BIM在特长水下隧道综合养护管理平台中的应用

李西芝,汪永兰

(华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014)

1 引 言

随着经济的飞速发展,我国公路隧道的建设项目与日俱增,隧道工程建设从山岭隧道逐渐迈向了跨越江河湖海的水下隧道。隧道建设项目的增多养护管理的难度逐渐加大,隧道养护管理具有管理对象多、时空特性复杂、决策方式落后等特点[1],科学合理的隧道运营养护管理成为公路隧道安全正常运行的重要保障。

从20世纪60年代开始,国外相继开始研究先进的隧道养护系统,英国、美国、日本等西方发达国家先后开发了相应的隧道养护系统。计算机技术、图像处理技术、通讯技术等新一代技术的发展为隧道的养护管理带来了新的发展方向。建筑信息模型(BIM)技术是一种先进的技术手段,通过三维数据技术,实现对工程实体与功能特性的数字化表现,满足管理者集成化管理的需求[2]。近几年BIM技术的飞速发展使得其应用场景已经从房建领域延伸至交通基础设施领域,目前广泛应用于工程项目勘察、设计、施工,但BIM技术在隧道运维领域应用较少,尚处于初始阶段,主要以隧道结构可视化展示、运营监控[3]、设备设施管理[4]等应用为主。针对隧道土建结构检测、评估、维修、决策中的业务和管理需求,利用BIM可视化优势,开展隧道管养技术研究。

2 工程背景

苏锡常南部高速公路太湖隧道是首条穿越太湖的隧道,采用围堰明挖法施工,全长10.8 km,净宽40.6 m,其中暗埋段长度为10 km,马山侧敞开段长度为290 m,南泉侧敞开段长度为500 m,隧道洞口两端各设100 m自然光过渡段,暗埋段横断面采用两孔一管廊形式,两侧为行车孔,中间为设备管廊,双向六车道(加紧急停车带)高速公路标准,见图1,是国内最长的超宽水底隧道。

图1 太湖隧道暗埋段标准横断面图(单位:cm)

依托太湖隧道,基于全寿命周期的管理理念,利用BIM可视化、信息传递的优点,实现BIM模型从建设期向养护运维期的延伸,建立太湖隧道可视化综合管养平台,围绕日常巡查、结构检测、状况评定、日常维护的养护管理业务工作内容,辅助管理人员更合理地制定后续养护策略,提升管养业务处理和服务水平,实现数字化追溯、辅助决策、提质降本的目标。

3 养护期与建设期BIM衔接

BIM技术的应用,模型是基础。依据施工阶段BIM模型应用需求,太湖隧道建设期已创建了隧道土建结构BIM模型,并汇集了包括质量、进度、安全等在内的多方面建设信息。隧道养护期与建设期BIM衔接主要包括模型传递、编码传递、数据传递三个方面。

3.1 养护期与建设期模型传递

通过隧道三维BIM模型,以三维数字化的形式,整合隧道建设期结构和数据信息,在运维养护的需求上对建设期模型进行深化和优化。建设期模型主要目的是施工过程的仿真模拟,养护期的三维模型需要反映出结构形态、突出病害分布,以满足分析结构受力状态、现场检查、制定维修方案等需求,两者差异包括:一方面,用于施工过程仿真模拟的施工BIM模型,精度达到LOD-400及以上,含有钢筋等内部细部构造,这些内部构造在养护阶段不属于重点关注对象,可以隐藏;另一方面,施工BIM模型以施工过程为基础开展的构件拆分与运维存在差异,如施工模型主体结构拆为顶板、侧墙、隔板,养护模型需要较精准指导检测维修作业,首先将主体结构分为左行车孔、安全通道、右行车孔,在此基础上将顶板更细致地分为顶板、折板。因此,养护期的BIM模型既要舍弃较多的构造细节,又需要对建设期模型进行深度扩充。

