基于Bentley平台的城市山岭隧道工程全生命周期BIM技术应用研究

饶丹 成蕾 余达峰 高杨

摘要：依托龙泉山二号隧道为工程背景，通过对BIM理论的广泛调研，提出了BIM技术在城市山岭隧道的工程应用的定义，并研究分析了城市山岭隧道全生命周期BIM技术应用的解决方案。研究成果如下：基于Bentley技术，创建了项目综合管理BIM平台，优化了项目设计管理、技术管理、造价管理、质量管理、安全管理、进度管理及投资管理。同时，BIM技术在城市山岭隧道工程中的应用，提升了设计的深细度、实现了施工的动态模拟以及运营维护资产管理的信息化。将三维可视化建模、信息融入等BIM技术成功运用于隧道全生命周期各阶段中，突破了传统2D设计的局限性，解决了隧道建设各阶段信息传递不及时、信息滞后等难题，降低施工风险。

关键词：Bentley平台； 城市山岭隧道； 全生命周期； BIM技术

中图分类号：U457文献标志码：A

近几年来，我国隧道里程正快速增长，截至2020年年底，我国公路隧道总里程达到2 000万m，特长隧道隧道达到600多万m，同比增长19.5%［1-2］。随着技术的完善和创新，国内长大隧道越来越多，但伴随而来的是地质情况更加复杂，需要克服的难题越来越多。而现如今隧道建设与运维信息化严重不足，掌子面前方地质信息预测困难、预测信息传递不及时、各部门信息实时共享性差等给隧道工程带来了严重的安全隐患。在此情形下，迎来了全新的BIM技术，可实现信息资源的实时共享、可视化建模等，同时也弥补了传统2D设计的不足，广泛用于各类工程的建设中，为新时代隧道工程建设带来了一片曙光［3-5］。

由此，国内外众多学者对BIM技术在隧道中的应用展开了大量研究。马腾［6］在基于Bentley平台上采用C#/C++混合编程技术研发了隧道洞口设计软件，完成了隧道洞口位置的选择及洞门的选型，解决了传统二维设计过程中的诸多不足；高玮等［7］介绍了一种基于Revit平台的矿山法隧道的BIM建模方法，可对矿山法隧道进行全生命周期建立可视化三维模型；张孝俊［8］将BIM技术应用于隧道超前地质预报中，通过将TSP数据导入三维地质模型，实现了超前地质预报信息的即时共享，提高了隧道建设的安全性；Song等［9］提出了隧道工程BIM技术的基本软硬件配置要求，介绍了BIM技术的基本架构及BIM技术在隧道工程中应用的一般原则和基本流程，最后提出了隧道工程协同管理的施工方案；王璐玮［10］采用Civil 3D建立了隧址区三维地质模型，并模拟了隧址区渗流场，结合现场监测数据，研究发现模型与实际渗流量基本相等；吴冬等［11-13］介绍了BIM可视化建模技术在隧道规划、设计、施工、运维中的应用。

综上，BIM技术在我国隧道建设中的运用取得了显著的成果。而目前城市山岭隧道的工程项目建设仍以传统建设模式为主，管理离散性高，难以实现工程建设成果前置优化的建设要求，推广应用BIM技术是当前城市山岭隧道工程建设的迫切需要，也是推動建设行业由“二维 CAD时代”向“三维信息化时代”重大转型的需要。本文依托龙泉山二号隧道为工程背景，通过对BIM理论的广泛调研，提出了BIM技术在城市山岭隧道的工程的定义并总结其特点，同时基于Bentley技术构建了项目综合管理BIM平台，研究分析了城市山岭隧道全生命周期BIM技术应用的解决方案，而目前城市山岭隧道工程国内尚无完整采用BIM技术进行全方位管理的先例，本文的研究将对未来相关工程的BIM应用具有巨大的指导意义。

1基本概述

BIM技术是建筑信息模型（Building Information Mdeling）、建筑信息管理 （Building Information Management）、建筑信息模型化 （Building Information Modeling）功能的集合 ［14-15］，能够用于一个项目规划、设计、施工、运维全生命周期的设计管理，可实时掌控项目全生命周期不同阶段的准确信息，正逐步成为建筑设计的主流方向。

本文在基于广泛调研的基础上，提出了BIM技术在城市山岭隧道工程应用的定义：利用信息模型对城市山岭隧道进行全生命周期规划设计管理。模型包含整个隧道项目所有几何尺寸、空间关系、结构功能等信息，在隧道全生命周期内，各阶段信息实时记录共享，各部门基于信息共享的基础上积极展开协同工作。

