新技术：智慧建造的动力源

文｜本刊编辑部

建筑信息模型与物联网技术的集成应用可以在工程建设及运维方面发挥更大的作用。只有把建筑物数字化、信息化，建立整个建筑信息模型，才是实现高效管理的基础。建筑信息模型是物联网应用的基础数据模型，是物联网的核心和灵魂，正如建筑信息模型是ERP基础数据一样，物联网应用不能脱离建筑信息模型。没有建筑信息模型，物联网的应用就会受到限制，就无法深入建筑物的内核，因为许多构件和物体是隐蔽的，存在于肉眼看不见的深处，只有通过建筑信息模型才能一览无遗，进而展示构件的每一个细节及相关属性信息。

以上海虹梅南路越江隧道工程项目为例，虹梅南路—金海路通道越江段新建工程全长约5260米，起于浦西永德路北侧，于剑川路北侧入地跨越黄浦江，经西闸公路后出地面，终于金海路。浦西起点至剑川路区段为改建原有地面道路，双向4车道，剑川路匝道南侧至浦东终点为双向6车道。其中圆隧道段长3.39千米，隧道直径为14.93米，一共有16950环管片。工程投资额近30亿元。

超大型越江隧道具有圆隧道距离长、盾构直径大、埋深大和地层复杂等显著特点，而作为盾构法隧道结构最为核心的构件管片，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力等多种荷载，是影响隧道质量和安全的最为关键的因素。确保隧道管片质量的最佳方式是执行以预防为主的全过程控制，把管理从运营阶段前移到施工阶段、制造阶段和设计阶段，及时解决存在的隐患，实现管片质量的积极控制。然而，管片的全寿命过程极为漫长，各阶段参与人员众多、涉及的信息种类繁多、具有复杂的空间和时间特征，很难将其有效地整合在一起，这对隧道管片未来的管理带来了极大的挑战。因此，确保管片的质量和安全、实施管片全寿命管理尤为重要。

针对这一难题，在虹梅南路-金海路越江隧道工程中，经过多方调研，决定利用BIM+物联网集成应用技术，以隧道管片全寿命信息管理为主线来解决这一问题。借助RFID技术实现孤立分散的信息准确组织，实现进度信息、材料信息、工艺信息、安装信息、检查信息和维护信息的一体化管理。通过建筑信息模型承载项目设计及施工阶段全部基础信息并直观地反映管片隐患和病害的时空变化特性，并可视化的反映管片在不同阶段的演变规律。通过数据挖掘工具，寻找制造工艺、施工工艺与管片质量之间的关系，并对管片的预防性维护决策提供帮助。在虹梅南路隧道建设伊始，研究人员就设计并开发了“虹梅南路隧道管片全寿命管理系统”，用于管片的生产和施工全过程的管理与决策，并准备用于未来的运维期管理中。

虹梅南路隧道管片全寿命管理系统分为五层的结构体系。最底层为信息采集层，用户通过RFID读写器或RFID采集平板的移动端，完成关键数据的录入、图片采集和位置采集等工作，并通过无线接入设备与数据管理层相连。第二层是数据管理层，其主要任务是数据的存储和管理，这层包含四个部分：建筑信息模型库、数据库、文件库和知识库。建筑信息模型库包含了管片构件模型、隧道施工模型和隧道运维模型。数据库存储管片的基本属性、过程时空数据。文件库管理各类照片、报告和报表等资料；知识库则管理各类的规则和分析模型。第三层是数据交互层，利用BIM，实现管片信息的三维直观的展示和分析。主要功能有：一是进度分析。工程师可以了解当前管片制造和施工的进展和趋势；二是质量控制。通过对隧道中渗漏，裂缝和错台的观察，发现质量中的问题；三是环境监测。可以快速了解管片周边环境和周边环境的变化；四是健康档案。通过点击模型，可以了解病害的发展过程。第四层是信息分析层，主要是提供数据分析引擎，主要用于完成病害趋势分析、结构异常发现、病害成因分析、施工参数优化和维修方案比较等工作。第五层是应用层，针对管片设计、制造、施工和运维不同阶段，设计了专用的移动端和web端的系统，实现全寿命的管理与决策。

信息技术把控全过程动态

由于虹梅南路隧道目前已经全线贯通，因此该系统主要应用在了设计阶段、制造阶段和建设阶段。设计阶段主要是结合管片的形式进行了隧道的预拼装工作。虹梅南路隧道采用的是通用型管片，单环由10片管片组成，管片具有一定楔形量，通过有序旋转和有序组合，拟合出设计所需的线路。因此楔形量的设计尤为重要。在隧道全寿命管片管理系统利用建筑信息模型提供了管片的三维建模和参数化拼装功能，能够将独立的管片模型，通过约束拼装成环，并基于空间轴线，进行圆环的错缝拼装，检验拼装方案的可行性和隧道轴线的合理性。

