基于建筑信息模型的隧道施工管理平台

瞿文婷 喻 钢

(1.上海大学土木工程学院，200444，上海; 2.上海大学悉尼工商学院,200444,上海∥第一作者，硕士研究生)



基于建筑信息模型的隧道施工管理平台

瞿文婷1喻 钢2

(1.上海大学土木工程学院，200444，上海; 2.上海大学悉尼工商学院,200444,上海∥第一作者，硕士研究生)

为了实现工程质量、安全、设备的实时管理,并增强信息的可溯性,本项目基于建筑信息模型(BIM)技术,结合物联网等信息手段,建立了基于BIM的隧道施工管理平台。平台具有设备层、资源层、服务层和应用层等4层结构，以及系统管理、施工管理、管片跟踪、人员跟踪、盾构监控等5大模块,实现隧道工程数字化管理。该管理平台已在上海轨道交通12 号线11 标工程上得以应用。

隧道; 施工; 信息管理; 建筑信息模型

First-author′s address School of Civil Engineering,Shanghai University,200444,Shanghai,China

近年来,为了有效缓解城市交通拥堵问题,城市轨道交通的建设进入了快速发展时期。以上海为例,2015年就新通轨道交通线路达40 km,至年底地铁隧道网络总长达到588 km；另外到2020年,上海将计划建成800 km的轨道交通线路，其中大部分是隧道工程。

隧道工程的快速发展也为隧道工程建设的管理提出了更高的要求。而隧道工程一般具有的以下特点,使其建设过程不易管理。首先,地下工程隐蔽性强,尤其是位于城区的地铁隧道建设,大多建于人口稠密的区域,周围环境十分复杂,稍有不慎，易引起周边建筑物和地下管网的变形、位移或沉降过大，造成严重的工程事故[1]。其次,施工现场信息交流程度低,隧道施工现场都在地面以下,环境较封闭,难以获得人员及设备信息；信息的不流畅可能导致在事故发生时难以对施工人员进行定位而开展及时的救援[2]。第三,施工现场设备复杂,隧道工程需要依赖盾构机进行施工,处于封闭不开阔的环境；其中的机电、施工设备也较为复杂,较难管理。

而今随着可视化、多媒体等技术的深入研究,以及移动互联网、大数据分析、物联网、建筑信息模型(Building Information Model,BIM)等技术的兴起,可以有效解决以上管理问题。另外,施工工地的员工素质往往参差不齐,通过完备的技术手段,可以培养其良好的工作习惯。

我国的BIM首先在建筑领域开展研究和应用,然后逐步推广至铁路隧道行业。2012年以前,BIM处于应用设想阶段,有学者对其在铁路隧道工程中的应用设想进行了探讨[3-4]。自2012年以后,BIM进入试点应用的阶段,例如长江隧桥建设发展公司将BIM应用于长江西路越江隧道的管线搬迁工程[5]。近两年,正在逐步实现隧道工程中BIM的全面全生命周期的应用,也有学者就隧道全生命周期中BIM技术的应用进行了探讨[6-7]。

本项目以BIM为中心,结合物联网技术手段,建立了隧道施工管理平台,以实现上海轨道交通12号线11标中施工的科学、有效、准确的管理。总体研究目标是结合BIM技术,从质量、材料、安全、设备4个方面对隧道施工全过程进行管控。

1 系统架构

1.1 系统架构图

基于BIM的隧道施工管理平台分为4层架构,包括设备层、资源层、服务层和应用层,如图1所示。

第1层为设备层。设备层包括视频监视器、物联网信息采集系统和中心服务器。在工地上部署多个视频监视器,通过网络传回中心服务器,对工地现场进行实时监控。物联网信息采集系统包括射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)芯片和RFID读头,固定式读头分布在工地大门门禁闸机、电机车、盾构机、井口门禁闸机等工地各个区域,以读取人员安全帽上的RFID芯片等。手持式读头用来读取管片内埋入的RFID芯片,以实现管片质量信息的动态获取。获取的数据通过网络统一传回至中心服务器,对数据进行处理。