3.2 养护期与建设期模型编码传递

养护期BIM应用的核心在于充分利用建设期的BIM模型及其传递的全周期信息,实现贯穿设计、施工、运维等全生命周期范围内的BIM信息传递及应用。太湖隧道建设期BIM模型编码参考了《公路工程信息模型应用统一标准》《公路工程信息模型设计应用标准》《公路工程施工信息模型应用标准》三部标准,应用统一标准,包括公路工程的分类编码、数据存储等。养护期对建设期模型进行了深度扩充,并根据养护所需对隧道构件进行了划分,在划分基础上开展了养护构件编码,两套编码通过隧道同一构件进行信息关联,实现编码映射。这种传递方式可追溯性强,通过信息平台可以关联相应的系统图纸,提高运维管理水平。

3.3 养护期与建设期模型数据传递

太湖隧道建设期积累了大量的设计、施工数据,为更好的利用建设期相关数据信息,实现基于BIM技术的全寿命周期建管养一体化信息管理,需实现建设期与运营养护期的数据一体化。建设期采集、存储的数据已与建设期BIM模型构件挂接,可利用建设期与养护期的BIM模型传递来实现挂接数据的传递,通过建设期模型的轻量化处理和构件编码对接,将数据模型导入管养平台,利用编码映射关系,将施工期构件和数据导入平台,形成管养的初始状态,每个构件都具有相应的三维载体、建设资料、施工信息和属性等内容。

按照数据采集、存储的方式,可以将建设期数据分为结构化数据和非结构化数据两大类。其中,结构化数据通过模型与数据库的映射重新生成养护期的结构化数据,用于评定、决策;非结构化数据则通过路径映射实现存档管理与溯源。

4 太湖隧道可视化综合管养平台

4.1 系统框架

隧道管养平台有五个层次,见图2。(1)设施层:整个系统的基石,包括支撑系统运转的软硬件设施,以及采集、传输数据的各类设备;(2)数据层:通过云计算平台、数据交换共享等平台,利用数据挖掘工具和分析模型对从业务数据源采集交换的数据进行全面的统一管控、整合和分析;(3)支撑层:设计时着力解决与已有系统的数据接口问题,在实际应用中能够实时调用其他系统数据,涵盖了通用支撑平台内的系统,包括统一通信、GIS地理信息系统、统一权限管理等;(4)业务应用层:面向不同的用户,满足用户业务所需,把不同的资源按照实际的应用场景整合之后展现给用户,为用户层提供完善的隧道养护管理应用;(5)用户层:采用包括HTML、PHP等界面方式对各应用层系统进行展示。

图2 太湖隧道管养平台系统架构

4.2 功能设计

太湖隧道综合管养平台利用互联网、物联网、大数据人工智能和隧道专业技术,涵盖基本信息、任务、检查、评价、维护、接口等,实现隧道土建结构不同业务标准化、规范化的流程和结果管理,以及不同构件基础信息类静态数据以及病害、维修等动态信息的查看和维护,形成数据标准化集聚和管理平台,进行基于数据的运营养护管理。整个系统模块可以分为三大板块,资产管理、养护业务管理、后台管理,其中资产管理与养护业务管理是系统的核心功能。

(1)资产管理

资产管理板块包括了隧道基础信息管理模块、档案管理模块、数据报表模块,主要功能为存储和管理太湖隧道的静态信息,包括行政识别数据、结构技术数据、竣工信息、档案管理等,满足结构化数据及docx、xlsx、pdf、dwg等多类型数据的存储和管理。

资产管理主要依赖于事先建立的太湖隧道标准化的数据管理体系,进行结构静态信息的管理,同时可通过报表管理模块实现对系统中所有信息的输出显示,利用预先设计的条件及组合,从定量的角度实现对满足条件属性数据的浏览、汇总、计算、下载功能,采用表格、饼状、柱状图、三维展示等多种形式直观地表现统计结果。

养护期模型继承于建设阶段的BIM模型,实现基于BIM的宏观隧道全景、微观构件细节模型展示,同时通过模型编码实现信息挂接,在BIM模型上进行建设期和养护期结构信息同步展示,满足管理人员数据管理需求。

