广西乐百弄衣隧道企业级BIM技术应用

(1.湖南宏源中柱工程项目管理有限公司广东分公司，广州 510000，2.广东猎得工程智能化管理有限公司，广州 510000，3.广东省长大公路工程有限公司，广州 510000)

1 引言

1.1 研究背景及意义

BIM技术(Building Information Modeling)自1975年由“BIM之父”Charles Eastman提出至今，已经历萌芽阶段、产生阶段以及发展阶段[1-2]。BIM技术引入中国已经超过10年，在建筑工程、市政工程等领域的应用已经较为成熟，并在众多EPC、PPP项目中展示其强大的技术优势及管理优势，打破传统项目管理中存在“信息孤岛”的问题。国内已广泛得到业主单位、设计单位、监理单位、施工单位、咨询单位等各项目参建单位高度认可，由此可见，BIM技术将成为工程建设领域最具影响力之一的新型技术，并与各不同工程建设领域相结合，发挥其在各阶段信息化及智能化项目管理优势。

1.2 研究内容

由于隧道施工开挖流程较多，施工安全环节控制严格，对隧道地质岩层及水纹条件监测及隧道爆破开挖过程信息反馈管理难度大等，本研究主要针对解决隧道施工管理上的重点难点问题，引入BIM技术及BIM管理平台，辅助有效管控项目关键要点。大幅提升项目生产绩效，同时借助企业管理平台与BIM大数据互通，辅助提高企业对项目管理的力度，有效监管各子公司及所有企业新建项目的项目动态信息，减少企业管理成本。本项目课题研究主要以百色隧道为项目课题研究对象，利用BIM技术及BIM项目管理平台贯穿项目施工前期阶段至项目竣工交付阶段，探索BIM技术在隧道项目施工阶段的应用点及项目管理应用，为公路工程行业的BIM发展提供一套完整且可参考的BIM技术应用体系，加快推进公路工程行业的BIM技术发展[3-4]。

2 工程概况

2.1 项目介绍及工程特点

广西乐业至百色高速公路弄衣隧道全长3.8km，分KG和KH两条路段，其中包含八个人行横道和四个车行通道，是乐百高速最长隧道，整体施工安全、质量、进度压力大，迎检次数多，隧道的进度、安全、质量控制是项目管理重点、难点。

本特长隧道项目首次采用BIM技术，结合BIM5D协同管理平台[5]，通过在隧道施工过程中进行BIM技术应用与管理，进一步提高乐百高速公路项目部在隧道项目的技术应用和管理水平，有效保障项目施工进度、质量与安全[6-7]。

图1 乐百弄衣隧道项目效果图

2.2 工程难点分析

广西乐业至百色高速公路弄衣隧道属于特长隧道，共计3.8km。项目开展前期由于初步设计资料缺失严重，包括：原始地质勘探数据、隧道主体设计、水纹条件等关键，BIM模型的关键核心工程信息数据无法确定，导致BIM模型的精细程度不高，无法满足项目管理要求。

项目施工阶段，由于隧道主体结构工程曲率、横纵坡及围岩地质信息变化大、过程设计变更较多，搭建出能适用于施工过程管理的BIM模型成为其中一大难点。同时，项目分包单位较多、项目的质量安全进度管理难度大，如何通过引进新型技术提高项目管理水平及降低施工成本，也成为了项目的重点之一。总而言之，项目BIM研发中心就以上问题需通过一套完整且完善可行的BIM应对解决策略来处理项目管理的难题。

图2 乐百弄衣隧道项目BIM专题研讨会议

3 BIM实施策划及应用环境

3.1 BIM应用目标

项目开展前期，针对项目重难点问题及项目BIM实施需求，通过多次BIM专项课题研讨会议，制定乐百弄衣隧道项目BIM技术应用实施目标，主要BIM应用目标如下：全专业弄衣隧道BIM模型建立、施工场地布置及优化、BIM三维设计图审、三维地质构造模拟、隧道不均匀沉降监测预报、超前地质预报预警、超欠挖三维算量、BIM主要材料采购工程量统计、4D施工工艺模拟、现场物资管理系统应用、BIM5D协同管理平台应用、企业系统管理平台等[8]。