在制造阶段，围绕管片的整个工艺工程，系统从材料管理开始，记录了管片每一个生产流程的数据、并拍摄了相关的照片，做到了全程跟踪。制造构成的信息记录分为三类：第一类是管片本身的进度信息，即管片目前的状态信息，如目前正在混凝土浇捣状态；第二类管片直接关联信息，有材料信息、模具信息和人员信息等，包括钢筋原材料检测报告、钢筋质量证明书、混凝土出厂质量证明书、混凝土接收记录、混凝土抗压强度检测报告、混凝土抗渗检测报告和预埋件质量证明书等各种报告；第三类是管片生产过程中的各种照片和检查记录表单，包括钢筋加工状态、钢筋骨架制作状态、钢筋骨架入模、混凝土浇筑、管片起吊、管片水养、吊运堆场所有的检查表，最后自动生成管片出厂质量证明书。通过全过程的管片信息的实时采集，用户可以通过虹梅南路隧道管片全寿命管理系统平台，及时了解管片各工序的生产状态和进度、查看完整的管片记录，并且对材料使用情况、工艺参数和材料批次对质量的影响进行分析。

施工阶段中，管片完成生产后，运送到隧道施工现场等待拼装成环，正式进入施工阶段。围绕施工工序，系统不仅记录管片的检查和安装信息，并通过建立与实时采集系统的转换接口，记录盾构机推进工艺参数、环境监测信息、止水涂料信息等关联信息。

由于管片信息均与RFID标签实现了绑定，因此，根据RFID编码，用户可以轻松地查询到管片从生产到施工过程中的基本信息，一旦管片发生严重的结构损伤或病害，就可以形成管片追溯机制，从而实现管片的全生命周期管理。系统运用建筑信息模型将管片、测点、周边环境等基础数据自动整合到同一模型，形成具有集成信息的模型，用不同的颜色和方案直接显示隧道工程进度、管片状态、周边环境及施工进度，通过动态漫游方式实现了盾构机、周边建筑的准确定位和辅助巡检，帮助工程人员进行及时有效的工程项目管理和决策。

信息技术实现辅助决策

虹梅南路隧道具有大直径、大埋深的特点，管片作为盾构隧道的主要受力件，在施工和运营过程中承担着盾构机的顶推力、围岩压力、注浆压力和地下水压力等，管片可能出现空洞、裂缝、破损、错台、上浮等病害。为保证隧道施工的安全性，系统基于隧道管片全过程的信息，进行管片渗漏影响因素和趋势分析，提出了面向防渗的施工参数组合，以辅助施工人员提高工程质量。

系统在虹梅南路隧道工程中得到了全线应用，以便捷的输入、直观的显示和智能的分析功能帮助工程管理人员随时把握管片全过程动态，实现辅助决策。

一是解决了原有管理模式中信息采集集成困难的问题。隧道管片建设过程中报表繁多，原有的数据记录方式是纸质表格手写和独立电子文件输入两种方式完成，这导致了报表查询困难、数据准确度低、信息集成难度高等问题，不仅影响了正常的建设管理工作，而且对项目竣工验收的资料整理带来的极大的困难，并为未来的隧道养护埋下隐患。系统内置了管片建设过程中所有的表单，采用移动端进行实时输入和摄影，并通过数据的条件校核和互校核提高了数据的准确度和完整性，并为后期资料的整理和查询提供了基础。

二是提升了管片信息全生命周期追溯的能力。系统充分利用物联网技术，设计了隧道专用的RFID标签，能够满足管片设计需求和隧道内部强干扰的环境，从钢筋绑扎开始即进行管片的全程跟踪，把材料信息、人员信息、位置信息、检测信息、施工信息和环境信息等高维时空信息有机的连接在一起，提升了隧道监管的能力，实现了问题管片的全程追溯，也为未来进行管片的维护和保养提供了条件。

三是提升了工程技术人员对工程的了解程度。系统利用建筑信息模型，把孤立的管片信息整合到隧道中，并设计了多源信息融合的交互式三维动态视景，用户可以在虚拟环境中对各项技术指标进行实时的查询，并辅以实现与周边环境的各种信息，如周边管线、建筑物和地层变化等数据的交互，为工程技术技术人员直观地观察隧道的情况，进行问题定位提供了依据。

四是提升了管理人员的分析决策能力。系统采用大数据分析的方法，对管片信息进行了深入的挖掘，为管理人员提供了诸多分析功能。如：生产端的智能分析中，可以利用钢筋剩余量及管片计划，对钢筋的采购提供建议；可以通过管片制造的工艺参数，分析温度等对管片抗压强度等的影响；施工端的智能分析中，根据病害的空间分布分析病害的特点；根据病害的信息以及施工环境信息，进行病害演化趋势的分析；根据已建管片的状态，对施工参数的调整提出建议。这一方法极大提升管片全生命周期信息的价值，为更好地进行工程管理和决策提供了指导。

新技术是建筑业信息化不断发展的驱动力，是推动传统建设行业管理转型的助力器。新技术在虹梅南路隧道管片全生命周期管理上的探索，证明了新一代信息技术在城市公共设施建设和运维中的作用。如果能够将这一方法推广到其他隧道或基础设施工程中，不仅可以提高工程本身的管理水平，更能够在海量信息积累的基础上，为提升隧道的设计和工艺水平提供帮助。