第2层为资源层。资源层包括数据资源及模型资源。数据资源包括人员定位系统、管片质量系统和盾构推进系统等,将其动态实时采集的人员位置信息、管片质量信息、盾构施工推进信息等,采用异构数据融合机制,通过数据接口适配器,将人员位置信息、管片质量信息、进度信息数据等集成到BIM模型及中心数据库。模型资源是通过一个BIM数据集成平台,实现工业基础分类(industry foundation classes,IFC)模型数据的读取、提取、集成和显示,可针对现场施工的不同工况,将数据资源进行有机的组织,形成具有特性的模型,提供不同视角下的数据呈现。

第3层为服务层。服务层是系统各个模型的集成与管理,保障各项功能模块的顺利实现,是用户应用交互层与模型层之间的纽带,是施工实时智能监控平台的具体功能与应用的展现。包括施工进度实时显示、周边环境监测、人员轨迹监控、管片质量跟踪等服务,通过网络技术支持项目各参与方分布式的工作模式,基于相应的BIM模型,获取所需要的模型数据,支持基于BIM技术的各系统的应用和数据共享。

第4层为应用层。应用层是进行人机交互的界面,用户在该层获取系统提供的服务。

图1 系统架构图

1.2 系统模块图

基于BIM的隧道施工管理平台包括系统管理、施工管理、管片跟踪、人员跟踪、盾构监控5个模块,如图2所示。其中,系统管理模块负责实现系统中用户信息的管理、模型基础数据的维护、平台基础数据的维护以及系统运行环境的配置。

图2 系统模块图

2 原理与实现

2.1 物联网传输技术的应用

物联网在信息采集、传输方面的应用改变了原来人工现场手动记录模式,实现了信息采集的自动化、实时性，且保证了数据的可靠性。结合物联网技术的优点,系统能够获得及时可靠的施工、人员数据,以达到安全管控、人员管控的目的。

物联网技术在人员安全管理中的应用。首先在施工人员的安全帽上安装RFID射频芯片,通过固定位置读头读取RFID芯片信息,确定佩戴安全帽的人员位置。将读头信息通过无线传输逐级传递到中央监控室中。控制室可通过芯片源反映在BIM模型中的位置来确定施工人员所处的具体位置,当有突发状况时可及时通知施工人员逃生方向或进行救援。

物联网技术在质量管理信息管理系统中的应用。该部分的实现首先在管片构件生产过程中,预埋入RFID芯片并写入生成数据。在施工过程中通过手持机读头读取管片内芯片信息、写入施工过程中的信息,并通过无线传输将施工数据传递到中央监控室中。监控室将获取的管片信息反映在模型中,动态显示隧道的推进信息,并进行实时监测,也为隧道运营维护提供数据基础。

2.2 全方位的信息采集

以隧道为主体对象的全方位信息采集是实现施工动态管理的基础,并为实现隧道全生命周期管理打下基础。施工过程中关注的信息包括结构、设备和环境信息,在运营维护阶段可以通过获取历史施工信息对隧道进行养护。各阶段信息采集见表1。

表1 各阶段信息类别获取表格

2.3 基于BIM的多源异构信息集成

由于隧道施工管理涉及的内容较多,数据的采集方式与表现形式也各不相同,这就导致了数据的来源众多、构成成分不同。来自于声音、视频、RFID定位等技术产生的数据,进行存储的数据结构也存在差异。通过多源异构存储与调用技术、数据流接口技术、控制模式技术的研发,将不同数据来源、格式、存储方式等在同一软件平台中运行,实现数据集成,以加强隧道安全、进度、质量管理为目标。

同时基于实时施工数据的BIM隧道施工模型将采集的监测数据与数据库中的模型相对应,对该模型上的每个建筑材料和监测点都在BIM隧道施工模型上进行唯一标识。这样一旦施工现场数据通过底层网关传输进行修改后,在该施工模型中能准确地进行反映,通过对模型及实时监测数据的分析,动态展示隧道的施工过程。

传统的数据展示方式无法有效地将数据集成后进行统一展示,而通过BIM技术则可以有效地将信息进行集成,并通过三维模型将数据直观地呈现。本项目通过对多源异构数据与BIM模型进行融合,并架构基于模型的数据库,实现数据在三维模型上的动态实时显示。数据库实体关系(Entity-Relation,ER)如图3所示。

3 系统应用

上海轨道交通12 号线11 标工程地处徐汇区滨江开发区,该工程是隧道股份市政工程(集团)有限公司地下工程板块中重要的地铁工程项目。工程主要包括龙华站—浦江南浦站区间隧道(长1 021 m)和浦江南浦站—大木桥路站区间隧道推进工程(长1 220 m),以及旁通道2座、泵站1座,区间采用4台Φ6340盾构推进。