3.2 实施方案

为满足本项目BIM应用实施目标的要求，BIM研发技术中心多次组织研讨会议，根据《国家建筑信息模型应用统一标准》中相关准则，并结合本次隧道项目的特殊性，在项目策划前期编写制定了本项目的《BIM施工阶段实施标准》、《公路建模规范》、《隧道建模规范》，以及配合BIM5D协同管理平台使用的《BIM5D·全专业·建模标准》。为后续施工阶段BIM实施提供技术指导文案及措施要求[9-11]。

根据项目BIM应用目标及项目实施标准，组建项目BIM项目小组，BIM项目小组成员根据BIM应用目标，收集项目相关资料数据，整理文档，基于BIM技术应用目标，结合项目概况与相关数据资料，制定BIM实施应用方案。

前期项目准备工作完成后，BIM项目小组集中搭建弄衣隧道主体模型、三维地质模型、施工场地模型、隧道沉降监测模型、超欠挖模型等。完成模型搭建后，分别开展BIM实施应用以及BIM5D协同管理平台应用，其中BIM实施应用内容包括：BIM设计图审报告、材料工程量统计、施工场地规划、三维地质模拟、隧道沉降监测模拟、施工工艺模拟等；BIM5D协同管理平台应用包括：资料协同、质量安全管理、生产进度跟踪、物资提取、工艺库管理、预警管理等[12-14]。

图3 乐百弄衣隧道项目BIM实施标准

项目BIM实施过程中，由BIM项目小组对项目实施过程进行实施跟踪及BIM创新应用点研究。通过项目阶段BIM例会,跟踪BIM应用进展情况，解决实施反馈问题，探讨项目BIM应用创新点。

项目应用落地后，组织BIM实施总结大会，各实施人员发表BIM应用过程总结、感想，展望未来公路工程项目BIM应用等。

3.3 团队组织

为解决传统隧道项目的施工管理难题及保障项目BIM目标的高效落地，本项目除组建项目BIM小组外，项目各管理部门及成员均参与到项目课题研究应用中，各专业、各部门、各团队之间相互协作，共同研讨并解决施工阶段的BIM应用难题。

本项目以项目总工、BIM总顾问共同作为BIM实施总负责，主要指导及把控项目BIM技术整体应用实施工作。项目副总工及BIM工程师共同作为整个项目BIM实施负责人，主要跟进BIM技术应用情况与进度，把控BIM技术应用成果。项目施工员、技术员、安全员、质检员、资料员、商务成控管理人员均参与到项目BIM协同管理，并辅助收集及处理项目过程数据，大幅度提高落地率[15]。

图4 乐百弄衣隧道项目组织架构图

3.4 应用措施

乐百弄衣隧道项目BIM应用实施措施主要包括以下内容：

(1)施工图阶段：利用Civil 3D、Revit、Dynamo创建项目BIM全专业模型，并借助Navisworks进行模型整合、碰撞检查，出具设计问题报告，辅助解决大部分后期施工过程中将出现的问题。

(2)施工阶段：利用Lumion、3ds Max对项目整体进行项目虚拟仿真模拟及施工模拟，辅助项目工艺、技术等进行可视化交底。借助BIM5D协同管理平台，对项目的资料、合同、进度、质量、安全、成本等各项项目相关工程信息进行协同管理，提升项目管理效率及能效，实现智能化工程项目管理。

3.5 软硬件环境

为解决乐百弄衣隧道项目管理难题及达成项目BIM应用目标，项目BIM小组于施工阶段进行多次的BIM研讨会议，最终采取BIM应用主要软件如表1所示。

项目BIM小组通过对BIM软件的运行配置进行综合分析，根据百弄衣隧道项目管理的实质需求，在满足数据处理、数据存储、图形工作、图形运算等要求前提下，最终确定BIM应用主要硬件如表2所示。