2软件平台

如图1所示，施工深化快速建模软件是基于Bentley基础建模平台Microstation（以下简称 MS）和路线建模软件OpenRoads Designer（以下简称 ORD）进行二次开发出来的，构件参数化主要提托底层平台MS的参数化功能。施工深化快速建模软件的构件主要包含两条技术路线，一是通过剥离设计移交模型的几何信息和非几何信息，读取几何信息根据施工要求自动深化为施工模型，再附上移交模型的非几何信息;二是翻模，通过录入设计图纸的几何和非几何信息，结合施工管理要求实现自动深化。

如图2所示，施工管理平台板块包含应用平台C/S端、B/S端和移动端。应用平台C/S端同样基于MS和ORD，包含施工属性标准，C/S端重点实现建模过程中的构件层级关系与工程分部分项划分标准，以及工程量清单之间的自定映射关系。无缝读取Bentley的DGN文件，上传到服务器，在B/S端和移动端呈现模型树和相应构件信息，并进行信息的查询和录入，实现信息的汇总分析和传递。

3可行性研究分析

3.1施工深化建模工具可行性分析

在技术层面上，程序化的建模流程是可行的，基于路线的构件，程序更容易实现，可更高效处理复杂的逻辑关系程序，同时所掌握的图形接口也能满足桥隧施工深化工具研发的需求。结合以往工程案列对BIM施工模型的需求进行了详细调研，保证了施工深化工具的通用性。

现阶段交通土建工程BIM建模和应用大部分单位由于技术的不成熟，BIM工作和业务自身是割裂的，对企业提升BIM应用水平不明显，研发“桥隧施工模型深化建模工具”是一条经济、合理的路线，有利于实现可持续发展和差异化发展。

3.2管理平台可行性分析

平台建设有两个难点需要解决，一是必须依靠模型深化工具才能实现自动统计的功能，如果通过手动录入的方式跟传统工作方式区别不大，且容易出错；二是必须有Bentley基础图形平台MS和路线建模软件ORD的接口。本文研究在基于Bentley平台的基础上进行软了件二次开发，解决了桥隧施工深化工具的问题，也能提供相应的接口。对于B/S端和移动端应用，市场技术相对成熟，暂时没有技术需要攻破，在技术上是可行的。

岩土工程与地下工程饶丹， 成蕾， 余达峰， 等： 基于Bentley平台的城市山岭隧道工程全生命周期BIM技术应用研究

4项目综合管理BIM平台

4.1项目综合管理BIM平台的创建

项目综合管理BIM平台集云技术、GIS技术、物联网技术及LoT技术于一体，主要为各参建方服务，构建项目级平台，以项目为管理单元。平台主要包括PC端、Web端和移动App端。

PC端：施工电子沙盘作为平台的子系统，主要为用户提供三维模型的可视化显示和相关操作，包括对构件进行选中、显隐、隔离、提取无素ID、绑定和清除IFC、查看图元、输出obj文件、导出Project可识别的XML文件、一键发布模型等功能。电子沙盘是以Bentely的MicroStation CE为平台，支持Net和C++开发，能方便的实现各种所需功能，利用该平台实现对设计模型的深化处理，实施施工BIM模型的生成、属性关联、错误检查等。

Web端：基于浏览器端的项目管理系统主要实现系统设置、项目管理、设计管理、技术管理、造价管理、质量管理、安全管理、进度管理、投资管理、施工日志等功能。

移动APP端：移动端应用，主要用于施工现场数据录入、信息查看等，提供基本的模型操作及施工管理功能。

4.2项目综合管理BIM平台的应用

（1）系统设置：系统具有强大的权限自定义配置功能，满足不同角色用户的访问权限设置。平台也支持建设单位、施工单位、设计单位、监理单位等参建方按照业务流程、职责自定义权限和工作流，基础数据配置灵活，可以在线维护APP的自动更新功能等。

（2）项目管理：该模块主要帮助用户进行项目基础信息维护、切换、在线发布消息，配置GIS和BIM模型的配置信息，并且可以使用BIM模型融合进度管理进行三维可视化进度查看，对比计划和实际进度的差异以不同颜色显示，还有基础的模型构件显隐、隔离控制、对地形和实景模型显隐控制等。

