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(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，且在工程建設(shè)過程中的信息管理方式落后，給隧道的施工帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。為了控制重慶軌道交通十號(hào)線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道建設(shè)過程中的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等因素，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等方法構(gòu)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(cè)點(diǎn)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化顯示。BIM系統(tǒng)與施工管理的結(jié)合推進(jìn)了隧道項(xiàng)目施工管理的信息化研究，提升了BIM技術(shù)在隧道工程管理中的有效利用。

【關(guān)鍵詞】BIM；隧道工程；信息化施工；管理系統(tǒng)

1引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市建設(shè)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(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1]。現(xiàn)今，隧道工程已成為交通、能源、供水、儲(chǔ)存、城市公用事業(yè)、軍事設(shè)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(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜且這些地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)[2]。建筑行業(yè)的建筑信息建模(BIM)集成了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等一系列先進(jìn)信息技術(shù)，可以涵蓋整個(gè)項(xiàng)目生命周期中施工所需的幾乎所有信息[3]。BIM技術(shù)在隧道與地下工程等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，未來具有很大的應(yīng)用潛力[4]。在隧道施工階段會(huì)產(chǎn)生如項(xiàng)目文件、隧道分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和項(xiàng)目狀態(tài)報(bào)告等數(shù)據(jù)[5]。一般情況下，項(xiàng)目參與者之間的數(shù)據(jù)交換是手動(dòng)進(jìn)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(fù)雜項(xiàng)目提供一個(gè)集成和協(xié)作的平臺(tái)[6]。目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)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(yīng)用于碰撞檢查、工程量輔助統(tǒng)計(jì)、力學(xué)分析等，提高了工程項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率。王瀟瀟等[9]研究了建立面向工程結(jié)構(gòu)化對(duì)象的隧道BIM模型的方法，并運(yùn)用到4D虛擬施工及工程自動(dòng)核算中。丁延書[10]將三維激光掃描與BIM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在隧道工程施工中的模型重構(gòu)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?qū)崿F(xiàn)不良地質(zhì)管理、工程資料管理，構(gòu)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(hào)線研究了基于BIM和GIS的三維場(chǎng)景顯示和風(fēng)險(xiǎn)巡視，能夠有效地集成風(fēng)險(xiǎn)信息，提高風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別能力。目前基于BIM的隧道管理系統(tǒng)主要針對(duì)隧道工程的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量的管理，將隧道施工安全、進(jìn)度、質(zhì)量、成本等統(tǒng)一起來形成一個(gè)完整的體系的研究還比較少。本文基于重慶軌道交通十號(hào)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(cè)、質(zhì)量檢查。以隧道的施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本為切入點(diǎn)，形成了隧道的信息化施工。

2工程背景

重慶軌道交通十號(hào)線南坪站至南濱路站區(qū)間隧道工程，起點(diǎn)里程為YK5+353.179，終點(diǎn)里程為YK6+350.497，長(zhǎng)度約997.3m。區(qū)間線路自南坪站出發(fā)后向北布設(shè)，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(zhì)泥巖，圍巖級(jí)別為IV級(jí)。隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用鉆爆法施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。為了提高該隧道施工管理的信息化，引進(jìn)了BIM模型對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量、進(jìn)度以及安全等方面進(jìn)行有效的把控，本文基于AutodeskRevit軟件進(jìn)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(shí)，需要考慮隧道在不同位置構(gòu)件的特殊性和互通性。對(duì)族文件進(jìn)行統(tǒng)一的建立和管理，簡(jiǎn)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(gòu)設(shè)計(jì)

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(gòu)。B/S架構(gòu)是將瀏覽器作為系統(tǒng)的客戶端，幾乎所有的電腦、手機(jī)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(gè)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(jìn)行客戶端維護(hù)升級(jí)，軟件維護(hù)成本相對(duì)較低，同時(shí)由于B/S架構(gòu)的軟件系統(tǒng)大部分的操作都在服務(wù)器中完成，對(duì)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(shè)備層4層架構(gòu)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(shì)，但又同時(shí)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(cè)和質(zhì)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(cè)數(shù)據(jù)庫和質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)庫等。設(shè)備層包括RFID芯片、高清攝像頭和監(jiān)測(cè)傳感器等，動(dòng)態(tài)地采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)給數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器。

4系統(tǒng)功能應(yīng)用

以重慶軌道交通十號(hào)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(cè)、質(zhì)量檢查，為指導(dǎo)隧道信息化施工提供了技術(shù)依據(jù)。

4.1施工模擬

模型的構(gòu)建和管理基于工作任務(wù)分解結(jié)構(gòu)(WBS)，分別列出各子項(xiàng)目的計(jì)劃內(nèi)容以及各子項(xiàng)目的計(jì)劃起始和結(jié)束時(shí)間。根據(jù)實(shí)際的施工過程，將每個(gè)構(gòu)件的實(shí)際起始和結(jié)束時(shí)間上傳到系統(tǒng)中。最終，系統(tǒng)可以建立一個(gè)包含計(jì)劃起始和結(jié)束時(shí)間、實(shí)際開始和結(jié)束時(shí)間的4D模型數(shù)據(jù)庫。圖3為利用BIM相關(guān)技術(shù)則可以對(duì)隧道模型進(jìn)行施工模擬與對(duì)比。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道施工的前期預(yù)設(shè)、中期實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)施工技術(shù)的危險(xiǎn)源頭，減少安全問題、質(zhì)量問題、返工和整改問題等。