表1 项目软件环境汇总表

专业应用软件地形、地质构造Autodesk Civil 3D 2016/Autodesk CAD 2014隧道主体结构Autodesk Revit2016/Dynamo/Autodesk CAD 2014/竖曲线计算辅助工具隧道机电Autodesk Revit2016//Dynamo/AutodeskCAD 2014BIM 4D漫游动画Lumion 7.0/3ds Max 2016BIM 4D施工模拟Navisworks Manage 2016/3ds Max 2016/ProjectBIM 5D协同管理广联达BIM5D

表2 项目硬件环境汇总表

硬件名称型号处理器intel酷睿I7 7700散热器九州风神冰凌MIN旗舰版主板华硕B250M-KYUN显卡华硕GTX1060-O3G内存英睿达镁光8G DDR4 2400高频内存硬盘威刚SU800 128G高速SSD电源鑫谷核动力S7额定400W主显示屏戴尔(DELL)U2414H次显示屏戴尔(DELL)E2016HV

4 BIM应用概况及成果分析

4.1 参数化BIM模型建立

本项目根据隧道设计施工图纸，对隧道模型进行构件拆分、族库建立，并结合三维坐标数据、桩号、高程点，采用自适应族建模方式结合Dynamo按每延米模型精度进行参数化模型建立，为后续精细化BIM模型应用以及各项BIM应用开展提供精准的模型数据支撑。

图5 隧道主体结构构件拆分图

图6 隧道主体结构钢筋模型图

图7 隧道主体结构钢架模型图

图8 隧道主体结构锚杆模型图

图9 隧道主体结构防水板模型图

图10 隧道主体结构止水带模型图

图11 隧道主体结构排水管模型图

图12 Dynamo软件展示图

图13 Dynamo节点展示图

图14 隧道主体结构局部三维模型图

图15 弄衣隧道主体结构整体模型图

4.2 BIM三维设计图审

搭建隧道参数化模型，模拟隧道施工过程，过程审核设计图纸，对存在设计的问题，制作BIM图审报告意见，及时反馈设计院及各参建单位审核，保障施工工期，保证工程质量。

图16 BIM三维设计图审问题报告

4.3 工程量清单统计分析

通过精细化BIM模型建立，结合设计工程材料计量参数，对隧道的混凝土、防水板、止水带、钢架等材料按路线、里程段和衬砌类型等不同维度提取工程量，指导现场施工下料，协助项目进行工程量核算。

图17 BIM模型材料明细表

4.4 三维地质构造模拟

根据地勘报告及相关资料，仿真模拟设计总图整体山体的主要地质构造，为后续项目超前地质预报以及围岩等级辨别提供初步的项目地质信息依据。

此外，地面的山体整体走向情况可为项目施工场地布置提供可靠的依据，如：项目部选址、材料堆放区选址、生活区选址等，最合理、最优化选择施工场地布置用地。

4.5 超挖、欠挖工程量统计

隧道在爆破开挖时，利用全断面扫描仪对爆破后的隧道断面进行扫描，并生产超欠挖CAD断面图，再利用该断面图搭建超欠挖BIM模型，并与设计BIM模型进行比对分析，核算出该断面爆破后的超欠挖工程量差异，从而不断严格控制现场施工的工艺水平，降低项目施工用料成本。

图18 BIM地质构造模型

图19 超欠挖BIM模型与设计模型比对

图20 超欠挖BIM分析模型局部大样图

超挖欠挖率及工程量计算公式：

超挖欠挖率=(实际二衬体积-设计二衬体积)/设计二衬体积

4.6 围岩地质构造模拟

根据地质勘探资料，仿真模拟地质构造形态、构造关系，提前预测开挖前方围岩情况，并结合隧道超前地质预报，实时更新围岩地质模型，与原设计勘探模型进行对比分析、记录，提前预警，降低施工安全风险，保障人员生命安全及财产安全。

图21 围岩地质构造模型图

4.7 隧道不均匀沉降监测分析

根据隧道沉降监测数据，及时导入BIM软件进行BIM隧道沉降模型搭建，记录隧道断面不均匀沉降检测数据并分析，直观比对隧道实时沉降情况，对相应桩号段进行施工预警，提高隧道施工安全。

