基于BIM技术的隧道工程施工信息集成与管理应用研究

邓小军,刘肖群,董春晖

(山东交通职业学院,山东 潍坊261206)

公路隧道施工是高度动态的过程,尤其是CRD法施工中的衬砌隧道作业面多、工序转换复杂,对现场进度管理、技术交底质量要求高。目前，现场信息管理的手段相对落后,信息集成化程度低,例如，在进度管理中仍多采用二维的横道图展示形象进度,无法真实呈现现场施工工序的空间关系,难以准确表达多个作业面的施工动态过程。同时,现场技术交底一般是用二维CAD图纸,现场施工人员的识图能力参差不齐,致使现场技术交底困难[1]。

BIM可视化虚拟仿真技术,是以三维可视化数字模型为基础,利用数字仿真,模拟模型的三维几何信息和非几何信息(如进度、材质、体量)。通过创建面向工程结构化对象的施工建筑信息模型(BIM),可视化展示工程结构的体量以及施工方案难点。同时模型中加入时间维度,模拟施工工序,实现工程虚拟施工。于是基于BIM的可视化虚拟仿真技术,为隧道施工创新发展提供了突破口。[2]

1 项目概况

隧道工程地处济南市平阴县,隧道位于平阴县玫瑰镇、东阿镇与刁山坡镇交界地带的山坳里,北面是山坡,东西面是山体,南面是山沟,东南方向距离大套村民房约300 m,隧道洞口1 000 m范围内无国家级文物及重要设施,500 m内无省级文物、重要设施,300 m内无居民楼、医院、学校等。153#墩高7 m,193#墩高21.5 m,由小里程向大里程设计最大坡度为12‰。

黑风口隧道分左右两幅,其中左幅起讫里程K319+495—K319+935,长440 m；右幅起讫里程YK319+499-YK319+939,长440 m,两幅隧道间净距约13 m,为小净距短隧道。隧道左、右幅均位于直线段上。隧道左、右幅纵坡+1.400%～-2.600%。

2 基于高精度方法的隧道BIM模型构建

2.1 前期准备工作

1)在BIM模型构建之前,团队对BIM具体实施大纲进行了多次讨论,并就其中的关键性步骤向现场施工技术人员询问细节,重视建模和应用前期的目标策划与实施管理等基础性工作。

2)根据公路隧道工程的结构设计及施工方案等,对BIM模型进行合理的单元拆分和组织架构策划,开发基于高精度方法的隧道施工BIM模型构件库,由项目技术负责人与BIM技术人员共同完成BIM模型构件库组织结构框架(图1)、构件(族)参数组织设计、模型属性信息设置、视图信息表达方法等,最终形成BIM模型构件库及相关成果的交付标准。

图1 BIM模型构件库组织结构框架

2.2 BIM模型构件库

所谓面对具体项目的高精度方法,即按照隧道结构设计思路,划分不同的构件类型,直到满足BIM施工管理精度的需要,并且定义构件的几何信息和属性信息,最后再根据层级关系通过不断的组装就可以形成一个符合实际要求的完整隧道BIM模型[3],见图2。

图2 完整隧道BIM模型

高精度方法建模的关键是开发企业的BIM模型构件库,对于构件管理的内容主要包括构件命名、构件编码、模型精度和追踪反馈四个方面,其中模型精度包括几何信息和属性信息两个类型,是指构件在模型划分中的最小单元,在隧道BIM模型中各构件的模型精度应满足施工管理的要求,并且能为未来的运营维护等方面提供准确的信息[4]。

黑风口隧道BIM模型围岩级别划分为Ⅲ级、Ⅳ级一般、Ⅳ级加强、Ⅴ级四个等级,构件可划分为超前支护、初期支护、二次衬砌、仰拱填充、排水槽等主要类别。针对构件的细部结构,建模时也需考虑进一步合理化分解,从而方便标准化构件的设计,最后精确到尺寸规格的划分程度。模型构件命名规则使用“围岩等级+构件类别+ 构件类型+细部结构+尺寸”,见表1。例如Ⅳ级加强—二次衬砌—钢筋网—衬砌钢筋Φ8。构件编码可按照相应的模型划分等级,从最高一层围岩等级开始确定第一部分的编码,直到最后的尺寸规格确定末位的编码。例如，在编码0102030405中,01代表Ⅲ级,02代表二次衬砌,03代表钢筋网,04代表衬砌钢筋,05代表Φ8。

