BIM技术在隧道与地下工程中的应用及前景综述

2018-04-13陈紫云李天斌刘四昌王丽娟

地质灾害与环境保护 2018年1期

陈紫云，李天斌，刘四昌，王丽娟，3

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017；2.成都理工大学，成都 610059；3.四川航天职业技术学院，广汉 618300)

1 引言

BIM技术与隧道与地下工程是当前科学研究的热点课题之一。关于BIM的定义众说纷纭，目前的主流认识是根据其主要功能和操作要义，认为BIM(Building Information Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础，通过数字信息去仿真模拟建筑物真实信息的计算机仿真信息系统模型，利用数字化的建筑组件表示真实世界中用来建造建筑物的构件，展示整个建筑生命周期。从定义上即可知，相较于传统电脑辅助设计用矢量图形构图来表示物体的设计方法来说，BIM设计和管理的理念发生了根本的改变。但是，隧道和地下工程相对于工民建，建筑材料与建筑环境关系密切，甚至可视为一体，故其定义仅局限于信息模型的结构显得狭隘。个人认为可以修订为：BIM，技术上是以三维数字空间技术为基础，集成了部分项目信息的工程数据和建设环境模型，是对该工程项目信息的尽可能详尽表达；管理上是一种应用于规划、设计、建造、运维等全寿命周期的数字化全局管理方法，支持建设工程的集成管理环境，可以在建设进程显著提高效率和大量减少风险。

BIM具可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性，涵盖几何学、空间关系、地理信息系统、建筑组件的性质及数量，该理念是工程建设信息化发展的必然趋势，具有重要应用价值和广阔应用前景[1,2]。将BIM技术应用到隧道与地下工程工程中，可显著实现设计精细化、施工安全化、后期运营条理化，提高设计施工质量和效率，降低工程造价和劳动强度，加强不同工作方协作程度[3]。但是，由于带状分布、地形地质复杂等环境条件原因，使得其BIM编码分类、行业标准、软件平台等不能照搬工民建BIM路线。鉴往而知来，为了BIM技术在我国隧道工程中得到更好地发展，有必要对其存在的问题及相应的研究成果加以整理分析，为相关的研究和应用提供借鉴。

2 关于BIM技术的概述

2.1 技术起源与发展简历

BIM理念启蒙受到1973年全球石油危机的影响，理论基础源于集CAD、CAM一体的计算机集成制造系统CIMS(Computer Intergrated Manufacturaring System)理念、产品数据管理PDM(Product Data Management)和标准产品信息模型STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)[9]。1975年，“BIM之父”——乔治亚理工大学Chunk Eastman教授在研究课题“Building Description System”中提出“a computer-based description of-abuilding”，以实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率，开启BIM技术理念[1]。但直至1992年，G.A.Tolman和Van Nederveen的论文《建筑建模的多种视角》才正式提出BIM概念(Building Information Model)[9]。BIM技术正式引入工程建设行业大约始于2003年美国推行的3D-4D-BIM方案，及在2006年制定的BIM技术发展规划。2007年美国建筑科学研究院开始着手BIM技术专项研究；2008年美国已形成比较成熟的BIM应用标准，发起与其相关的科学杂志《JBIM》；2009年美国开始要求新建大型公共建筑时使用BIM。2009年日本也开始逐步推行BIM技术，并将其应用到特殊工程中；欧洲和韩国等也均在大力发展本国BIM技术及BIM技术标准化。中国建筑业BIM技术起步较晚，BIM软件的研发和标准化尚属于起步阶段[3,4]。