4.8 施工场地布置优化

运用BIM技术规划施工场地，模拟方案比选，优化施工场地布置，提高场地利用率，减少材料二次搬运，方便交通运输，加快施工进度，降低生产成本。

具体BIM实施方案：

无人机航拍周边山体实况+Civil 3D模型分析+BIM模型场地布置优化方案。

图23 隧道出口场地布置BIM方案

图24 隧道出口场地实景航拍图

4.9 施工工艺模拟

结合BIM模型，根据施工工艺方案，对隧道各类围岩开挖工艺流程、各种结构施工方法等进行施工工艺动画模拟，对现场施工作业人员进行三维可视化技术交底，指导现场施工作业。

图25 隧道施工工艺模拟成果展示

4.10 BIM5D-项目资料协同

项目邀请各部门人员加入云空间，设置人员权限；分部门进行资料上传，各部门人员协同维护项目资料，项目参与人员在移动端、PC端和网页端进行随时调用查看打印资料，减少资料查找时间，提高工作效率，避免存在资料丢失的情况，保障资料完整性。

图26 资料管理网页端展示图

图27 资料管理手机端展示图

4.11 BIM5D-质量安全管理

现场施工人员发现施工质量、安全等问题时，通过手机对质量安全内容进行拍照、录音和文字记录，传送至相应责任人进行问题及时整改，同时通过云端和PC端进行数据统计汇总分析，辅助项目各参建方领导层查看项目整体质量安全整体状况，及时调整工作方案。

图28 PC端质量安全问题展示图

图29 网页端质量安全问题展示图

图30 手机端质量安全问题展示图

4.12 BIM5D-生产进度跟踪

通过BIM5D平台进行施工流水里程任务划分，合理安排每周、月生产施工任务；施工员通过手机端实时记录反馈现场施工情况，及时解决施工问题，提升施工进度管理效率，保障工程进度按时完成。

图31 网页端生产进度跟踪展示图

图32 手机端生产进度跟踪展示图

4.13 BIM5D-施工进度模拟

项目进度计划关联BIM模型，形象模拟施工进度，直观展示工程进度健康状况，提前预测每周、月物资材料、现场劳动力情况，提前发现问题并进行优化，通过分析后续任务状态，及时调整施工进度计划，保证项目进度按时完成，实现项目精细化管理。

图33 隧道施工模拟展示图

4.14 BIM5D-施工工艺库浏览

项目技术人员根据施工方案、规范、设计图纸要求制定各分部分项工程施工工艺流程方案并录入BIM5D平台工艺库；施工管理人员可以通过手机端随时查看各施工工艺，提高现场施工的质量和安全性，同时也提高现场管理人员的管理效率，避免重复施工交底。

4.15 BIM5D-物资提取

本项目采用BIM5D平台，通过导入隧道模型，关联进度计划，项目人员按照里程段、进度时间和构件类型等多维度统计模型材料工程量，导出材料报表用作物资材料计划参考，提前进行物资采购和下料，降低物料供应风险，保障项目施工有序进行。

图34 工艺库PC端展示图

图35 工艺库手机端展示图

图36 各里程段物资工程量提取展示图

图37 各里程段物资工程量提取汇总图

4.16 BIM5D-隧道沉降监测预警

PC端制定隧道沉降监测预警跟踪计划，关联沉降监测方案，现场沉降监测人员通过手机端收集、记录沉降数据，填写监测数据跟踪说明与处理建议，对沉降数据超出规范要求的桩号段进行提前预警至安全部、工程部等，及时采取相应支护加固措施，保证隧道施工安全。

图38 PC端沉降监测预警跟踪计划

4.17 BIM5D-超前地质预报预警

PC端制定隧道超前地质预警跟踪计划，关联超前地质预报方案，现场地质预报人员通过手机端收集、记录超前地质预报数据，填写相关地质预报说明与处理建议，对超前预报围岩与设计围岩等级不一致的里程段需提前预警至安全部、工程部等，及时采取相应措施，保证隧道施工安全。