表1 模型构件命名规则划分表

2.3 隧道BIM模型的构建

2.3.1 地形地质模型

根据项目前期提供的场地测量数据,在Autodesk CAD Civil3D中导入经过处理后的测量数据,基本完成了场地地形的绘制,形成三维的地形模型,见图3。然后又将Civil3D中建立的地形模型导入Revit中,通过概念体量中的样条曲线功能依次处理各个等高线的平面,初步完成了对场地附近的地质模型创建,并且按照不同围岩等级对地质模型赋予了颜色用以区别,最后根据隧道在山体中的具体位置,利用布尔运算对地质模型进行了开洞处理,形成了隧道竣工以后形成的场地模型[5],见图4。

图3 三维地形模型

图4 竣工场地模型

2.3.2 隧道主体模型

BIM团队根据上述BIM模型构件库的要求,对建模工作内容进行层层分解,各自完成分配的建模任务,按照高精度方法进行建模。Autodesk Revit中所有图元对象都是基于“族”的,族就是前面提到BIM模型的构件,每个族能够在其内部定义多种类型,每种类型可以具有不同形状、尺寸、材质等参数值。在项目中能够根据具体需要调整参数并将其实例化。创建BIM模型的过程就是在不断的实例化族类型,类似于“搭积木”。首先从最底部的细部结构和尺寸规格开始,逐个绘制每个小的零部件,然后根据明确的层级关系,向上组装形成各个构件类型,再由许多的构件类型组装形成一个个构件类别,最后形成不同围岩等级对应的隧道施工标准段模型。见图5。

图5 隧道施工标准段模型

2.3.3 隧道附属模型

考虑到后期进行BIM应用开发的需要,团队构建了相关的隧道附属模型,见图6。例如,为模拟开挖岩体施工进度、开挖工程量计算及施工工艺模拟等内容,完成了开挖岩体模型及临时支护模型的构建；为便于施工信息准确查看及资料集成管理,构建了桩号牌、导视牌及公告栏等辅助模型；为模拟施工现场布置,还完成了临时用房模型、施工工棚等模型；为进行质量标准样板区的VR体验,完成了对施工样板区布置的模型。

图6 隧道附属模型

2.3.4 隧道组装模型

隧道组装模型采用“基本模型+参考模型”的方式进行组合拼装,见图7。具有以下特点：

图7 隧道组装模型

1)从建模者角度来说,在构建体量较大的模型时,不需要进行繁琐的构件反复组合,可显著提高建模效率,减少拼装错误。由于采用繁、简模型分离管理机制,当BIM模型需要修改时,只需按类型对基本模型或者参考模型进行修改即可,无须对所有BIM模型逐一进行修改,从而大幅减少了修改模型工作量。[6]

2)从耗费计算机资源角度来讲,优势更为明显。任何软件对于体量较大的BIM模型都会表现得“力不从心”,会出现卡死或报错闪退现象。采用基本模型与参考模型的方式可以减小模型体量,有效避免上述问题。

3)从BIM模型应用角度来讲,基本模型已能够满足目前施工阶段的一般应用,当需要进行BIM应用的时候,则可以根据基本模型的类型与相应参考模型组合拼装。例如,在进行隧道工程三维可视化展示时,根据隧道定位轴线及不同围岩等级长度,对隧道主体进行了组装,完成了隧道主体及场地模型的整体拼装。

3 信息集成应用研究

以建立的隧道整体模型为载体,在虚拟模型中集成施工资料,可直接基于模型进行施工资料管理，三维可视化技术交底，向业主和监理直观展示相关资料和模型等,可解决施工管理过程中资料管理不集中，施工现场标准规范查看不便，技术交底不直观以及工艺和施工出现的问题无法清楚地向业主和监理解释等问题[7]。

3.1 隧道主体结构属性信息查询与注释

在集成应用平台中,可直接查看隧道三维模型并查看构件属性与进行尺寸测量，以及通过构件注释链接施工现场图片、视频和施工资料,见图8。为了更直观表达隧道不同围岩等级主体结构构造及其构成信息,在不同围岩等级转换处,将模型进行了剖切处理,从而可直观查看各部分组成及相关重要信息,见图9。

3.2 施工标准规范集成与虚拟现场直接查看

为方便结合隧道模型进行隧道施工技术标准查看, 将《公路隧道施工技术规范(JTGF 60—2009)》中重要施工技术标准表格以三维表格的形式集成在平台中,同时在各级围岩转换处以导视牌的形式链接相关规范和技术标准。

图8 构件属性查询和构件注释

图9 剖切处理后信息查看

3.3 不同位置二维施工图及施工工艺模拟动画集成

在不同围岩等级转换处设置导视牌,在导视牌上集成链接了对应位置的二维施工图,可直接查看二维施工图,并可与三维隧道模型进行对比查看。此外,集成链接了对应的施工工艺模拟动画,可直接查看,见图10。