（3）设计管理：该模块设置设计文件及变更归档目录，并将设计文件与BIM构件相关联，模型空间随时可查看设计文件，手机APP端可按构件浏览设计文件。

（4）技术管理：该模块设置技术文件归档目录，并将技术文件与BIM构件相关联，模型空间可随时查看技术文件，提供技术文件清单管理及智能化提醒功能。项目开始前，梳理项目所需上报的技术方案，建立电子清单，并设置预警阀值，超过计划上报时间系统自动预警上报方案。

（5）造价管理：通过模型构件和对应的结构树进行工程量属性的维护，方便用户在三维可视化的BIM上点击查询对应的工程量属性信息，也可以将数据导出为本地数据文件进行保存。

（6）质量管理：借助BIM模型及互联网技术，分部分项构件报验按工序准备、工序检验的双管控方式实现数字化质检方法。构件相关质量文件、技术交底、专项方案、图纸等技术文件与构件挂接，实现档案数字化、信息化，随时随地方便查询。每类构件设置工序流程及质量管控要点，现场人员按照工序流程逐项检查并上传图片及检查结果，避免传统检查时疏漏及不规范。质量人员也可以通过移动端APP对施工现场的质量问题进行现场拍照和文字记录，并且指派推送给相应人员进行整改，整改完毕之后，由确认人核实现场情况并拍照记录，将检查问题进行闭环。

（7）安全管理：对定期检查的安全生产相关的人员、检查记录、巡检图片上传至管理平台。移动端APP现场安全隐患排查/问题超期预警（移动端现场数据采集、汇报、整改）；安全专项方案及技术交底；安全问题统计报表/分析图表（现场问题汇总、整改记录、审批、存档）；按隐患类型统计、隐患趋势分析。

（8）进度管理：通过传入项目信息，从Web端项目管理模块中获取到项目进度计划和实际进度对于正常、滞后、超前进度不同颜色表达，一目了然。同时，系统平台提供总体进度计划、年度、季度、月度计划模拟及进度对比分析功能，分析进度计划编制的合理性，偏差分析功能提醒管理人员进度滞后的工程部位、滞后时间、以便及时分析偏差原因。

（9）投资管理：系统平台搭建产值或计量数据接口，供第三方软件提供的产值或计量数据接入系统平台。同时系统平台对计划产值和实际产值的数据进行管理，以线上的形式进行数据录入和后台数据统计。

（10）二次开发：基于系统平台标准版的功能，結合本项目实际特点，定制开发基于BIM的隧道进度监控、基于BIM的隧道变形监控预警、基于BIM的隧道瓦斯监控预警功能。

4.3与智慧工地平台的互联互通

系统平台与智慧工地监控对接，现场视频监控数据实时传输显示、劳务人员考勤管理数据接入、重大安全风险监测设备数据接入、隧道掘进监控等，便于结合BIM模型与现场实际情况进行比对和管理。

5工程实例

5.1工程概况

龙泉山二号隧道位于四川省成都市龙泉驿区龙泉山，隧道进口端临龙泉山茶兴路，出口端临013乡道。隧道设计为双向分离式隧道（双向8车道），左线长度2 083 m，右线长度2 098 m。隧道穿越的地层岩性主要为砂泥岩互层，综合工期、地质条件考虑后，龙泉山二号隧道采用矿山法施工，隧道衬砌采用复合衬砌结构形式，结构创新、工艺复杂。

5.2设计阶段的应用

在设计阶段，基于设计提供的二维图纸，建立不同精细化程度、满足不同应用需求的BIM模型，完成施工图纸会审、深化设计、技术交底、施工模拟及项目展示。在隧道建设期，设计资料可根据施工方案实时变更、实时共享。

借助三维地质软件，根据测绘信息数据、推测的地层分界点、地质勘察剖面数据、地层分界面迹线等数据建立地形地质模型。再根据现场施工设计图洞门结构尺寸、隧道与路线模型相互联系，采用采用全参数化建模的方式构建隧道三维可视化模型，如图3所示。