2.2 BIM技术的主要学术思想

BIM是开放的、发展的技术，主要学术思想在当前的认识范畴内大致如下[5,6,13]：

(1) BIM是建筑设施具有物理和功能特征的数字化表达模型系统，是共享信息资源集成。

(2) BIM对全寿命周期提供仿真模拟和建设、运维指导。

(3) BIM提供可分享的建筑设施信息资源。

(4) 在规划、设计、施工、运维等不同的阶段，相关方通过BIM平台协同工作，在共享的信息资源中完成各自的信息的输入、读取和修改。

(5) BIM为建筑设施信息传递完整性和准确性提高保障[3,7,8]。

建立在信息技术基础上的BIM技术经过几十年的发展，已经极大地丰富了理论创建之初的内涵，并且作为开放式系统，随着科技的进步还将赋予其新的内涵，其学术灵魂也将得到进一步提炼和升华。BIM理论建立之初，无非是将计算机(Computer)技术与建筑工程(Building)结合，利用计算机技术描述和分析建筑工程问题，此时的计算机技术仅仅体现了工具意义；本世纪初至今，BIM技术引入建筑工程领域之时，其学术灵魂虽然还是在建筑工程的工具化描述和分析，但其内涵已经扩大至全寿命周期的规划、设计和管理，重点是体现了管理功能的强大；不难预测，在当今信息化、大数据、云计算、智能化背景下，BIM技术的发展将迅速拓展至建设模拟、建设控制和(远程)协同工作，那么BIM平台建设将显得尤为重要，可能未来较长一段时间内将展开BIM远程协同工作平台研发及统一工作。但是，随之而来的智能化将彻底打烂BIM的工具性作用，基于大数据、云计算的智能化背景的BIM技术重点又将转向去平台化，并势必促进建设行业里生产关系的彻底改变，BIM技术将是辅助实体建设的工具，极大地解放和发展生产力。

2.3 BIM的技术研究与生产应用概述[8-11]

2.3.1 技术研究

主要集中在3个方面：①基础理论研究，包括学术思想、技术标准、实施平台等；②BIM软件解决方案理论研究即BIM软件开发；③BIM应用研究，主要是侧重于实际工程的实施，并反馈和解决应用中遇到的问题。而这些技术研究中显得尤为重要的是基础理论研究中关于学术思想研究方面。

(1) 国外随着BIM应用的深入，实践中不断涌现出新的问题，使得学者们更加深入地分析BIM在实践中的作用及BIM应用对项目组织的影响。例如，华盛顿大学西雅图分校Carrie S.Dossick和Gina Neff发现，通常BIM在技术上可实现更紧密地协作，但却无法解决组织鸿沟，而BIM的成功在于组织凝聚力的提升及组织结构的优化；Linderoth 和Henrik C.J结合案例研究了BIM在将建设参与者链接形成网络的过程中作用的利弊，及由于项目全寿命期阶段主体的分散性，BIM的应用挑战是如何维持和不断重构这种网络系统。

(2) 实践中的新问题为学者们进行BIM理论框架改进和完善提供了方向。澳大利亚建设创新合作研究中心(CRC-CI)联合韩国庆熙大学、澳大利亚迪肯大学、澳大利亚纽卡斯尔大学与悉尼大学的Singh和Gu等人，结合面向对象的CAD技术提出了一个多方协作的BIM理论框架，从参与主体的多样性角度强调通过满足多方协作的技术要求去实现BIM 技术自身的管理优化和跨学科应用；韩国汉阳大学和美国佐治亚工学院Sanguinetti和Abdelmohsen等人围绕美国联邦法院项目开展系列研究，对BIM 原始模型改进，结合实践经验针对设计反馈提出了一种新的BIM系统化架构来改进在设计阶段的反馈和分析，要点是基于事后自动调整来实现具体问题具体分析，同时将同一BIM 模型一元分析功能扩展为同时包括范围、周期、能耗、成本等指标的多元分析，大大提高BIM 的适用性和灵活性，一定程度上可以解决组织鸿沟问题。

(3) BIM 应用优化路径研究。目前常用优化路径更多集中在设计反馈和信息交换等问题方面，常通过新的信息技术引入来实现。韩国明知大学Jung和Joo将美日韩3个典型计算机集成建设(CIC)项目分别与几何推理集成(GRI)设计(1995)、可视化(耶鲁大学、哥伦比亚大学，2009)等主流BIM优化设计在应用方面进行对比，提出与CIC 技术集成综合性BIM 框架实现，描述了对BIM技术应用产生影响的变量，对可优化内容进行识别；此外，BIM 与计算机游戏集成的建筑仿真，改进了建筑设计的实时反馈与可视化，云计算技术可以用来优化BIM的信息交换。

(4) BIM效能测度研究。关于BIM的实施效果有很多讨论，既有经济效益定量指标研究也有管理效益方面的定性分析。亚利桑那州立大学Kristen Barlish和Kenneth Sullivan建立了一个基于投入/产出指标的测度模型，选取同样背景下使用/未使用BIM项目为研究对象，分析投入/产出差异。Bryde和David Broquetas等搜集研究了来自英、美、德、西班牙、加拿大及中东等国家和地区35个使用BIM的施工项目数据，发现BIM正面的效果主要集中在成本节约、全生命周期内的控制以及显著的时间节约效应，负面效果主要集中在作为新的工具，软件的应用带来的学习、培训和熟练工作模式改变等菜单成本。

