地下洞室施工模型动态管理方法研究

许墨陶，庞 琦，葛瑞华，孙 阳，李尔康

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司数字与智慧工程院，陕西 西安 710054)

0 引言

如今，随着国家对工程信息化的重视程度提高，陆续出台了相关政策来促进BIM技术以及信息化技术的发展[1]。随着BIM技术的快速发展，BIM技术在设计及施工方面的优越性也日渐凸显，如BIM模型的可视化、属性信息的集成化、数据信息的无障碍共享化等，可帮助各参建方更好更快地了解和掌握建设项目的施工情况，近几年在水利水电、高速公路、地下洞库等工程已有广泛应用。

在国内，廖云江、王超、王红军等[2]以两河口水电站引水发电系统工程为例，利用BIM技术，建立集成施工信息地下洞室群BIM模型。于琦、王红军、欧阳乐颖[3]在三维设计的基础上,通过引入BIM思想研发地下洞室预警系统。赵琳、张轩、陈鹏飞[4]在京张高铁八达岭车站工程中运用BIM技术建立地下洞室模型有效提升设计效率。中国电建西北院发明了一种基于BIM的地下洞室地质预报的方法[5]。姚宝[6]使用revit软件，实现地下车库排水沟、车位、充电设备等设计优化，提高了工程质量水平。沙莎[7]结合实际道路建设项目，基于BIM+GIS技术实现了BIM模型的创建以及管理平台的搭建。

然而，在地下洞室施工过程中，一方面由于地下洞室围岩类别的复杂性，无法根据前期地质勘探情况判断出地下洞室准确的围岩类别并一次性建立准确的地下洞室施工BIM模型；另一方面随着地下洞室的开挖掘进，需对不同施工状态的地下洞室BIM模型进行快速动态管理，以提高模型的辨识度，进而更好地指导施工。

为解决上述问题，在中国电力建设股份有限公司科技项目经费资助下，本文基于BIM轻量化技术，进行了实时动态更新地下洞室施工BIM模型并直观展示围岩类别属性信息与实际施工进度的地下洞室施工模型的管理方法研究，并在某地下洞室施工过程中成功应用，更好地指导了现场进行进度管理与施工[8]。

1 动态管理方法设计

该方法将地下洞室轻量化BIM模型作为地质信息和施工信息的可视化载体，随着地下洞室的开挖掘进，同时，根据实际地质揭露情况及编录成果，实时动态更新地下洞室轻量化BIM模型的围岩类别属性信息和实际施工进度信息，将不同的围岩类别和实际施工进度状态在地下洞室轻量化BIM模型上用不同的颜色和透明度进行呈现，可为管理者提供清晰明了、可视化的地下洞室施工决策依据。

该方法逻辑图如图1所示。

该方法的主要步骤如下：

步骤一：根据已知地质资料通过BIM软件建立地下洞室施工BIM模型。

步骤二：利用轻量化转换工具将地下洞室施工BIM模型转换为地下洞室施工轻量化BIM模型。

步骤三：将轻量化模型上传至网页端地下洞室施工管理平台中。

步骤四：将围岩类别信息和实际施工进度信息与轻量化模型关联挂接。

步骤五：将不同的围岩类别和实际施工进度状态在地下洞室施工管理平台中分别预设对应的显示颜色与透明度。

步骤六：可视化展示地下洞室的围岩类别及其分布与实际施工进度情况。

步骤七：在地下洞室开挖过程中，可根据实际地质揭露情况及编录成果与实际施工进度，实时动态更新地下洞室轻量化BIM模型的围岩类别属性信息和实际施工进度信息。

该方法可对地下洞室BIM模型进行实时快速动态更新，实现地下洞室BIM模型颜色与透明度随着围岩类别和实际施工状态的变化自动添加/修改与显示，直观展示地下洞室的围岩类别及其分布与实际施工进度，省去模型的再处理工作，不需要人工手动进行操作，提高了工作效率与模型的辨识度，可更好地指导现场进行进度管理与施工，为决策者提供可视化的施工决策信息。

通过实时收集地下洞室施工过程信息，动态反馈到轻量化模型中指导施工，再收集施工过程信息反馈到轻量化模型的一个反复过程，形成一个正反馈的逻辑闭环。

2 应用案例

某水电工程采用坝式开发，开发任务以发电为主，对上游水电站反调节，并促进地方经济社会发展，电站建成后，每年可实现直接产值约12亿元，经济效益较显著。水电站挡水建筑物为建造在深厚覆盖层上的混凝土面板堆石坝，泄洪建筑物由右岸2孔开敞式岸边溢洪道和1条泄洪放空洞组成。输水发电系统布置在左岸山体中，由电站进水口、输水隧洞、地下厂房、主变洞、尾水闸门操作室、尾水隧洞、尾水渠和地面GIS开关站组成。本工程洞室较多，右岸有导流洞、泄洪放空洞，左岸引水发电系统均在地下，软弱夹层发育，尤其是左岸地下厂房部位发育有两条规模较大的软弱条带及平缓断层，对地下厂房稳定有一定影响，因此存在地下洞室围岩的稳定问题。本文利用上述方法在该水电工程地下洞室群施工中成功应用，取得较好的使用效果。

2.1 地下洞室BIM模型创建与轻量化转换

本文根据某水电工程现有工程资料，采用达索公司旗下3DE平台，建立施工三维模型和地质三维模型。但因3DE软件专业化程度高，只能通过桌面端软件程序打开三维模型，模型体量大，所占系统内存多，无法上传到网页端管理平台中进行管理与查看。施工现场硬件条件有限，为方便现场工程管理人员可在个人电脑上查看、操作地下洞室BIM模型，实现BIM模型指导工程管理可落地、可应用。故首先需要将专业软件中的BIM模型轻量化处理，转化为网页端也可查看操作的轻量化BIM模型。

