基于BIM的地铁盾构施工信息管理

魏林春， 许恒诚， 钟 宇

(1. 上海隧道工程有限公司， 上海 200032； 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 3. 武汉地铁集团有限公司， 湖北 武汉 430070)

随着经济的发展，城市空间拥挤、交通堵塞问题愈发严重，大力发展地铁等大运力的交通方式成为了各大中城市共同的选择，预计2020年时，中国大陆地区地铁运营里程将达6600 km，当前地铁建设仍处于高速发展阶段[1]。由于盾构法具有适应性好、安全性和自动化水平高、施工进度快等优点，是修建地铁区间隧道的主要工法。

盾构法的核心施工设备是盾构机。盾构机在施工过程中会产生大量数据，如掘进、管片拼装以及管片物流等，由于隧道，尤其是城市地下隧道，施工环境具有高度的复杂性和不确定性，地质参数、盾构施工数据、隧道设计参数等数据组成的信息集，共同描述了当前盾构机的施工状态，是决定整个隧道工程安全、质量、成本和工期的关键信息。鉴于盾构机操作的高度复杂和服役环境的极端苛刻，充分利用这些数据成为保证盾构正常工作和防范风险的重要手段[2]。如何更好地采集、传输、储存和使用这些数据，将隧道信息转化成施工智能，以指导盾构施工以及规避风险，成为了地铁工程参建各方亟待解决的难题。

1 盾构施工信息管理的研究现状

为充分挖掘数据的潜在价值，工业界、学术界对盾构施工信息管理进行了研究并开发了相应的系统。这些系统可以分为以下三类：

(1)盾构机自带的实时监控系统

早期盾构施工信息管理系统主要聚焦于施工过程实时监控，盾构机生产商将传感器、仪表、PLC(Programmable Logic Controller)和计算机技术集成到盾构实时监控系统，基本实现了盾构机现场施工的实时监控和数据获取[3,4]。此类系统主要面向盾构机操作员开发，重点关注施工参数的监控，并未考虑隧道建设项目中的其他信息。

(2)基于C/S (Client/Server)构架的盾构信息管理系统

这类系统主要使用组态软件等技术对盾构机自带监控系统采集到的数据二次开发，研发了盾构信息管理系统客户端。除盾构机施工参数外，该类系统也将隧道建设中的地质勘探资料、沉降数据等非自动化获取数据导入到信息管理系统，提供盾构机参数实时监控、工程进度管理、报表统计、数据分析和智能施工决策等功能[5～10]。这类系统服务于施工方项目管理，其优点是实现了盾构参数与地质信息的信息集成，并基于数据研发了众多辅助施工和项目管理的功能。但缺点是需提前在终端安装系统程序，软件数据庞大，不易于系统维护、更新，对移动互联网的支持较差。

(3)基于B/S(Browser/Server)架构的盾构信息管理系统

B/S架构是互联网时代对C/S架构的一种改进。基于B/S架构的盾构信息管理系统，在实现上述功能基础上，增加了多盾构的远程集群管理功能，可以实现多达上百台，不同类型、品牌的盾构机管理，这对于大规模建设地铁隧道的业主方尤其适用。此类系统客户端可以依托任意智能终端的浏览器，监控盾构施工状态，辅助隧道项目管理工作。由于应用程序都安装在服务器端，因此方便进行系统的升级维护[4,11,12]。然而，对于系统某些复杂功能，如高精度的模型渲染等的实现效果不太理想。

这三类系统在不同的程度上将盾构机施工参数与地质信息集成到了盾构信息管理系统中，最大化地利用隧道建设过程中产生的数据支持施工和项目管理决策，在实际工程中取得了较好的应用效果。然而，以上信息管理系统仍然存在以下缺陷：1)未考虑到盾构隧道施工全过程的因素(地质信息，盾构机参数，施工质量、安全、成本、进度信息)；2)各类施工信息存储分散，数据关联性弱，无法发挥出信息协同的优势；3)数据可视化程度较低，不利于工程管理人员理解和使用。