(2)养护业务管理

养护业务板块包括了隧道检查检测模块、结构状况评定模块、日常养护模块、专项养护模块。

隧道检查检测管理是养护管理系统动态数据采集入口,提供隧道日常巡查、经常检查、定期检查、专项检查等工作的任务管理、病害录入与跟踪管理等功能。各类型的检查内容、流程与策略主要依据现行行业规范和制度,结合实际管理需求和国内外类似工程经验开发,强化检查业务管理、提升病害管理的专业性。同时,检查信息能够与BIM模型实时交互,能够在BIM模型上对应显示历年检查信息、病害信息。

目前隧道养护行业规范《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)[5]主要针对钻爆法山岭公路隧道,在水下隧道养护中具有一定局限性。因此,结构状况评定模块将参考现行行业规范,同时结合太湖隧道土建结构的工程实际,进行隧道评定分项的划分,并建立隧道层次评价模型(评价目标、评价对象、评价指标及权重)。

日常养护模块根据太湖隧道土建结构的特点,以及管理者业务习惯进行全流程管理开发,做到从发现病害到处治病害的闭合管理,涵盖任务申请/通知、任务审核、接单维修、验收初审、验收审核、抽检管理六个环节,实现完整的养护工程过程与台账管理。同时,实现基于BIM模型的基础数据、病害数据和养护维修数据的建管养信息一体化展示。

结构监测管理模块对接太湖隧道结构健康监测系统,对隧道接缝多维变形、重点断面结构应力、隧道变形缝渗漏水、隧道纵向不均匀沉降几个典型、关键监测指标数据进行提取、分析,全方位、多角度直观掌握隧道实时状况数据,加强隧道运行把控。

(3)后台管理

后台管理是实现所有功能的一个基础模块,为系统的正常运转提供角色权限管理支撑和相关参数支撑,对系统所存储的数据和系统使用者进行管理,为用户的系统体验及数据整合提供便捷,主要分为部门管理、用户管理、角色管理、日志管理和权限管理,并充分考虑到了系统的完整性和可扩展性,以应对后期系统可能面对的调整与优化,后台管理架构见图3。

图3 后台管理架构

5 应用效果

系统自2021年12月31日起全面应用于太湖隧道土建结构的日常养护管理,截至投稿日前,已实施了143次日常巡查,10次经常检查,记录了150多项异常信息。主要的应用效果及优势如下。

(1)满足了隧道寿命周期数据管理的需求

梳理太湖隧道寿命周期相关的数据资源类型、分布、结构、质量,实现隧道全寿命周期数据资源把控,利用数据标准化推动隧道各项业务数据的整合与规范,保证数据的准确性、一致性、完整性、可用性和安全性,实现资源共享和业务协同。

(2)实现了隧道养护业务协同

实现太湖隧道日常巡查、经常检查、定期检查、专项检查、日常养护、专项养护等业务的记录及管理,包括任务下达、人员分配、结果记录等方面,依据现行行业规范和制度以及预防性养护理念进行业务内容和流程管理,并对业务过程中采集的数据进行审核、汇总、报表输出等。

(3)实现了隧道状况的4D展示

通过太湖隧道可视化模型展示隧道基本信息、养护信息、结构状况信息、养护状态信息及结构监测状况等,通过数据可视化寻找数据在空间维度和时间维度的规律,为基于各类数据进行科学养护决策提供辅助。

6 结 论

太湖隧道可视化综合管养平台结合BIM技术、物联网技术等先进信息科技,继承了建设期BIM模型及数据信息,不仅实现了隧道全寿命周期的数据集成和管理,同时围绕隧道日常巡查、结构检测、状况评定、日常维护的养护管理业务工作内容,满足了管理者信息查询、业务管理等需求,有效提升了管养业务处理和服务水平,实现了隧道管理数字化追溯、辅助决策、提质降本的目标。