急處置等智慧化應(yīng)用。BIM技術(shù)疊加裝配式理念，正在推動(dòng)隧道工程建設(shè)向數(shù)字化、精益化、智能化方向邁進(jìn)。

2 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工各階段的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)師基于BIM平臺(tái)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以通過調(diào)整參數(shù)快速生成不同方案，優(yōu)化隧道線形、斷面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，提高設(shè)計(jì)效率。BIM還能直觀呈現(xiàn)復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)，進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)審查，及早發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)錯(cuò)漏碰撞等問題。此外，借助BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬與優(yōu)化，可根據(jù)實(shí)際工況合理安排施工順序、資源配置、現(xiàn)場布置，為后續(xù)裝配化施工提供優(yōu)化方案[2]。BIM在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，能夠綜合考慮設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等多維因素，讓裝配式隧道的前端策劃更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，在源頭提升隧道建造的質(zhì)量、效率、安全、經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)。設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升為裝配式隧道高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2.2 制造階段

BIM技術(shù)為構(gòu)件生產(chǎn)提供數(shù)字化管理手段。BIM提取構(gòu)件信息，直接傳遞給數(shù)控加工設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減少加工誤差，保障構(gòu)件精度。同時(shí)，BIM平臺(tái)記錄構(gòu)件生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯與監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)缺陷，嚴(yán)控預(yù)制品質(zhì)量。BIM集成物流管理信息，優(yōu)化構(gòu)件運(yùn)輸、存儲(chǔ)、供應(yīng)等環(huán)節(jié)，減少資源損耗與時(shí)間延誤，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件及時(shí)、準(zhǔn)確、高效配送。BIM在制造階段的應(yīng)用，讓裝配式隧道構(gòu)件預(yù)制實(shí)現(xiàn)信息化、智能化管控，將工廠化生產(chǎn)優(yōu)勢發(fā)揮到極致，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低資源消耗，從而推動(dòng)隧道建設(shè)向工業(yè)化、精益化方向邁進(jìn)。

2.3 施工階段

BIM技術(shù)為施工提供可視化、信息化管理平臺(tái)，使裝配式隧道施工更加規(guī)范有序、安全高效。通過BIM進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，可以優(yōu)化工序銜接，合理配置人員、材料、設(shè)備等資源，對現(xiàn)場施工進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)，從而顯著提高施工效率。利用BIM對現(xiàn)場布置、場地利用、材料堆放、機(jī)械調(diào)配等進(jìn)行模擬優(yōu)化，合理安排臨時(shí)設(shè)施、交通路線、存儲(chǔ)區(qū)域等，從而節(jié)約場地、降低成本、減少干擾。借助BIM對隧道結(jié)構(gòu)、管線、設(shè)備等信息進(jìn)行整合，形成施工指導(dǎo)模型，方便現(xiàn)場工人查看構(gòu)件安裝位置、順序、工藝等，提高裝配效率與準(zhǔn)確性。各參建方在BIM平臺(tái)協(xié)同作業(yè)，共享施工進(jìn)展、質(zhì)量檢查、安全管理等信息，可減少溝通障礙，提高響應(yīng)速度。

2.4 運(yùn)維階段

BIM集成了隧道的物理結(jié)構(gòu)、管線設(shè)備、監(jiān)測傳感器等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，用于建立隧道信息模型，為隧道運(yùn)維提供了數(shù)字化底座。利用BIM可視化、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢，對隧道結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行直觀分析、綜合評估，從而及時(shí)掌握病害隱患，優(yōu)化檢修養(yǎng)護(hù)策略。BIM還集成了環(huán)境監(jiān)測、交通流量、應(yīng)急資源等動(dòng)態(tài)信息，可以進(jìn)行應(yīng)急模擬演練、資源調(diào)度分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研判等，為突發(fā)事件的快速響應(yīng)、科學(xué)決策提供了有力支撐[3]。BIM是裝配式隧道實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維的核心技術(shù)，通過融合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，建立隧道全周期信息模型，讓運(yùn)維管理更加精準(zhǔn)、高效、智能，保障隧道安全暢通、經(jīng)久耐用。

3 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 某裝配式隧道項(xiàng)目的BIM應(yīng)用