5.3施工阶段的应用

（1）工程量计算：由BIM模型输出工程量报告，精准计算材料数量并且可以快速输出施工预组件的数量报表，实现施工的成本效益估算。

（2）施工模拟：通过BIM施工模型，根据规划的施工顺序，模拟施工工艺动画，强化施工人员作业能力，提高施工效率。

（3）数字加工：由BIM施工模型输出钢筋（钢材）的下料表及材料数量表，对接钢筋（钢材）加工厂，实现数字化半成品加工，降低人为制造的误差值并提高生产效率。

（4）碰撞检测与冲突分析：在3D可视化模拟的空间内，通過3D软件进行冲突检测，以减少变更设计的产生，同时校核构造设计的合理性，借以提升施工效率与施工质量。

（5）实时监测：通过BIM施工模型漫游动画，用动态交互的方式对未来的隧道项目进行身临其境的全方位的审视，同时可以从任意角度、距离和精细程度观察场景。

5.4运营阶段的应用

运营阶段可对BIM模型作轻量化展示，将BIM模型中包含的空间位置信息和结构、装修、设备、设施等物理信息显示、处理、储存，为运营阶段日常管理工作提供技术支持。如在隧道病害检测中，通过对隧道病害进行三维可视化建模，可清楚明了的展示隧道发生病害的位置及病害程度，便于采取针对性补救措施。

在隧道运营阶段还可以通过BIM技术研究分析隧道发生火灾等紧急情况下应急措施的模拟，根据客流密度，模拟通风措施，找到不同客流密度下对应的最小通风量，可在保证人员安全的同时节约经济。

6结束语

本文依托龙泉山二号隧道为工程背景，通过对BIM理论的广泛调研，提出了BIM技术在城市山岭隧道的工程的定义，同时基于Bentley技术构建了项目综合管理BIM平台，研究分析了城市山岭隧道全生命周期BIM技术应用的解决方案，主要研究结果：

（1）借助Bentley技术，创建了项目综合管理BIM平台，优化了项目设计管理、技术管理、造价管理、质量管理、安全管理、进度管理及投资管理。

（2）BIM技术在城市山岭隧道工程中的应用，提升了设计的深细度、实现了施工的动态模拟及运营维护资产管理的信息化。

（3）将三维可视化建模、信息融入等BIM技术成功运用于隧道全生命周期各阶段中，突破了传统2D设计的局限性，解决了隧道建设各阶段信息传递不及时、信息滞后等难题，降低施工风险。

参考文献

［1］洪开荣，冯欢欢.中国公路隧道近10年的发展趋势与思考［J］.中国公路学报，2020，33（12）：62-76.

［2］秦峰，王少飞，肖博，等.截至2021年底中国10 km以上特长公路隧道统计［J］.隧道建设（中英文），2022，42（6）：1111-1116.

［3］祝兵，张云鹤，赵雨佳，等.基于BIM技术的桥梁工程参数化智能建模技术［J］.桥梁建设，2022，52（2）：18-23.

［4］黄灿新，王团乐，施炎，等.基于BIM的水利水电灌浆工程管理系统研发与应用［J］.人民长江，2022，53（9）：209-215.

［5］陈镇，陈孝乾，刘萍，等.基于BIM技术的数字化矿山建模研究［J］.中国矿业，2022，31（1）：73-78.

［6］马腾.基于BIM技术的铁路隧道洞口设计软件研究［J］.铁道标准设计：1-7.

［7］高玮，汪义伟，葛双双，等.矿山法隧道BIM建模技术研究［J］.地下空间与工程学报，2022，18（4）：1305-1316.

［8］张孝俊.BIM技术应用于隧道超前地质预报［J］.山西交通科技，2022（5）：76-78.

［9］Song Z P， Shi G L， Wang J B， et al. Research on Management and Application of Tunnel Engineering Based on BIM Technology［J］. Journal of Civil Engineering and Management， 2019， 25（7/8）：785-797.

［10］王璐玮.基于BIM和Modflow的隧道涌水量预测研究［J］.山西交通科技，2022（5）：93-95.

［11］吴冬，安彬，南宏峰，等.基于BIM的隧道工程预警可视化应用研究［J］.现代交通技术，2022，19（4）：34-38.

［12］姬付全，翟世鸿，王潇潇，等.BIM辅助铁路隧道施工方案可视化设计应用［J］.铁道标准设计，2016，60（5）：108-111.

［13］龚佳琦，胡珉，喻钢，等.BIM可视化辅助下的隧道病害决策分析［J］.土木建筑工程信息技术，2015，7（6）：31-36.

［14］李俊松，董凤翔，张毅，等.基于达索平台的铁路隧道工程全生命周期BIM技术应用探讨［J］.铁路技术创新，2014（2）：53-56.

［15］张轩.基于Bentley平台的铁路隧道BIM技术应用研究［J］.铁道标准设计，2019，63（4）：107-112.

［作者简介］饶丹（1977—），男，本科，高级工程师，主要从事建筑工程技术工作。