基于BIM的川藏铁路隧道工程数字化移交技术研究

王 飞，刘 金 飞，尹 习 双

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

近年来，世界范围内的网络化、数字化、智能化、智慧化建设风起云涌。其中，公路工程规划设计上通过BIM+GIS技术实现工程规划设计的信息化和可视化[1，2]。水利水电领域各大流域开发公司在流域建设管理智能化领域的案例不断涌现，国电大渡河公司率先提出了建设智慧企业[3]，站在企业整体的角度，强化物联网建设、深化大数据挖掘、推进管理变革创新。雅砻江流域水电开发公司研究并构建起基于流域水电全生命周期管理的流域数字化平台总体架构[4，5]，提出了平台建设实施规划。

综上所述，水电行业数字化和智能化研究近年来取得的丰富成果，如数字大坝、智能地厂、智能灌浆、施工资源定位监控、安全监测自动化、安全巡查数字化、质量验评数字化、数字化移交等，有效提升了电站建设数字化水平和智能化管控能力。鉴于川藏铁路建设隧道占比高、工程地质环境复杂、施工条件差、高寒高海拔地区施工效率低、工期保障性差等特点，亟需采用数字化、信息化与智能化的技术手段提升工程建设阶段的管理水平，助力工程建设顺利推进，为工程建设管理创新创优提供支撑。

2 基于BIM的隧道工程智能建造综合管理平台架构

川藏铁路隧道工程数字化一体移交的基于BIM的隧道工程智能建造综合管理平台采用深度融合物联网的六层架构，包含物理层、感知层、传输层、分析层、业务层和展示层，见图1。

(1)物理层。物理层是感知的对象，即隧道物理环境。

(2)感知层。感知层是感知的手段，借助各类硬件设备感知隧道及其周围物理环境。

(3)传输层。利用各类传输手段将感知的信息传输至数据分析层，提供数据支撑，主要包含平台所需的基础空间地理数据、工程三维模型数据、工程图档数据、业务流程数据、设计建造数据和实时监控数据等，通过自动采集与人工录入相结合的方式进入平台。

(4)分析层。根据业务层的需要进行后台分析处理。

(5)业务层。根据隧洞TBM施工管理的业务需求，与数据层中的数据相结合后形成业务应用，包括宏观地质预测信息、超前地质预报预测信息、勘探揭示信息的地质信息可视化集成，隧洞建设过程中的技术、进度、生产、质量、资源、安全环保等的管理，TBM运行中的台账、巡检、状态在线监测、故障等管理。

高校图书馆的嵌入式学科服务是图书馆知识服务的重要内涵，是图书馆在数字环境下的适应性发展和有效转型，相关研究和实践也为优化图书馆嵌入式学科服务提供了参考，为后续研究提供理论和方法依据。但是，大部分研究仅局限于对嵌入式学科服务本身和对学科馆员的研究，而较少将图书馆已开展的其他服务与嵌入式服务进行有效融合，实现多种服务的相互促进，相互提升。所以从总体上看，当前相关研究中各高校图书馆都在积极探索适合自己馆实情的嵌入式学科服务方式，但却忽略了对用户需求的挖掘、用户认同感的培养，以及针对用户的差异性的个性化定制策略研究，包括服务推广和服务评价机制研究都是现有研究中相对不足的地方。

(6)展示层。通过PC端、电子大屏和移动终端实现应用接入，为用户提供可视化的辅助管控工具和以及决策会商环境与智能信息服务。用户主要由综合决策用户、管理人员和现场技术人员等组成。用户通过权限认证访问不同的系统与数据，保证系统与数据的安全可控。知识库将隧洞建设过程中遇到的不良地质段处理案例、TBM运行故障预测、TBM正常掘进信息规律、隧洞地质信息等信息集成起来，并基于隧洞及TBM施工单元模型进行信息集成与动态回放，同时，将搜集的同类工程案例、相关文献与总结文档有序管理。

3 基于BIM的川藏铁路隧道工程数字化移交关键技术

3.1 BIM+GIM地质超前预报技术

在工程建筑领域，GIM是承载建设项目地质体相关地质要素的数字表达，是共享的知识资源，分享建设项目相关地质体本底与动态变化的数据及相关的信息，为建设项目从孕育到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程。GIM是工程各方协同设计的基础，在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在GIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

GIM+超前地质预报，基于大数据和信息化，以GIM为技术平台，以地质模型为综合载体，以地质分析判断为基础，提供多形式、多层次地质预报成果。通过渐进明细，不断提升隧道超前地质预报的精度。与传统的超前地质预报相比，基于GIM的超前地质预报集成了三维地质建模系统、数据库系统、专家库系统并利用互联网技术将预报结果以多种形式发布给参与各方。

3.2 BIM+GIM施工组织设计

3.2.1 场地规划

综合利用GIM、BIM模型，进行场地规划布置，合理布置各种料场及其加工系统、渣场、材料库、钢筋加工房、施工营地等各种施工场地。

图1 川藏铁路隧道工程数字化一体移交技术架构

施工场地的布置是动态变化的，因此，场地规划应与施工现场动态变化做到紧密结合，对于施工过程中可能出现的安全冲突要重点考虑。在施工场地规划设计过程中，通过BIM技术的应用，对复杂抽象的工程项目进行信息处理，使建筑结构更加直观易懂。BIM技术的应用，能够更好地模拟项目施工的各个阶段，对施工场地布置中存在的隐患问题进行排除，避免返工，减少损耗，为项目争取更大的收益。