(5) 新技术集成应用方面。英国雷丁大学通过本校健康和保健基础设施研究，及创新中心建设项目的实验，发现BIM应用中其他技术的引入是由建设项目员工来驱动的。例如施工现场的承包商为工人提供个人平板电脑实时上传和下载设计信息并拍摄现场施工质量和进度数据上传到系统，从而实现网络BIM，大大提高BIM应用的交互性和灵活性；土耳其Beykent大学的Isikdag Umit提出3种基于BIM面向服务的建筑设计模式，即BIMAJAX、BIM-SOAP 界面和RESTFUL BIM，分别为AJAX、SOAP 界面和REST 3种技术与BIM 的集成；澳大利亚迪肯大学与纽卡斯尔大学2010年在建设创新合作研究中心的支持下，对来自澳洲的多个案例开展了研究，认为动态BIM 协同决策模型可以解决实际操作中出现的BIM应用分化。此外，BIM还可以与更多新兴领域的技术相结合实现创新，等等。

(6) 关于BIM基础理论研究中的技术标准，可以划分为BIM的指导实施标准如NBIMS、CBIMS、IDM、IFD，和数据交换标准，如IFC、gbXML、CIS/2、PCSC、COBie。很多国家已经颁布了自己的国家标准，我国香港2009年颁布了地区标准，大陆2009年和2012年启动了两项BIM相关标准的研究，2014年底，中国铁路BIM联盟发布了EBS和IFD标准[12]。

2.3.2 生产应用

经过多年的发展，BIM的理念和实际应用已经不仅限于建筑行业。

(1) BIM在建筑关联领域的实践

BIM储存了建筑的所有信息并一定程度上能够兼容其他程序和技术，可将其用于工料估算、4D调度和建筑仿真，数据自动提取功能还可以生成施工进度表等等，大大提高生产效率；楼宇维修同样可以在BIM环境下展开，交付之后的楼宇维修牵扯各类知识和信息整合，将CBR(案例推理)在知识获取方面的应用与BIM在信息获取的应用集成，就可以实现与交付之前的各项工作在同一个系统和平台上完成的效果；2012年，美国佐治亚工学院与韩国汉阳大学提出将BIM应用于进度的自动安全检测，通过应用BIM的自动安全规则检查去安全隐患。

(2) BIM在非建筑相关领域的实践

斯坦福大学、荷兰特文特大学将BIM用于“建造与施工管理”和“集成项目管理”课程教学，让学生在课堂上学习项目管理的实际操作，改进教学效果的同时也有助于BIM自身的优化。2011年德国达姆施塔特工业大学开始开展 “人类救援严肃游戏(Serious Human Rescue Game)”，将BIM与严肃游戏中的工程模拟(火、烟)功能组合，制订出火灾疏散撤退效果新方案；基于能源修复目的BIM还可以用于自动热成像与RGB 颜色模型纹理研究；由于建筑设计代码检测易于自动化，可将BIM 的IFC为文本转换的格式来实现建筑供水系统自动代码检测程序开发，目前这种自动代码检测程序已经在美国、澳大利亚、新加坡及葡萄牙等多个国家和地区展开应用；2012年，佐治亚工学院开发了支持国家BIM标准(NBIMS)的混凝土供应链模型，模型对供应链管理各阶段的信息流进行定义并能识别其需求内容，通过了包括Autodesk、Scia、Allplan、Bentley、Tekla等主要BIM软件厂商和大量BIM项目测试。等等。

3 隧道与地下工程中BIM技术的应用现状[12-53]

国外的BIM技术发展主要集中在建筑行业，在其他土木建筑行业的发展则比较缓慢，相关行业标准和软件也不成熟。国外的铁路、公路行业对于BIM技术的使用，跟建筑行业相比还属于探索阶段。我国的土木建筑行业是从2002年后开始接触BIM的理念和技术，现阶段我国的BIM发展和运用主要是以国内的一些大的设计单位为主，远没有发挥出BIM在建筑全生命周期的应用价值。关于隧道与地下工程主要在铁路、公路和市政公用工程中，目前能够查到的公开资料中多集中在铁路和市政建设。当前整个国内的BIM发展缺乏完善的技术指导规范和数据标准，而且BIM系列软件的技术发展缓慢，从业人员中掌握BIM技术的人数严重不足[13,14]。

3.1 概念设计与规划方面的BIM应用

国内目前尚未查询到利用BIM技术真正进行概念设计和规划方面的示范工程，或者应用案例或经验，2013年上海市规划国土资源局印发了《上海市建设工程三维审批规划管理试行意见》，明确了BIM在规划方面的应用地位[9]。在国外，美国的Building SMART Alliance of National Institute of Building Sciences总结了BIM的项目应用，其中包括规划[9]。