鉴于此，本研究将建筑信息模型(Building Information Modeling， BIM)[13]引入到盾构隧道施工信息管理中，充分利用BIM技术应用于盾构隧道施工信息管理的优势，开发了基于BIM的盾构施工数字化管控系统(BIM-Based Digitalized Management System for Shield Construction, BIM-DMSSC)。依托盾构隧道BIM模型，将盾构施工全过程的海量信息汇集整合，实现各类数据的结构化存储、关联和可视化展示，在此基础上形成了BIM模型数据库，并开发了集项目管理、数据分析和施工决策支持等功能模块于一体的盾构施工信息管理系统，以实现对盾构隧道全过程施工管理的科学高效。本文将详细介绍BIM-DMSSC的研发过程和实际盾构隧道项目中的应用效果。

2 盾构施工信息模型

2.1 盾构隧道信息类别

在建立盾构隧道施工信息模型之前，首先要对项目涉及到的信息进行分类。盾构隧道项目按工程对象可以分为三类：盾构机(掘进设备)、地质空间(土层信息)和隧道结构(工程实体)。盾构机主要包括对其整体的几何、性能参数描述和盾构各子系统关键施工参数；隧道结构包括隧道线性设计、功能设计参数、管片环设计参数和隧道成型质量数据；地质空间则包括了土性参数、土质分层等地质信息，以及地下水位、水头及渗流等水文信息。以上数据对于支持盾构隧道项目的进度、质量、成本和安全管理具有重要作用，各类信息及存储方式见表1。

表1 盾构隧道项目各类信息及存储方式

2.2 盾构施工信息模型的建立

在对获取到的所有数据进行归类的基础上，本节分别构建地质空间模型、隧道结构模型、盾构机模型。

(1)地质空间

地质空间模型包括两部分：土层和地下水。土层模型通常是根据地质勘探的图纸，建立包含各土层序列的三维模型，然后为每层土指定相应的土壤和水文参数等语义信息。另外，沉降数据也将整合至土层模型的表层，建筑物和江水的三维几何数据和位置信息，可以使用Google Earth等地理信息采集软件，辅以人工实地勘探获取。使用可视化的模型对于沉降评估是非常有效的方法。地下水模型则是基于地下水监测数据，创建一个地下水位、水头随时间变化的动态模型，为基于BIM的土力学工程数值计算，提供双重选择，即：水土合算的总应力法和更为符合工程实际的有效应力法。

(2)隧道结构

盾构法施工的隧道结构，除了始发/接收工作井外，预制管片拼装成的隧道是结构主体，因此在建立隧道模型前，首先创建管片环模型。一环完整的管片，通常是由一块封顶块、两块邻接块和若干块标准块组成。每一环管片都与其内外径、厚度、环宽、材质等语义信息关联。此外，在施工过程中每环封顶块的拼装位置(决定管片环的拼装姿态)和拼装时间，注浆量和盾尾油脂等材料用量以及拼装完成后管片环的中心偏差、椭圆度等信息也会集成至相应环。将所有的管片环按照实际施工的拼装点位连接起来，构成了隧道模型。

(3)盾构机

盾构机模型主要由盾构机头和后配套系统组成。模型的几何尺寸可以根据隧道项目进行缩放调节。盾构机从诞生发展至今，演化出了众多类型，本文所指的盾构机，以讨论最常见的土压平衡和泥水平衡盾构为主。盾构机头包括刀盘(内嵌刀具)、盾体、推进油缸、螺旋输送机(土压式)、皮带输送机(土压式)、泥水输送机(泥水式)、管片拼装机、拖车等主要部件构成。盾构机各组件与其语义信息相关联，并与盾构机实时监控数据集成，以实现施工参数在模型上的显示和报警。

2.3 基于IFC标准的信息集成与共享

BIM通过统一的数据标准工业基础类(Industry Foundation Classes，IFC)对工程实体的几何、属性、语义和关系的模型化表达，并集成工程进度、质量等各类相关信息，支撑工程全生命周期的信息共享。IFC是一种开放的数据标准，对于尚未涵盖的领域，提供了多种扩展机制。钟宇等[14]将IFC标准扩展到盾构隧道领域，实现了基于IFC的盾构隧道信息模型的数据表达。基于上述研究，通过引入IFC标准对模型对象进行定义和描述，分别创建三个子模型，并建立模型间数据交换和共享机制。最后将各个子模型相互关联(见图1)，并与施工进度、质量等信息集成，构成盾构隧道施工信息模型。