3.1 人员安全管理

在施工过程中,由于施工人员流动性强,所用施工设备有可能对施工人员的安全造成危害,在施工设备操作过程中,人们可能由于赶工期等原因会忽略一些重要的安全规范。因此,必须对施工人员以及设备进行定位,形成一个网络来进行可视化表达,这样可以方便管理者对施工人员和设备进行管理,同时也可以对施工人员及设备使用情况进行统计。通过人员、设备跟踪定位,对某些在施工过程中有可能出现危险的地方进行重点监控,一旦施工人员出现在危险区域或设备和人员之间小于安全距离时进行预警。

3.2 盾构管理

在施工过程中,对于盾构机的状态要进行时刻跟踪,盾构机状态的变化与整个施工过程息息相关。盾构机状态的信息化十分必要,系统将盾构推进至每一环时的参数都进行记录,并结合到BIM模型当中,这样既可以十分直观地在以后的质量事故中对盾构行径进行追溯,又可以对盾构机的状态进行实时的跟踪。

3.3 管片跟踪管理

管片是隧道的主要构成部分,其状态一定程度上决定了隧道的质量。管片的渗漏、裂缝等结构病害,若处理不当可能导致危害极大的工程事故。将管片信息纳入系统,并结合BIM的图形化展示,对模型上的管片进行选择时就可获得相应当前管片的数据参数及历史信息；模型漫游时,也可通过模型上的标记,直观看到管片存在的病害。病害较多的区段,则可纳入重点监察范围,使管理更有针对性。

图3 数据库ER(实体—关系)图

3.4 施工质量管理

在隧道施工全过程中,现有的监控一般都是监测隧道施工过程中引起的地表沉降、墙体侧斜、管线沉降等信息,这些信息都是分散记录和统计的。通过利用BIM的优势,可建立一套三维立体的基于BIM的隧道施工全过程信息化监控系统,通过这些监控信息和智能算法来预测在隧道施工过程中有可能出现的危险信息。同时,通过基于BIM的隧道施工全过程的信息化监控和智能预警控制系统,使得施工管理人员直观地了解该隧道的施工进度。而对于施工过程中的沉降也以三维立体图的形式进行展示。通过将隧道施工中的各种不同信息进行数据融合,再结合专家知识库中类似隧道工程施工的信息来智能地预测出在隧道施工中可能出现的危险情况,保证施工人员的安全,提前对这些危险情况进行报警,以提示人们在出现危险情况前,采取必要的措施,来避免危险事故的发生。

4 结语

数字化施工管理工作在上海轨道交通12号线11标的应用取得了初步成功,但该系统仅仅覆盖了施工管理工作,未来该系统可以在现有数字化管理系统基础上向混凝土预制件、地下开发等领域进行拓展。将现有基于BIM的隧道施工管理平台向前延伸至隧道BIM模型建立、管片生产管理系统,向后将施工中的信息移交运营,为隧道后期维护管理提供便利,以实现盾构隧道全生命周期管理。

[1] 周文博.地铁隧道工程施工信息化管理与应用研究[J].科技与企业,2014(23):61.

[2] 甘培生.隧道施工与安全智能管理系统应用研究[D].西安：长安大学,2012.

[3] 朱江.BIM在铁路设计中的应用初探[J].铁道勘察,2010,36(6):73-76.

[4] 卢祝清.BIM在铁路建设项目中的应用分析[J].铁道标准设计,2011,31(10):4-7.

[5] 刘小方.BIM在长江西路越江隧道项目的应用[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(6):107-110.

[6] 逯宗田.铁路设计应用BIM的思考[J].铁道标准设计,2013,33(6):140-143.

[7] 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.

Tunnel Construction Management Platform Based on Building Information Model

QU Wenting, YU Gang

To achieve the real-time management of the quality,safety and equipment of rail transit project, strengthen the traceability of the information, a tunnel construction management platform combined with building information modeling(BIM) is set up, which contains four layers (equipement, resource, service and application) and five modules to realize the digital management of tunnel construction.The system has been applied to a project on Shanghai Metro Line 12.

tunnel; construction; information management; building information modeling(BIM)

U 455.1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.030

2015-10-12)