3.4 施工现场三维布置集成

隧道施工从出口开挖,在出口处布置了施工用房、公告栏等,根据二维布置图,建立了施工现场布置三维模型,并放置于施工资料与信息集成平台模型中,可进行布置合理性判断和优化调整,见图11。

3.5 质量检查表及工程量统计结果集成

为便于查看隧道内里程桩号,建立了桩号牌模型, 并放置于隧道对应位置。 在桩号牌位置集成链接了质量检查表及工程量统计结果,便于与模型结合直接查看质量检查情况及工程量统计结果。

图10 施工图和模拟动画集成展示

图11 施工现场三维布置集成

4 信息管理应用研究

4.1 工程量统计

在施工过程中,根据二维图纸计算工程量十分繁琐、重复冗余,浪费了大量的人力物力,且精度普遍不高,对工程质量影响很大；而BIM数字信息模型具有精准的三维体量,结合施工进度,可以快速获取阶段工程量。结合进度模拟模型,在模型中链接工程量查看与统计数据, 可在模型中直接打开工程量计算表,自动计算任意桩号间的工程量,并提供查询功能。在进度计划模拟模型中,桩号牌位置可打开对应桩号位置工程量计算结果,方便查看与施工进度对应的工程量完成情况,见图12。

4.2 施工进度管理

4D施工进度模拟是用Fuzor软件的虚拟仿真环境,对3D几何空间模型添加时间维度,虚拟推演实际施工过程。具体来说, 是将BIM模型与施工组织进度计划相关联,以进度驱动模型的虚拟仿真。

在进度控制BIM应用中,基于进度管理模型,将收集实际进度信息与进度计划进行对比分析,根据偏差分析结果,适当地调整进度计划及进度管理模型。可以实现实际进度跟踪检查、实际进度可视化展示、实际进度和计划进度对比分析、进度预警、进度偏差分析、进度计划调整与模拟[8]。

根据隧道开挖岩体BIM模型,结合开挖进度计划,实现了开挖进度模拟三维可视化、开挖顺序合理性判断、开挖计划调整及计划进度与实际进度对比等功能,见图13。图12展示了施工进度信息和横道图,对每个构件进行施工流水段、时间的定义,可清晰查看所有构件的施工顺序和时间节点,通过对比分析施工计划和实际施工进度的状态,便于项目管理者实时动态掌控施工进度,确定最好的施工顺序和时间节点,快速调整施工资源,随时为制定物资采购计划提供及时、准确的数据支撑,对项目成本管控提供技术支持,以实现项目精细化施工管理。

图12 隧道工程量统计查看

图13 隧道开挖4D进度模拟

4.3 施工质量安全管理

基于深化设计模型或预制加工模型创建质量管理模型,基于质量验收规程和施工资料规程确定质量验收计划,批量或特定事件时进行质量验收、质量问题处理、质量问题分析工作。在确定质量验收计划时,利用模型针对整个工程确定质量验收计划,并将验收检查点附加或关联到对应的构件模型元素或构件模型元素组合上[9]。在质量验收时,将质量验收信息附加或关联到对应的构件模型元素或构件模型元素组合上。在质量问题处理时,将质量问题处理信息附加或关联到对应的构件模型元素或构件模型元素组合上。在质量问题分析时,利用模型按部位、时间等角度对质量信息和质量问题进行汇总和展示,为质量管理持续改进提供参考和依据。实现了重点部位二维、三维图纸交互查看、虚拟环境下模型信息查询、移动端进行安全质量检查,将检查记录存入到模型内,随时通过系统进行查询,进行安全质量管理。

5 结 语

将BIM技术应用在隧道工程,需要按照工程项目结构建立标准化的BIM模型构件库, 满足施工管理应用的精度要求。利用面向隧道工程的高精度建模方法,快速构建公路隧道施工BIM模型,可实现辅助隧道工程施工组织3D可视化设计和4D施工动态管理等功能；并且可以在施工前尽可能地解决设计缺陷问题,一定程度上消除设计施工分离造成的弊端,还可以利用BIM模型丰富的信息属性实现隧道工程施工的数字化,实现可视化、集成化管理,提高项目的风险管控能力[10]。同时,施工单位驱动的BIM应用模式为BIM技术的应用提供了强有力的支撑与保证。从上述工程实践中可以发现,BIM技术可以为设计施工一体化和施工现场精细管理提供良好的技术支持平台,在未来的应用价值和应用空间都很大,仍需要积极探索与实践。