本文通过电建西北院自主研发BIM模型轻量化转换插件，对BIM模型实施轻量化转换，可在3DE平台中将模型直接转换为.b3d轻量化模型数据格式，压缩比最高可达100∶1，且模型精度不降低，模型展示效果不受影响。BIM模型轻量化转换插件如图2所示。

2.2 系统研发

本文在React框架下，采用WebGL技术在HTML5页面上建成了Web端施工模型管理平台。本平台主要包含以下4个模块：

1)施工模型管理模块，其主要功能为：管理轻量化模型的上传、模型操作等。

2)模型信息管理模块，其主要功能为：管理轻量化模型围岩类别属性、施工属性挂接等。

3)施工任务管理模块，其主要功能为：管理轻量化施工模型施工任务、施工进度等信息等。

4)形象进度模拟模块，用于可视化展示地下洞室的围岩类别及其分布与实际施工进度。

平台整体用于整体协调统筹模块之间的信息传递。

2.3 轻量化模型上传及属性挂接

模型轻量化后通过施工模型管理模块上传至Web端平台，仍能保留轻量化前的模型结构树。通过模型信息管理模块将围岩类别信息上传至平台后，在模型结构树或地质模型构件上添加对应属性信息即可完成轻量化地质模型与对应信息的挂接工作。轻量化模型和对应属性在平台上的展示如图3所示。

然后将BIM模型对应的施工进度信息导入模型信息管理模块中。

2.4 围岩类别颜色与透明度的预设

在施工模型管理平台中，按照工程资料以及提前设定的规则，对围岩类别属性和施工状态分别预设对应的颜色及透明度，使得在可视化模型展示时，围岩和施工状态的颜色及透明度能够随着围岩类别属性和施工状态的更新自动变化。省去模型的再处理工作，不需要人工手动进行操作，提高了工作效率与模型的辨识度。

2.5 可视化展示施工进度

当前洞室工程项目管理中经常用于表示进度计划的甘特图，由于专业性强、可视化程度低，无法清晰描述施工进度以及各种复杂关系，难以准确表达工程施工的动态变化过程。本文将BIM与施工组织计划相连接，将空间信息、时间信息与资源信息整合在一个可视的5D模型中，直观、精确地反映整个地下洞室施工过程。通过可视化展示可以在地下洞室建造过程中合理制定施工计划、5D精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理、控制，以缩短工期、降低成本、提高质量。

在某水电工程中的具体应用如下：

1)地下洞室施工任务建立。

Web端施工模型管理平台支持工程控制性节点进度、年度进度、月度进度的导入、查询。支持Project，EXCEL等格式进度数据的导入。

在系统内也可以新建/添加/删除施工任务，任务可分母子级。

在任务条目中可填入(导入)对应的计划开始时间、计划结束时间、计划持续时间、计划工程量等计划信息。

系统中根据计划可以有配套的甘特图进行管理，系统有日历以及对应的时刻针功能。

2)任务与模型关联。

平台支持通过手动或自动关联(按照编码或指定规则)的方式，将计划任务与模型构件相互关联。模型需提前根据地下洞室开挖计划，以开挖单元为模型颗粒度，进行拆解和细化。

3)施工进度可视化展示。

进度计划编制完成，并绑定模型构件后，平台可以根据计划开始时间、计划结束时间对项目进行可视化展示。

将进度关联到模型上并通过模型展示出来(见图4)，可按照时间段查看计划进度进展情况，或可以任意拖拽时刻针至任意时刻，查询任意时刻的模型计划进度形象。

2.6 围岩类别信息和实际施工进度动态反馈

随着地下洞室开挖施工的推进，实际地质揭露情况和实际施工进度也在不断动态变化，产生的信息动态更新到Web端施工模型管理平台，模型也随着信息的更新动态变化。在某水电工程具体实现如下：

1)地质信息更新。

随着施工阶段地质编录的深入，依托开挖过程中编录成果，按照一定频次(可取洞室开挖单位工程编录完成后一周内)对地下洞室围岩类别信息进行更新。平台根据更新的信息自动修改地质模型的数据库、地质模型颜色及透明度，并将其轻量化成果上传至系统中，模型编码不变，直接覆盖原模型，显示最新版本，并保存历史版本(见图5)。

2)实际施工进度信息更新。

施工进度信息包括实际开始时刻、实际结束时刻、实际持续时刻以及实际工程量等。实际施工进度填写在定制的表格中，上传至平台后，施工进度信息会自动映射到对应的模型构件上。管理人员便可以按照时间段查看实际进度进展情况，或可以任意拖拽时刻针至任意时刻，查询任意时刻的模型实际进度形象。

随着项目实际进度进展反馈，系统根据任务条目的计划开始时间与实际开始时间、计划结束时间与实际结束时间对比，每项工作任务将有对应的计划模拟与实际进度的对比分析，如提前1 d完成或已推迟10 d等，系统可以自动导出进度对比报表。

系统可以采用两个窗口播放的形式，如左侧窗口是计划进度模拟仿真窗口，右侧窗口是实际进度窗口，可以双窗口同步播放，视觉上获取进度的差别(见图6)。

3 结语

本文创新性地提出了一种基于BIM技术的地下洞室施工模型动态管理方法，将抽象的地下洞室地质信息和施工信息可视化展示，并根据实际施工情况动态反馈到平台中，让施工模型自动动态更新，并在某地下洞室工程中成功实践，探索出该方法行之有效的实现路径。解决了手动更新模型效率低，工程管理中决策依据不直观等问题，有效提升地下洞室施工决策效率，增加资源分配和资源投入合理性，该方法具有良好的推广前景。