过江隧道建设全过程管理中BIM技术的运用

张恒源，赵开跃

(1.安徽建筑大学 研究生院，安徽 合肥 230601;2.浙江水利水电学院 建筑与工程学院，浙江 杭州 310018;3.浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310007)

BIM(building information modeling)又称建筑信息模型技术,最早起源于2003年美国推行的3D-4D-BIM方案，以及其在2006年制定的BIM技术发展规划[1]，是建筑行业在不断发展过程中衍生的新技术，主要用于表达在工程的规划、设计、施工、运维等方面中难以直观表达的三维立体图像与导向类建筑物[2-3]。该技术在减少能源消耗、项目精细化管理、施工过程模拟、空间碰撞检测、现场质量、安全管理等方面可以发挥巨大作用。

1 工程概况

衢州荷一路过江通道工程设计范围为SK0+000—SK2+172.389段，其中隧道段范围为SK0+135—SK2+035段，隧道主线工程为双向四车道。荷一路过江通道平面地理位置见图1。线路全长约2 163.7 m，其中道路全长272.4 m，隧道全长1 891.3 m。明挖段隧道设置为两孔一管廊形式，主线矿山暗挖法段隧道为双洞隧道，明挖段隧道与主线矿山暗挖法段隧道的断面布置均为单向双车道，车道宽3.5 m，建筑限界净宽8.5 m，净高4.5 m。严家淤岛段设置出、入隧道匝道各两条，匝道共四条，匝道为单向单车道。

图1 荷一路过江通道平面地理位置图

2 BIM总体工作流程

2.1 BIM技术方面的应用流程

BIM技术方面工作流程(见图2)以合同、实施计划及本方案为指导，经项目总工程师根据项目实际情况审核后，提出BIM修改需求完善意见，BIM咨询方根据项目总工程师需求编写BIM应用方案并完成相关组织框架，由BIM咨询方和公司的BIM小组共同根据设计单位提供的CAD图纸建立BIM模型。在创建BIM模型的过程中，将图纸相关问题反馈给设计单位，通过图纸问题答复得出最终的BIM模型并进行深化，制定施工阶段实施指导手册(冲突检测、专项工程模拟交底等)。由工程部应用最终成果，公司BIM小组负责落实，将应用过程中的优秀成果逐级反馈，形成对BIM技术成果验收存档。

图2 BIM技术方面应用流程

2.2 BIM管理方面的应用流程

BIM管理方面工作流程(见图3)以合同、实施计划及本方案为指导，项目总工程师提出管理方面BIM应用需求，BIM咨询单位和公司BIM小组编写相关应用方案、操作手册、奖罚制度，通过所有项目各部门参与方共同讨论方案、手册、制度的可行性并颁布指导性意见，确保BIM平台协同管理顺利实施。BIM咨询单位将在BIM模型上传BIM协同管理平台，由公司BIM小组负责监督各部门展开进度管理、质量管理、安全管理、资料管理、成本管理等方面的应用，最后把应用成果和应用数据逆向传递，由BIM咨询单位和公司BIM小组分析汇总形成的报告提交给项目总工程师验收。

图3 BIM管理方面应用流程

3 BIM技术应用点

针对本工程施工中的特点及重难点，设计出BIM的应用点框架(见图4)。

图4 BIM应用点框架图

3.1 设计阶段的应用

设计阶段的主要工作是确定各专业的设计图。在此阶段引入BIM技术，可将传统的二维平面图纸翻模成高度可视化的BIM三维模型，主要包括建筑模型、结构模型与机电模型[4]。利用BIM 3D模型在设计阶段解决各专业的3D协同、全专业碰撞检查、仿真漫游，提高设计质量，减少返工和资源浪费，控制投资成本与进度[5]。

利用revit软件和navisworks进行全专业综合模型碰撞检查，包含建筑、结构、机电设备、通信信号、装修等多个专业。综合检查时需要设置各个专业的构件集，不同构件集之间进行空间碰撞，碰撞结果出来后反馈给各专业设计者，随后按专业优先性进行设计优化。针对隧道东岸设备机房进行碰撞检查，发现如下问题：(1)废水管与隧道两侧墙体碰撞，顶部地漏位置与预制钢梁MKL2 1 300×1 500碰撞(见图5)，通过优化设计，建议地漏位置改为钢梁两侧；(2)消火栓立管与隧道沟槽顶板碰撞(见图6)，对此，建议变更偏移立管位置。