3.2 技术设计阶段的BIM应用及典型案例

设计阶段当前是我国隧道BIM应用的主战场，多采用建设单位为主导，设计单位与施工单位共同参与方式：建设单位总体规划，设计单位建模、设计、展示和分析，施工单位应用BIM模型拟定施工方案┉┉。BIM技术的优势体现尚不明显，即或是设计阶段的应用也多在展示功能，设计应用多采用翻模，距离完全的BIM设计模式还有不小的距离，此外，BIM中信息更多是建筑结构本身的信息，对于建设环境的考虑多为空白，或者说尚在探索之中。所以说，无论是BIM技术本身，还是隧道与地下工程BIM应用，都期待大家去耕耘。

3.2.1 BIM在国内隧道的首批试点应用

西成铁路清凉山隧道是国内首批铁路工程BIM 研究和应用试点项目，BIM 应用从施工图阶段开始，主要尝试：采用Autodesk平台，建立相应族库组装形成桥隧BIM模型；研究了利用模型出图、计算详细工程数量、施工顺序模拟、4D施工工法模拟、NWC格式交付标准等，以及与航测、地质、通信、信号、接触网等专业的模型融合，桥隧专业基于工作集的协同设计；导入真实地形数据信息后模拟实际场景进行整体漫游展示；编写《铁路工程BIM模型交付标准》(初稿)；施工单位在设计模型基础上添加施工信息形成了建造阶段管理平台。成功之处在于将BIM技术引入隧道工程设计，并与施工阶段进行了有益的衔接尝试，形成了部分可行的技术标准。

3.2.2 BIM在复杂山岭隧道的全设计周期应用

典型工程如新鼓山隧道，是国内从工程可行性研究至施工图全设计周期均试点应用BIM技术的复杂山岭隧道，有很强的研究和示范意义，但应用范围仅包括洞门、明洞、下穿公路段、工作井段等隧道复杂段：(1)利用地质三维模型确定隧道洞口和隧道走向。(2)利用三维开挖工具建立洞口的复杂开挖模型，利用模型生成土石方数量表。(3)利用BIM的4D技术实现复杂段施工模拟。成功之处在于利用BIM技术对地质环境条件复杂段进行了辅助设计，为应用BIM进行设计提供了有益探索，并且，对复杂段落进行了施工动态模拟VRP(Virtual Reality Platform)探索。

3.2.3 BIM在地质条件复杂的隧道工程中的应用

复杂地质条件，整个设计阶段完全应用了BIM技术，国内隧道工程设计阶段应用BIM的可行性和缺陷检核，宝兰客专石鼓山隧道都是较好的案例：

(1) 建立BIM地质模型。建模平台采用CATIA，轻量化展示采用3DVIAComposer，主要的BIM设计依赖Autodesk完成。

(2) 建立部件库。根据各种断面类型建立可用于隧道建模的各类部件，实现施工图三维建模。

(3) 对国内外常用的BIM软件平台、企业解决方案、应用接口技术开展调研，实现基于BIM技术的施工图交付。

3.2.4 BIM在国内城市地下工程中的应用

典型工程如厦门地铁，应用的主要体现：

(1)场地仿真3D建模。

(2)管线迁改模拟。

(3)交通疏解模拟。

(4)协同设计，利用BIM技术应用管理平台，使不同地点、不同专业的设计人员通过网络基于同一BIM模型进行三维协同设计，提高不同设计专业间信息传递效率和传递质量，避免信息失真。

(5)管线综合硬(软)碰撞检查。

(6)空间利用及开洞检查。

(7)基于BIM模型的图纸生成，如效果图、平立剖、3D视图、大样图等，设计变更后实现图纸自动更新。

(8)施工模拟，按施工计划进行4D动画演示。

(9)大型设备安装及检修运输路径检查。

最大成功之处在于尝试了协同设计，实现了BIM的平台功能(尽管仅仅作为管理平台，距离设计协作平台尚有不小距离)；此外，对于城市地下工程最为重要的施工碰撞(对外)检测和安装、检修路径检查，进行了4D的VR模拟。

3.2.5 BIM技术用于隧道与地下工程结构设计或分析

BIM技术在设计阶段主要用作图形绘制，体现的也仅仅作为工具的作用，如果BIM技术能够很好地实现结构分析，那么势必将引起设计工作的革命，可以理解为这是BIM对于设计工作的主要贡献。理论上讲，BIM技术可以更好地建立结构的几何模型和物理模型，能够更加真实地模拟工程结构的边界条件，因此也可以实现智能化的结构分析和设计。

