BIM下隧道信息化施工管理系統(tǒng)淺析

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【摘要】隧道工程所處的地質環(huán)境較為復雜，且在工程建設過程中的信息管理方式落后，給隧道的施工帶來較大的風險。為了控制重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道建設過程中的質量、安全、進度、成本等因素，綜合利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等方法構建基于bim的隧道信息化施工管理系統(tǒng)。所建立的BIM系統(tǒng)將監(jiān)測點與BIM模型相關聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化顯示。BIM系統(tǒng)與施工管理的結合推進了隧道項目施工管理的信息化研究，提升了BIM技術在隧道工程管理中的有效利用。

【關鍵詞】BIM；隧道工程；信息化施工；管理系統(tǒng)

1引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市建設用地緊缺、交通擁堵等問題也日益突出，開發(fā)和利用城市地下空間是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1]?，F(xiàn)今，隧道工程已成為交通、能源、供水、儲存、城市公用事業(yè)、軍事設施、大壩和防洪工程的組成部分。然而，與傳統(tǒng)的建筑工程相比，隧道所處的地質環(huán)境較為復雜且這些地質信息難以完全掌握。此外，由于各工程參與方信息共享不足，信息管理方式落后等問題，隧道施工表現(xiàn)出不確定性和風險[2]。建筑行業(yè)的建筑信息建模(BIM)集成了物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等一系列先進信息技術，可以涵蓋整個項目生命周期中施工所需的幾乎所有信息[3]。BIM技術在隧道與地下工程等基礎設施項目建設中的應用還處于發(fā)展階段，未來具有很大的應用潛力[4]。在隧道施工階段會產生如項目文件、隧道分析、現(xiàn)場測量和項目狀態(tài)報告等數(shù)據(jù)[5]。一般情況下，項目參與者之間的數(shù)據(jù)交換是手動進行的。然而，這些信息都是高度相互依存的，需要通過媒介整合，BIM可以為隧道等復雜項目提供一個集成和協(xié)作的平臺[6]。目前，國內很多學者對隧道工程信息化施工開展了一系列研究。黃福杰等[7]基于Bentley系列軟件研究了沉管隧道的模型建立，并將其應用于碰撞檢查、工程量輔助統(tǒng)計、力學分析等，提高了工程項目建設的質量和效率。黃琦茗等[8]使用Micro‐Station二次開發(fā)工具研究了隧道的參數(shù)化建模方法，同時也實現(xiàn)了工程量的自動統(tǒng)計，提高了設計效率。王瀟瀟等[9]研究了建立面向工程結構化對象的隧道BIM模型的方法，并運用到4D虛擬施工及工程自動核算中。丁延書[10]將三維激光掃描與BIM技術相結合，實現(xiàn)了在隧道工程施工中的模型重構和仿真。廖峻等[11]基于B/S框架開發(fā)了隧道管理系統(tǒng)，主要能夠實現(xiàn)不良地質管理、工程資料管理，構件管理等問題，提高了隧道的信息化管理水平。張志偉等[12]依托北京地鐵19號線研究了基于BIM和GIS的三維場景顯示和風險巡視，能夠有效地集成風險信息，提高風險的識別能力。目前基于BIM的隧道管理系統(tǒng)主要針對隧道工程的施工進度和施工質量的管理，將隧道施工安全、進度、質量、成本等統(tǒng)一起來形成一個完整的體系的研究還比較少。本文基于重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道工程，開發(fā)了基于BIM的隧道信息化施工管理系統(tǒng)，包括的功能有施工模擬、人員定位、視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測、質量檢查。以隧道的施工質量、安全、進度和成本為切入點，形成了隧道的信息化施工。