某大型裝配式隧道項(xiàng)目全面應(yīng)用BIM技術(shù)，在設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)管控、施工模擬、進(jìn)度管理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的創(chuàng)新實(shí)踐。項(xiàng)目利用BIM參數(shù)化建模功能，快速對比優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率5%以上?；贐IM的數(shù)字化加工使預(yù)制構(gòu)件精度提升20%，一次合格率達(dá)98%。施工階段通過BIM模擬優(yōu)化，各工序平均工效提高10%，工期縮短15 d。集成BIM大數(shù)據(jù)分析進(jìn)度偏差原因，動(dòng)態(tài)優(yōu)化資源配置，確保了項(xiàng)目如期高質(zhì)量交付。該項(xiàng)目的BIM應(yīng)用實(shí)踐表明，BIM技術(shù)能夠有效支撐裝配式隧道建設(shè)全過程的精細(xì)化管理，減少錯(cuò)漏碰撞，強(qiáng)化產(chǎn)供需協(xié)同，提質(zhì)增效顯著，值得在更多工程中推廣應(yīng)用。

3.2 裝配式隧道項(xiàng)目BIM應(yīng)用創(chuàng)新優(yōu)化

另一裝配式隧道項(xiàng)目在BIM支持下，對關(guān)鍵工藝流程與施工工法進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。通過BIM建立隧道信息模型，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)管片拼裝方式在銜接精度、安全性等方面存在不足。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用BIM進(jìn)行虛擬裝配，反復(fù)論證后創(chuàng)新提出預(yù)制管片“插接式”拼裝新工藝，專利轉(zhuǎn)化應(yīng)用后，裝配效率提高30%，質(zhì)量控制更加精準(zhǔn)。施工過程中，項(xiàng)目還利用BIM開展智能化監(jiān)測，在隧道內(nèi)密布各類傳感器，實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，集成分析后實(shí)現(xiàn)了隧道建造過程的可視化智能監(jiān)控，從而及時(shí)預(yù)警各類風(fēng)險(xiǎn)因素。該項(xiàng)目為BIM賦能隧道建設(shè)創(chuàng)新提供了鮮活范例，彰顯出BIM應(yīng)用可提升建設(shè)品質(zhì)并保障運(yùn)營安全。

4 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)與對策

4.1 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中的應(yīng)用尚處于探索階段，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，隧道工程的大跨度、復(fù)雜性對BIM軟硬件平臺(tái)的性能提出了更高的要求，當(dāng)前的建模、仿真等技術(shù)還難以完全適應(yīng)隧道的特定需求。其次，隧道各參建方采用的BIM軟件多樣，不同專業(yè)、不同階段的數(shù)據(jù)交互銜接困難重重，亟須制定隧道BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范模型創(chuàng)建、更新、交付的信息規(guī)則，實(shí)現(xiàn)信息的無縫流轉(zhuǎn)。此外，既精通隧道專業(yè)知識(shí)、又熟練掌握BIM技術(shù)的復(fù)合型人才十分稀缺，專業(yè)人才短缺成為制約BIM技術(shù)在隧道工程深入應(yīng)用的因素。

4.2 BIM技術(shù)在裝配式隧道施工管理中的挑戰(zhàn)

將BIM技術(shù)引入裝配式隧道施工管理領(lǐng)域，對既有的管理模式提出了變革要求，面臨一系列管理挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)隧道項(xiàng)目各階段的管理流程割裂，很難適應(yīng)BIM協(xié)同工作的特點(diǎn)，跨部門、跨專業(yè)、跨階段的一體化集成管理尚存在諸多障礙。在現(xiàn)行的隧道工程組織模式下，設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、業(yè)主等主體的BIM應(yīng)用動(dòng)機(jī)不足，各方在BIM平臺(tái)上缺乏順暢的溝通渠道和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，多方協(xié)同效率不高，影響了BIM在各環(huán)節(jié)的應(yīng)用成效[4]。同時(shí)，在工程總承包、施工總承包等合同模式中，BIM實(shí)施的主體責(zé)任界定模糊，投入與收益分配機(jī)制不明晰，與BIM應(yīng)用所要求的新型角色、新型關(guān)系不相適應(yīng)。此外，項(xiàng)目管理人員對BIM的認(rèn)知還有局限性，變革意識(shí)不強(qiáng)，組織管理體系難以適應(yīng)BIM應(yīng)用帶來的新變化。