4.2人員定位

當(dāng)隧道施工人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要佩戴裝有信息標(biāo)識(shí)卡的安全帽。當(dāng)施工人員經(jīng)過隧道的信號(hào)接受識(shí)別設(shè)備時(shí)，可以接收到人員的信號(hào)。通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸交換，把此人經(jīng)過的位置、時(shí)間等信息傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)記錄中心，實(shí)現(xiàn)施工人員的精確定位。隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行更新，實(shí)現(xiàn)人員的實(shí)時(shí)定位和追蹤，轉(zhuǎn)換后在BIM模型上得到施工人員的實(shí)時(shí)位置。如圖4所示，在BIM模型中可以實(shí)時(shí)顯示隧道施工人員在某個(gè)區(qū)域的位置信息，同時(shí)可以顯示隧道內(nèi)的人數(shù)、人員分布以及身份等相關(guān)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(hào)輸入系統(tǒng)，該人員的位置信息就會(huì)顯示。此外，當(dāng)施工人員遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，可以實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。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(chǎng)安裝高清攝像機(jī)，從而實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的具體施工畫面。通過將視頻監(jiān)控裝置連接到BIM構(gòu)件中，從而在BIM模型中準(zhǔn)確地定位攝像機(jī)。如圖5所示，在南坪站隧道BIM模型上分布著不同攝像機(jī)位置的標(biāo)識(shí)圖標(biāo)。當(dāng)管理人員點(diǎn)擊這個(gè)圖標(biāo)時(shí)，可以立即呈現(xiàn)攝像機(jī)位置所對(duì)應(yīng)的隧道施工位置的作業(yè)情況，同時(shí)記錄施工人員的不當(dāng)作業(yè)行為，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)

在南坪站隧道區(qū)間所監(jiān)測(cè)的項(xiàng)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(dòng)，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(duì)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(cè)連接到BIM模型上，從而在隧道BIM模型上的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于隧道施工的各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目通常有相對(duì)應(yīng)的控制值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過一定控制值時(shí)，需要及時(shí)預(yù)警處理。在南坪站隧道區(qū)間施工中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用紅、橙、黃三級(jí)預(yù)警。黃色預(yù)警為變形監(jiān)測(cè)的絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值的70%；或雙控指標(biāo)之一達(dá)到控制值的85%。橙色預(yù)警為變形監(jiān)測(cè)的絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值的85%；或雙控指標(biāo)之一達(dá)到控制值。紅色預(yù)警為變形監(jiān)測(cè)的絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值。當(dāng)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)值出現(xiàn)異常變化或達(dá)到三級(jí)預(yù)警指標(biāo)時(shí)，消息將迅速發(fā)送給相關(guān)負(fù)責(zé)人員，同時(shí)在BIM管理系統(tǒng)中顯示監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)所處的位置。該系統(tǒng)可以在BIM模型上三維可視化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，增加了風(fēng)險(xiǎn)的管理能力和及時(shí)處理能力。

4.5質(zhì)量檢查

在隧道建設(shè)過程中，良好的質(zhì)量管控對(duì)隧道的施工安全和質(zhì)量控制意義重大。質(zhì)量檢查以工序管理作為出發(fā)點(diǎn)，檢查人員可以實(shí)時(shí)的錄入質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)。如圖7所示，當(dāng)檢查人員在發(fā)現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問題時(shí)，可以將對(duì)問題的描述和整改的相關(guān)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(zhì)量安全的閉環(huán)管理模式，為隧道的施工安全提供了技術(shù)支持。

5結(jié)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(shù)開展隧道信息化施工相關(guān)技術(shù)的研究，以隧道的施工的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本為切入點(diǎn)，主要獲得以下結(jié)論：①基于工作任務(wù)分解結(jié)構(gòu)對(duì)隧道進(jìn)行施工模擬，不僅可以優(yōu)化施工技術(shù)方案，還能通過對(duì)比計(jì)劃施工和實(shí)際施工情況來優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)等，有助于更好地把握項(xiàng)目施工進(jìn)度；②運(yùn)用人員定位和視頻監(jiān)控等方法，使相關(guān)管理人員能夠直觀地得到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)地指揮調(diào)度工作；③將監(jiān)測(cè)點(diǎn)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化顯示，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到了所對(duì)應(yīng)的控制值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)安全預(yù)警信息。同時(shí)，將質(zhì)量檢查結(jié)果與BIM模型比對(duì)實(shí)行動(dòng)態(tài)化整改，從而實(shí)現(xiàn)信息化安全管控的目標(biāo)。

作者:肖載興 單位:中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司