3.2.2 场内交通布置

利用GIM、BIM模型，根据各料场、仓库、营地及施工对象的位置，基于已建道路或永久道路，将拟使用的施工道路做出详细设计及说明，保证场内交通布置合理，以满足各阶段施工要求。

采用BIM技术提前模拟规划，保证场地内交通顺畅。施工现场内主要车辆有运渣运料车、混凝土车、泵车、挖掘机等材料运输车辆及施工机械。利用BIM技术在场区中模拟各种车辆在临时道路上的行进路线、材料运输车辆进出场和卸货位置以及不同车辆会车过程，在交叉路口设置分流指示牌和交通警示牌，对进场车辆进行合理分流。

3.2.3 填挖平衡

利用GIM、BIM技术，根据施工模拟情况分析隧洞开挖、路基填筑等各阶段施工现场土石方开挖、填筑、堆放等情况，进行挖填距离、土石方转运工程量、运输路线等分析，编制土石方调用方案。

3.2.4 施工供水、供电和通讯布置

利用GIM、BIM技术，基于场地布置模型，结合现场地形及施工特点，进行施工及生活用水、用电、通讯、消防等临建设施布置，以满足工程施工及施工人员生产、生活所需。

项目临建策划前期，利用BIM技术对整个施工现场及生活区进行建模，整体规划临建、现场临边防护、塔吊及机械加工棚等位置。通过多方案三维可视化直观对比，将形象与功用最大化。相对于二维平面施工布置图，三维施工布置模型更加直观、清晰，更符合施工真实情况。

3.3 施工进度仿真技术

利用GIM、BIM的模拟演示功能，对总施工进度计划进行三维仿真模拟，分析各工序安排交叉是否合理，对计划安排不妥之处进行及时调整，保证实际施工过程中各工序的顺利进行。

BIM的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，为施工工艺的设计优化、施工进度仿真、可行性验证提供了技术途径。实现施工方案的3D可视化和4D虚拟仿真的基础，是建立能真实描述施工方案的三维数字模型，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。在BIM的4D虚拟仿真环境中，可以进行实时交互的过程模拟，虚拟推演施工方案的过程，动态检查方案可行性以及存在的问题，优化施工装备和工艺等。

3.4 BIM+智能建造技术

在川藏铁路工程设计结构、施工材料、施工装备下，结合变化的环境条件和流动的资源要素，实现大坝安全优质高效建设需要直面工程问题和目标，运用现代信息技术手段(BIM、 物联网、大数据、可视化等)，通过自动采集、实时传输、专家分析、动态监控、评价预警、终端推送、数据挖掘等方法研究川藏铁路BIM+智能建造技术，遵循“全面感知、真实分析、实时控制”的闭环智能控制理论，利用物联网、无线传输、大数据等技术，实现监测数据的数字化在线采集、实时传输、存储与动态分析。

实时获取大坝建设的基础数据、环境数据、过程数据和监测数据，明确各类数据的具体内容 ，并选择或研发适合的数字感知采集设备和方法，以确保获取数据的准确性、真实性和及时性。其次是隧洞建设全过程设备管理、通风、工区、应急管理和会商决策。最后是隧道建设质量和安全状态、进度及物资的预警和实时调控。

3.5 数字化交付技术

基于BIM数字化移交是通过集成设计、施工、监测、运维等的工程数据的多维信息模型，将数据信息传递给施工方和业主，从而实现项目工程信息的共享和利用。通过iTunnel平台的建设，以GIM+BIM模型为基础，集成工程设计、施工、监测、运维的数据资产，构建隧道工程数字孪生体，项目运营方将从源头上掌握隧洞全生命周期管理数据，并以设计数据为基础实现隧洞数字化，开展现代化的运维管理及设备资产管理，从而实现全隧洞生命周期的数字化管理。

设计阶段主要包括各阶段设计模型、BIM导出的二维图纸、可视化成果、各阶段基于BIM的分析报告、设计阶段工程量统计分析报告及工程量清单、设计变更模型等。

施工阶段主要包括管线综合分析报告及图纸深化、施工场地模拟(含场地布置方案文档)、施工设备模拟(含设备清单文档)、施工进度模拟(含施工进度计划文档)、施工工艺模拟(含施工技术交底文档)、施工节点可视化验收视频展示、施工节点工程量统计分析报告及工程量、施工阶段节点模型、施工竣工模型等。

4 结 语

以川藏铁路建设全生命周期管理理念为指引，以海子山隧道等六座隧道工程为主要依托，以复杂地质条件预测预报、施工组织设计优化、建造过程精细化管控、高原高海拔地区大型隧道工程建设知识传承、数字化交付等为建设重点，对GIM+地质超前预报、基于GIM+BIM的数字化施工组织设计、基于BIM的隧洞工程智能建造及iTunnel隧道数字化交付等关键技术进行了研究。提出的基于BIM+的川藏铁路隧道工程数字化移交技术是基于BIM技术，运用物联网、云计算、大数据等新一代信息技术，将地质超前预报、数字化勘测设计、智能建造、应急管理与后期保障与项目管理、知识库等深度融合的技术体系，将有力促进工程建设从传统管理模式向数字化、信息化、智慧化转变。