4.3 推動(dòng)BIM技術(shù)在裝配式隧道施工應(yīng)用的對策建議

1）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，明確發(fā)展路徑。BIM技術(shù)在裝配式隧道工程的綜合應(yīng)用亟須行業(yè)主管部門加強(qiáng)統(tǒng)籌謀劃，制定明確的實(shí)施路線圖。要立足裝配式隧道建設(shè)需求，研究提出BIM應(yīng)用的總體目標(biāo)、關(guān)鍵任務(wù)、支持政策等，多層面引導(dǎo)BIM技術(shù)與裝配式隧道工程的融合。在此基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的項(xiàng)目開展BIM應(yīng)用試點(diǎn)示范，推廣可復(fù)制、可推廣的實(shí)施路徑和管理模式。同時(shí)，建立健全BIM應(yīng)用的評價(jià)考核和獎(jiǎng)懲機(jī)制，針對不同類型隧道工程的BIM實(shí)施成效給予差異化評價(jià)和激勵(lì)，從而調(diào)動(dòng)各參與方的積極性。

2）完善標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)數(shù)據(jù)互通。建立系統(tǒng)、配套的隧道工程BIM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要加快構(gòu)建覆蓋隧道規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)研究制定隧道BIM建模、信息交換、成果提交驗(yàn)收等通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范隧道結(jié)構(gòu)、機(jī)電、管線等專業(yè)的模型創(chuàng)建、屬性賦值、接口設(shè)置等內(nèi)容，基于IFC、COBie等開放格式制定隧道BIM交付標(biāo)準(zhǔn)，為各軟件平臺(tái)間的無縫數(shù)據(jù)對接提供依據(jù)。與此同時(shí)，還需建立隧道BIM應(yīng)用的管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如BIM實(shí)施方案編制指南、BIM合同范本、BIM人才評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等，全面規(guī)范裝配式隧道工程的BIM實(shí)施流程和要求。

3）加大人才培養(yǎng)，提升應(yīng)用能力。大力培養(yǎng)人才要深化高校教育教學(xué)體制改革，加快BIM技術(shù)與隧道工程專業(yè)課程的融合，優(yōu)化培養(yǎng)方案，開發(fā)體現(xiàn)隧道行業(yè)特點(diǎn)的BIM教學(xué)資源，并強(qiáng)化校企聯(lián)合，增加實(shí)踐教學(xué)比重，提高學(xué)生的BIM應(yīng)用能力。要制定隧道BIM人才的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和能力評價(jià)體系，開展從業(yè)人員的BIM技能等級(jí)認(rèn)證和繼續(xù)教育培訓(xùn)，推動(dòng)既有人才向BIM方向轉(zhuǎn)型[5]。要鼓勵(lì)龍頭企業(yè)成立BIM技術(shù)中心，加大BIM專項(xiàng)培養(yǎng)力度，為人才成長搭建平臺(tái)。產(chǎn)學(xué)研各方攜手，加快培養(yǎng)一支高素質(zhì)的隧道BIM人才隊(duì)伍，以人才支撐裝配式隧道工程從投資決策到設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營維護(hù)的全過程BIM應(yīng)用。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在裝配式隧道施工中的應(yīng)用，為提升隧道工程建設(shè)水平提供了新思路。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)管控、施工模擬、運(yùn)維集成等環(huán)節(jié)的BIM應(yīng)用，可顯著提高裝配式隧道建設(shè)效率與質(zhì)量。但BIM技術(shù)應(yīng)用仍面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理模式、人才儲(chǔ)備等挑戰(zhàn)。要充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，必須加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，創(chuàng)新應(yīng)用模式，加大復(fù)合型人才培養(yǎng)，推動(dòng)BIM在裝配式隧道施工中的全面深化應(yīng)用，助力隧道工程向數(shù)字化、智能化方向升級(jí)。BIM與裝配式施工的協(xié)同創(chuàng)新，必將為隧道建設(shè)注入新動(dòng)能。

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[作者簡介]李佳（1978—），男，天津人，本科，工程師，研究方向：隧道工程。