图5 碰撞检查结果1

图6 碰撞检查结果2

3.1.2 仿真漫游

首先，借助3D技术从整体到局部，从关键节点、复杂工序等方面对隧道进行三维展示，提高技术人员在感官上对隧道各部分的认知；其次，对施工方予以技术指导，避免盲目施工而引起的返工[6]。通过全景地图模拟，使施工人员能够清楚地了解整个工程的概况、施工技术难点、施工工期的规划等基本情况，便于施工顺利开展。

3.2 施工阶段的应用

基于工程实际需求和已有模型，利用BIM技术未建先拟的优势，在施工前开展临时场地规划与建模、重点施工方案模拟等应用实施，预先模拟工程整体施工流程，对进场的设备、人员进行编码，利用开发物料管理体系等措施确保工程高效、有序地进行的同时，开展安全管理和进度管理。

3.2.1 临时场地规划与建模

施工现场模型的建立，主要包括施工现场办公用房、材料加工区、材料堆放检验区等。开展施工场地实际作业模拟，可以杜绝施工现场出现净空不足、相关建筑物反复拆装、倒边等情况，通过二维规划图纸，形成三维可视化的方案，充分、合理地规划利用已有场地。根据周边环境模型与施工场地规划模型结合，设定施工围挡位置，规划交通疏导方案。

3.2.2 施工方案模拟

对于复杂技术方案，利用二维图纸很难明确表达其技术要点和难点，无法满足标准化施工管理的现实需求[7]。因此，要根据设计图纸和施工方案，建立专项技术方案和安全专项方案的精细模型，对其施工方法进行工序模拟，识别设计中不合理的施工方法，验证施工中的干涉和冲突，优化施工资源配置，缩短工期，节约成本。本工程明挖段隧道围护结构采用钻孔灌注桩，采用新型带有自动定位、校准功能的旋挖钻机钻孔，泥浆护壁成孔，汽车吊放钢筋笼，导管法浇筑混凝土成桩工艺等。施工全过程可采用BIM进行可视化模拟，主要内容包括三个方面：(1)利用BIM模拟该施工工艺，为施工人员提供形象化的施工过程，使施工人员更加清晰、准确地了解施工过程；(2)通过模拟，对钻机的定位、校准的精确性以及汽车在吊放钢筋笼时,在风力等因素的影响下钢筋笼的稳定性进行可行性研究；(3)通过模拟，在施工前发现和解决设计中存在的问题，合理分派布置施工资源。

3.2.3 进度管理

中共中央政治局委员、上海市委书记李强在《求是》杂志撰文写道：习近平总书记讲，一滴水可以反映出太阳的光辉，一个地方可以体现一个国家的风貌。浦东发展可以说是我国改革开放的一个重要见证。

通过电脑端luban explorer或移动端luban explorer及时录入各构件施工状态、关键工序时间，系统后台自动形成整个项目的实际进度。图7为将荷一隧道相关数据录入形成的进度量化数据分析图。依据这些数据进行统计分析，及时对项目现场进度进行管理，提高项目对现场进度的管控，分析阶段施工所需工期，对比总结是否存在提高效率的可能性，以便合理安排下一阶段施工所需材料、设备及资金。通过超前地质预报可知，荷一隧道暗挖段地质条件为软弱地层，应采用CRD法将整个隧道断面分为若干独立存在的小断面进行分部施工[8]。每个工作面进度运用BIM进行可视化处理，可以清晰直观地反映出各工作断面施工进度情况，以①、②、③号工作面为例，图8为在仅表达施工进度可视化条件下的暗挖段进度信息可视化图。