图1 盾构隧道施工信息概念模型

3 盾构施工信息管理系统开发

3.1 系统框架

为促进信息共享和支持项目管理决策，本文基于盾构施工信息模型开发了盾构施工信息管理系统。鉴于B/S构架具有前端软硬件要求低，维护、升级灵活方便等优势[15]，系统开发采用B/S架构。系统以JDK(Java 开发工具包)为开发平台，以集成开发环境MyEclipse为开发工具，以Java为主要开发语言，并选择SQL Server 2008为数据库。系统运行软硬件环境包括：服务器端操作系统为win7或以上版本，硬件采用四核CPU及以上，内存4G及以上，存储空间1T；客户端采用win7及以上版本，浏览器为IE8及以上版本，硬件不做特殊要求，一般PC机均可满足。本系统由3个模块组成，分别为：数据管理模块、数据可视化模块以及数据应用模块。系统框架如图2所示。

图2 基于BIM的盾构施工信息管理系统结构

3.2 数据管理模块

模型数据的创建、导入、保存、管理和维护由数据管理模块负责。本系统提供了项目数据导入的三条途径，用于处理三类不同类型的信息。

(1)模型数据导入。本系统支持第三方软件建立的3D模型导入，也提供建模工具用于直接创建。系统可以将隧道的3D模型与进度、成本等信息关联，构建基于IFC标准的盾构施工信息模型。同时，系统也提供数据转换接口，支持二次开发。

(2)实时参数采集。盾构机自动采集的数据存储于盾构机的PLC里，使用光纤作为传输介质，把数据传输至地面的数据采集服务器。数据采集服务器通过专用网络将数据发送至数据中心，写入数据库加以存储，供程序调用。

(3)施工日志填报。施工日志填报用于采集人工测量数据(如沉降监测、盾尾间隙、刀具磨损等)以及项目进度和管理信息。为便于数据的存储和调用，该模块采用结构化存储设计，使用 WBS(Work Breakdown Structure)将盾构隧道分解为分部分项，独立填报。

3.3 数据可视化模块

数据可视化模块基于浏览器展示，并采用Silverlight插件和Unity3D分别实现客户端的交互和三维模型的渲染，增加系统的交互性和真实感。

(1)三维模型可视化。系统使用Unity3D 作为三维模型渲染引擎，并采集工程现场照片进行贴图处理，对模型添加纹理以及选择合理的光源，增强三维场景的真实感。使用系统提供导航工具，如缩放、平移和动态观察，可以实现模型漫游。

(2)可视化查询。将当前衬砌环模型与地质剖面图、推进参数记录表、同步注浆记录表、盾构姿态报表、管片姿态报表、管片拼装质量照片等文件相连接，可以实现衬砌环相关记录信息的可视化查询。通过BIM模型选中特定环后，即可通过调出菜单栏，查询各类与本环相关联的信息。

(3)施工参数实时显示。盾构法施工中，对重要盾构施工参数的实时监控是保证工程顺利推进的关键。本模块用于对盾构机施工实时数据进行监控，页面集成推进、刀盘、导向、同步注浆、泥水平衡(适用于泥水平衡盾构)等四大系统的关键参数供技术人员查看。

3.4 数据应用模块

基于信息管理系统存储的模型数据，本系统提供了多个数据分析工具，用于支持施工决策。用户可以在三维模型上选择相应的构件，如选择任意衬砌环，可对该环的施工时间、材料消耗和施工历史参数进行分析，选择开挖面可进行开挖面稳定分析，选择刀盘可进行刀盘刀具的管理。