2工程背景

重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道工程，起點里程為YK5+353.179，終點里程為YK6+350.497，長度約997.3m。區(qū)間線路自南坪站出發(fā)后向北布設，下穿洋河南濱花園小區(qū)、金鳴公司后接入南濱路站。本區(qū)間隧道拱頂埋深25m～54m，穿越巖層主要有砂巖和砂質泥巖，圍巖級別為IV級。隧道按新奧法原理設計，采用鉆爆法施工，復合式襯砌結構。為了提高該隧道施工管理的信息化，引進了BIM模型對施工現(xiàn)場的質量、進度以及安全等方面進行有效的把控，本文基于AutodeskRevit軟件進行建模。由于隧道工程在空間上是條帶狀分布的，因此在隧道模型建立時，需要考慮隧道在不同位置構件的特殊性和互通性。對族文件進行統(tǒng)一的建立和管理，簡化模型的建立流程、減小所建立隧道模型的體積，所建立的隧道BIM模型如圖1所示。

3系統(tǒng)架構設計

本文所建立的基于BIM的隧道信息化施工管理系統(tǒng)采用B/S架構。B/S架構是將瀏覽器作為系統(tǒng)的客戶端，幾乎所有的電腦、手機及平板都裝有瀏覽器，用戶可以在瀏覽器上完成數(shù)據(jù)上傳、管理及交流共享，各個用戶之間的信息交流非常方便。也不需要安裝專門的客戶端，自然也不需要進行客戶端維護升級，軟件維護成本相對較低，同時由于B/S架構的軟件系統(tǒng)大部分的操作都在服務器中完成，對客戶端的硬件性能求較低。如圖2所示，基于BIM的隧信息化施工管理系統(tǒng)由用戶層、功能層、數(shù)據(jù)層和設備層4層架構組成。用戶層是指為系統(tǒng)的登錄提供多方人員的支持。為了能充分的發(fā)揮本信息管理系統(tǒng)分享信息的優(yōu)勢，但又同時兼顧信息安全性。功能層是指該系統(tǒng)主要包括施工模擬、人員定位、視屏監(jiān)控、安全監(jiān)測和質量檢查等功能。數(shù)據(jù)層是指使用MicrosoftSQLServer來建立人員定位數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和質量檢查數(shù)據(jù)庫等。設備層包括RFID芯片、高清攝像頭和監(jiān)測傳感器等，動態(tài)地采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網絡轉給數(shù)據(jù)庫和服務器。

4系統(tǒng)功能應用

以重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道工程為依托的BIM信息化施工管理系統(tǒng)集成施工模擬、人員定位、視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測、質量檢查，為指導隧道信息化施工提供了技術依據(jù)。

4.1施工模擬

模型的構建和管理基于工作任務分解結構(WBS)，分別列出各子項目的計劃內容以及各子項目的計劃起始和結束時間。根據(jù)實際的施工過程，將每個構件的實際起始和結束時間上傳到系統(tǒng)中。最終，系統(tǒng)可以建立一個包含計劃起始和結束時間、實際開始和結束時間的4D模型數(shù)據(jù)庫。圖3為利用BIM相關技術則可以對隧道模型進行施工模擬與對比。從而實現(xiàn)了對隧道施工的前期預設、中期實時記錄以及后期分析等的模擬。管理人員可通過BIM管理系統(tǒng)監(jiān)控施工的全過程，及時發(fā)現(xiàn)施工技術的危險源頭，減少安全問題、質量問題、返工和整改問題等。

4.2人員定位

當隧道施工人員進入現(xiàn)場施工時需要佩戴裝有信息標識卡的安全帽。當施工人員經過隧道的信號接受識別設備時，可以接收到人員的信號。通過系統(tǒng)網絡的數(shù)據(jù)傳輸交換，把此人經過的位置、時間等信息傳輸至后臺數(shù)據(jù)記錄中心，實現(xiàn)施工人員的精確定位。隨著系統(tǒng)的不斷運行更新，實現(xiàn)人員的實時定位和追蹤，轉換后在BIM模型上得到施工人員的實時位置。如圖4所示，在BIM模型中可以實時顯示隧道施工人員在某個區(qū)域的位置信息，同時可以顯示隧道內的人數(shù)、人員分布以及身份等相關的信息。該系統(tǒng)也包括人員的定位功能，只要將待搜索定位人員的姓名或工號輸入系統(tǒng)，該人員的位置信息就會顯示。此外，當施工人員遇到危險情況時，可以實時發(fā)出報警信號。該功能的研發(fā)能夠在一定程度上減少由于人為因素而造成的一系列事故。