图39 手机端沉降监测预警跟踪计划

4.18 BIM5D-现场物资管理系统应用

为提高企业对大宗物资进出场验收进行管理，对材料的进场验收以及废旧物资处置材料进出场的进行数量管控及质量管控，避免管理漏洞，本项目首次采用广联达现场物资管理系统进行项目远程、实时监管。

图40 PC端超前地质预报预警跟踪计划

图41 手机端超前地质预报预警跟踪计划

图42 现场物资管理系统展示

图43 材料资源计划展示

图44 材料明细台账展示

图45 车辆管理展示

4.19 企业系统管理平台应用及效用分析

通过企业级管理系统平台可联动项目管理平台进行有效的工程管理、基础数据管理、集中采购管理、劳务资源管理、企业规范标准管理、预算管理、资金管理、资产管理、商务管理、财务管理等。

图46 企业管理平台效益分析图

(1)提高单项目把控能力

项目质量安全状况、资金资源状况、工期进度状况等，可统一在平台录入调取。集团基于各项目数据，有效把控单个项目实施情况。

(2)提高数据存取效率

项目资料信息、财务数据信息、行业讯息。统一存放云管理平台。防止资料缺失，高效存取数据资料。

(3)提供精准高层决策数据支撑

为企业高层或项目高层做出的重大决策，提供有效数据支撑，科学合理的做出最终决策。

(4)提高资源合理分配

基于整个企业运行数据，把控各个项目的人力资源、机械设备、资金资源有效合理调配。

图47 企业管理平台功能展示

5 总结

5.1 创新点

(1)三维围岩地质模拟及预警

结合地质勘探资料，仿真模拟地质构造形态、构造关系，提前预测围岩情况，并根据隧道超前地质预报，实时更新围岩地质模型，与原设计勘探模型进行对比分析、记录，提前预警，提高现场施工安全。

(2)超欠挖工程量统计

结合隧道超挖、欠挖实测数据，导入BIM软件进行超、欠挖模型搭建，分析超、欠挖位置数据，进行工程量统计，为围岩开挖工程量核算提供BIM模型数据。

(3)隧道沉降监测模拟及预警

结合隧道沉降监测数据，导入BIM软件进行BIM隧道沉降模型搭建，记录隧道断面沉降数据，直观展示隧道沉降情况，对相应桩号段进行施工预警，提高隧道施工安全。

5.2 经验总结

(1)关于BIM技术应用实施策略

本项目为隧道施工领域首次应用BIM技术，经过前期不断地技术探讨交流与应用拓展创新，总结了隧道BIM技术应用和创新点，建立了成熟的隧道BIM技术应用方案。

(2)关于主体模型搭建技术

本项目根据隧道设计图纸，结合隧道现场施工技术，通过采用BIM建模软件对隧道主体模型进行多次模型搭建，经过不断地建模测试和技术优化后，总结了一套完善的隧道BIM模型搭建技术。

(3)关于BIM实施应用模式

本项目BIM实施应用以项目总工为主导，确立项目BIM应用内容，以BIM工程师协助开展的模式，经过不断地对成果进行完善和创新，再逐步进行整个项目的BIM实施应用。

(4)关于BIM5D项目协同管理

本项目自引用BIM5D项目协同管理平台以来，通过采取前期试运行的模式，以工程部、质检部和安全部为试点进行实施，在实施稳定和效益增显之后，以点带面，逐步推广至整个项目部进行管理应用。

5.3 BIM课题研究成果效益汇总

(1)促进公路工程的BIM发展

BIM建立数字化工程模型，累加形成公路行业的信息数据库，将成为国家安全信息管理的关键数据基础。

(2)促进公路工程管理信息化

BIM技术将为公路工程项目精细化管理、企业集约化管理和企业信息化管理带来强大的数据支撑和技术支持，促进整个公路行业全生命周期的项目信息化管理。

(3)公路工程产业互联网化

推动公路行业的互联网化。通过虚拟云，将项目所有数据集成在BIM云平台上，管理决策者通过数据平台集成数据实时把控项目的实施动态，实现公路项目的远程异地协同及管理。