图7 隧道形象进度量化数据分析

图8 暗挖段进度信息可视化图

3.2.4 质量、安全、物料管控

(1)质量与安全管控

利用移动终端(智能手机、平板电脑)采集现场数据，对存在安全与质量问题的部位或样板部位通过照片、文字或语音描述，上传到对应模型构件，联系对应负责人，提出整改要求和整改时间。相关责任人根据整改要求进行整改回复，形成闭合。现场质量缺陷、安全风险、质量安全样板等数据资料库，要与BIM模型即时关联，以方便施工过程中、竣工验收时的数据统计管理。

(2)物料管控

由于隧道工程建设项目造价高、投资大、建设周期长，露天作业、户外作业等不可控因素较多等特点，导致其劳动生产效率低、利润空间小和资源大量浪费等问题普遍存在。基于以上情况，研究出一种物料管理体系(见图9)。该体系主要通过物资申购、采购、订货、合同签订、配送、付款、仓库管理、质量反馈、报废等整个过程的闭环管理，提高整个供应链系统的运行质量和效率，降低物资管理成本，实现“计划生成自动化、仓储管理智能化、业务流程信息化、物资供应准时化”的管理目标。

图9 物料管理流程图

3.2.5 二维码生成

在编码规则基础上，对本工程内的参建人员、机械设备、材料、结构以及文件档案做好编码工作，生成实体二维码，便于现场管理。基于BIM模型的二维码技术应用展示见图10。

图10 基于BIM模型的二维码技术应用展示

4 应用BIM技术带来的效益分析

4.1 技术价值

利用BIM技术进行三维技术交底、施工方案模拟、施工动画等方式可以直观、高效地向基层技术人员、施工班组表达出方案的意图，以及施工中各工序应重点注意的技术问题，进而提高工作效益和工程质量，避免因工人对图纸、方案理解不到位造成的工程质量问题，耽误工程进度。

通过BIM模型进行图纸审核、图纸交底，大大提高图纸的审核效率和准确性，缩短图纸审核的时间，减少图纸审核工作量；提前发现图纸问题，将问题在施工前处理，避免施工过程中因图纸导致的返工、废弃工程等，为工程的质量、工期以及成本提供了保障。

根据该项目设计图纸，对隧道项目土建、重点部位钢筋专业进行1∶1比例建模，抢在开工前找出图纸问题达40余处，其中浅层次设计疏忽类图纸问题23处，较深层次设计疏忽类图纸问题15处，重大设计矛盾层次设计疏忽类图纸问题2处。这些问题的导向工作大大节约了项目管理人员审图以及与设计方沟通的时间。对工程设备用房进行模型创建及碰撞检查，通过碰撞检查发现管综问题12处、照明问题1处、机电问题3处，避免了工期延误、材料浪费等造成的经济损失。对项目进行整体施工动画，其中包含项目基本情况、工期、施工工艺等，对项目整体筹划提供依据。对项目进行实地漫游，漫游过程中对完工后项目内部进行合理性检查。按照进度成本、材料成本、管理成本并结合以往类似案例情况出发，BIM技术的运用为该项目挽回了至少107万元经济损失。

4.2 成本价值

通过BIM模型核对图纸工程量，提前发现工程量与图纸量差，能尽早了解需要申请签证变更的地方，重点记录数据。荷一过江隧道建模完成后将模型混凝土量与图纸混凝土工程量统计对比(见表2)得出：BIM模型总量为152 396.26 m3，图纸设计量为152 820.49 m3，相差424.23 m3，差值率0.278%。C40混凝土按照360 元/m3计算，424.23×360约15.27万元，能从混凝土工程量对比中利用数据争取约15.27 万元的效益。

表2 模型混凝土量与图纸工程量对比

4.3 管理优化价值

通过BIM技术进行现场质量安全管理、进度管理和移动端管理，可以提高整个工程的管理效率。对过江隧道项目进行现场质量安全管理，某月份通过BV进行照片采集共107张，其中质量和安全问题共20张。通过快速的问题定位，现场人员进行问题整改，质检部门和监理进行整改结果查看，以每个问题为相关管理人员节约1 d的现场巡查和问题确认时间为例，那么可节约20 d的现场巡查和问题确认时间，保守估计为1万元。此为一个月的数据统计，项目总工期3年，据此能推算出此项至少能创造30万元以上的经济效益。