4 工程应用实例

基于BIM的盾构施工信息管理系统在武汉地铁某区间隧道施工中得到了成功应用。该隧道区间采用复合式泥水气压平衡式盾构机进行施工。

应用上文提出的方法，首先根据隧道设计图纸、地质勘探图纸、盾构机设计图纸分别建立隧道结构子模型(包含衬砌环模型)、地质空间子模型、盾构机子模型，引入IFC标准对模型对象进行定义和描述，开发了模型间数据交换和共享机制，将各个子模型相互关联，并与项目进度、成本等信息集成，建立盾构隧道施工信息模型。其次，通过将盾构机采集到的实时施工数据与人工记录的施工日志文档添加至BIM数据库，并与信息模型关联，共同组成系统的基于BIM的基础数据库，并完成了系统的开发。

4.1 全国项目管理

该系统整合了企业在全国范围内的所有盾构项目信息，以实现对企业全国范围内在建项目的分布查询以及盾构机实时工作状态的远程监控，如图3所示。

图3 全国范围内盾构项目查询管理

4.2 数据可视化管理系统

隧道项目设计阶段的地质、隧道信息和盾构机施工过程中采集到的信息都以IFC格式存储，并以三维模型的方式展示和操作，如图4所示。

图4 盾构隧道模型

4.3 基于盾构数据的施工决策支持

(1)关键系统参数远程监控。该功能可以方便工程管理人员随时随地使用智能终端设备查看盾构机关键参数，实现远程监控和管理，如图5所示。

图5 盾构关键参数远程监控

(2)材料消耗管理。材料消耗管理可对指定的盾构环数区间的关键施工材料消耗进行统计。材料用量一方面对成本有较大影响，另一方面也是控制盾构施工质量和安全的重要依据。通过对施工材料消耗的统计分析，以表格和图形的形式展示，可以辅助工程管理人员合理安排材料的采购和运输计划，也可以进行施工质量和成本控制，还可以作为事故事后回溯分析的依据[16]，如图6所示。

图6 盾构材料统计

(3)施工时间统计。盾构隧道完成单环管片的施工时间可划分为掘进、拼装和停工三部分。施工时间统计主要统计盾构施工过程中拼装、掘进、停工三种状态在总体工作时间中所占比例，并以直方图、扇形图等形式直观展示，为工程管理人员提供分析盾构施工情况的依据，以更加合理地进行施工组织安排，如图7所示。

图7 时间统计功能

(4)盾构施工在线记录。该功能将盾构施工纸质记录表转移至线上系统填报，从而实现盾构施工信息结构化存储，可用于工程人员的进一步统计和分析，如图8所示。

图8 盾构施工记录

(5)数据导出。可根据参数类型、时间范围、环号、数值类型等筛选条件，导出需要的数据，可用于制作报表和分析，如图9所示。

图9 盾构数据导出

5 结 语

本研究从盾构施工信息管理的实际工程需求出发，首先对盾构隧道项目涉及到的信息类别进行了归纳，提出了基于BIM的盾构施工信息管理框架，以及解决模型建立、数据采集和表达、数据分析应用等关键技术问题，在此基础上开发了基于BIM的盾构施工信息管理系统。本系统最大优势在于：(1)提出了建立基于BIM的盾构隧道施工信息基础数据库的思路与方法，这为施工信息的集成化管理和后续扩展提供了支撑；(2)建立了基于BIM的可视化操作平台。

盾构施工信息按照隧道项目地质空间、隧道结构和盾构机三类工程实体分别获取和存储，以BIM模型为载体，IFC标准集成，实现数据可视化展示。同时，以管片环作为信息关联的基本单位，将对应时空间位置的地质参数、结构参数和盾构机参数关联，实现数据可视化查询。基于盾构数据库，本文初步研究数据对盾构隧道项目决策支持的应用，主要包括关键参数远程监控、材料消耗管理、时间统计、盾构施工记录填报等功能。本课题未来将进一步探索盾构数据的潜在应用价值并开发系统新功能，为盾构隧道作业提供更大的决策支持。

本系统在武汉地铁某区间施工实践中进行了应用试点，对隧道施工的安全有序进行提供了辅助作用，支持了盾构施工决策和项目管理，为地铁盾构施工中大规模应用基于BIM的盾构施工信息管理技术积累了经验。