4.3視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控是指在施工現(xiàn)場安裝高清攝像機，從而實時地呈現(xiàn)現(xiàn)場的具體施工畫面。通過將視頻監(jiān)控裝置連接到BIM構件中，從而在BIM模型中準確地定位攝像機。如圖5所示，在南坪站隧道BIM模型上分布著不同攝像機位置的標識圖標。當管理人員點擊這個圖標時，可以立即呈現(xiàn)攝像機位置所對應的隧道施工位置的作業(yè)情況，同時記錄施工人員的不當作業(yè)行為，加強現(xiàn)場作業(yè)的操作規(guī)范性，從而減少事故發(fā)生的可能性。

4.4安全監(jiān)測

在南坪站隧道區(qū)間所監(jiān)測的項目主要為拱頂下沉，凈空水平收斂，地表沉降，建筑物沉降，爆破振動，從而反映隧道自身及其周圍建筑的變形，作為判斷隧道的自身安全狀況及其對周圍環(huán)境的影響的依據(jù)。如圖6所示，該系統(tǒng)通過將位移監(jiān)測連接到BIM模型上，從而在隧道BIM模型上的實時呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于隧道施工的各個監(jiān)測項目通常有相對應的控制值，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過一定控制值時，需要及時預警處理。在南坪站隧道區(qū)間施工中，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用紅、橙、黃三級預警。黃色預警為變形監(jiān)測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的70%；或雙控指標之一達到控制值的85%。橙色預警為變形監(jiān)測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的85%；或雙控指標之一達到控制值。紅色預警為變形監(jiān)測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值。當各監(jiān)測項目監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)異常變化或達到三級預警指標時，消息將迅速發(fā)送給相關負責人員，同時在BIM管理系統(tǒng)中顯示監(jiān)測報警點所處的位置。該系統(tǒng)可以在BIM模型上三維可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，增加了風險的管理能力和及時處理能力。

4.5質量檢查

在隧道建設過程中，良好的質量管控對隧道的施工安全和質量控制意義重大。質量檢查以工序管理作為出發(fā)點，檢查人員可以實時的錄入質量檢查數(shù)據(jù)。如圖7所示，當檢查人員在發(fā)現(xiàn)相關質量問題時，可以將對問題的描述和整改的相關要求記錄在BIM模型中。該系統(tǒng)模塊形成了能夠在一定程度上保證質量安全的閉環(huán)管理模式，為隧道的施工安全提供了技術支持。

5結語

以南坪站至南濱路站區(qū)間隧道工程為背景，基于BIM技術開展隧道信息化施工相關技術的研究，以隧道的施工的質量、安全、進度和成本為切入點，主要獲得以下結論：①基于工作任務分解結構對隧道進行施工模擬，不僅可以優(yōu)化施工技術方案，還能通過對比計劃施工和實際施工情況來優(yōu)化施工組織設計等，有助于更好地把握項目施工進度；②運用人員定位和視頻監(jiān)控等方法，使相關管理人員能夠直觀地得到現(xiàn)場作業(yè)情況，當發(fā)生危險時能夠及時地指揮調度工作；③將監(jiān)測點與BIM模型相關聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化顯示，當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到了所對應的控制值時，會出現(xiàn)安全預警信息。同時，將質量檢查結果與BIM模型比對實行動態(tài)化整改，從而實現(xiàn)信息化安全管控的目標。

作者:肖載興 單位:中鐵十四局集團第五工程有限公司