案例1：上海嘉定区陈翔路地道工程。BIM物理模型通过Revit软件的族命令建立，结构分析模型采用Revit Structure建立(也可创建物理模型)，结构分析通过和Robot 结构分析软件结合完成。为验证结构分析的准确性，同时采用了ANSYS有限元软件进行结构建模计算。

案例2：深圳地铁9号线。通过数值分析研究曲线位置的力学特性及周围土体的响应，在最不利部位的叠线弯曲半径处建立BIM模型，在此基础上划分有限元单元采用专业软件结构分析。

由案例应用可以看出，应用BIM技术进行结构分析或设计主要是应用BIM技术进行物理建模，然后导入ANSYS等有限元等分析软件计算，算不上应用BIM技术的结构分析，但实现了BIM物理模型与结构分析软件的接口，换言之，如BIM软件具备了结构分析模块将可实现结构设计功能，未来的前景非常广阔。

3.3 施工建设阶段的BIM应用与进展

施工是所有美好理念落地的保障，无论规划、设计做得多么漂亮，施工才是落实的关键性环节，并且施工中BIM应用也才能真正实现BIM技术的经济效益最大化，可以这么理解，BIM在施工建设阶段的落地才能真正算得上BIM技术的应用，不过遗憾的是，目前难度还很大，施工阶段得以应用的案例也非常少，根源可能还是在于社会生产和社会分工，现阶段还停留在施工模拟阶段。BIM技术在施工建设的应用比较典型的思路大致有以下几个方面：

(1) 优化施工组织方案的编制。传统施工组织设计在二维施工图上想象构思，利用施工经验主观选择施工方案的装备、工艺等，往往存在装备选型不合适、工艺繁琐或可行性差，及相当简单但又不可避免的无可奈何的“错、漏、碰”等问题。BIM技术可通过真实描述施工方案的三维数字模型实现施工方案3D可视化和4D虚拟仿真，实现实时交互的过程模拟，虚拟推演施工过程，动态检查方案可行性以及存在问题，优化施工装备、工艺、工序。

(2) 利用BIM的4D模拟预现工料机等生产资源的配置，实现生产管理宏观指导。例如，可通过Autodesk Navisworks导入NWC模型文件，得到虚拟仿真环境下的模型，建立虚拟仿真环境，再用Timeliner模块添加施工步序时间任务项数据源CSV文件，生成虚拟环境下的时间任务项，并使用规则自动附着于模型，使得施工步序的时间任务项与模型构件一一对应，生成虚拟仿真环境下由时间驱动的4D 动态模型，从而实现施工方案的虚拟推演。

(3) 力图实现隧道现场生产作业适时指导。BIM技术常常结合现场工法、工序等，将BIM设计模型转变为施工模型，按施工组织实际情况，对施工资源(工、料、机)进行合理适时分配，做到生产、安全、质量、进度、成本等的多方管理和控制，最大程度降低或避免无序管理造成失控。同时，BIM 模型有很好的三维渲染功能，利用VR技术给人以真实感和视觉冲击，使管理、技术及作业各层级人员能更好地理解工程重点、难点、关键点、风险点，不断优化施工工法，减少乃至零返工，降低重复工序、无效工序的施工和管理成本。

(4) 做到监测和预警，生产风险识别和风险管理，实现安全生产保障。以BIM模型为基础，可实现的进度动态三维在线、二维视角下的推进信息展示，可实现设备状态实时监测、质量的监控及周边环境变化的监控，及实时动态推进数据监控与施工质量动态智能预警，并实现对设备状态的变化自动预警(距离实际要求还有一定差距，但这是未来的发展方向)，以及可实现对地下作业人员的动态定位、人员运动轨迹的动态三维显示、人员讯息捕获及人员所在区域的快速预警等。

(5) 通过监控量测和超前预报与BIM技术的结合，力图实现动态化设计施工。监控量测即是要打通BIM 施工管理与现有监控量测平台之间的数据接口，集成现有监控量测平台，不增加现场技术人员工作量的前提下实现在BIM 模型上实时查看测点的数据、变形曲线及状态。超前预报方面，以石鼓山隧道为例，采用TSP系列地震超声波探测技术(物探)判断前方地质情况，虽不能获取直观详细的空间地质信息形成有效的三维地质模型，但可通过超前地质预报的信息化管理和三维BIM模型直观显示前方地质情况与掌子面地质的比较分析加以判断，适时修订，实现动态化设计和施工，很好的体现和发挥BIM技术的三维展示功能和作用。

(6) 信息化协同生产管理，个人理解，这才是BIM的技术核心和发展动力之所在。现阶段基于BIM技术的信息化管理，重点是将项目管理和三维动态模型联系起来，开发相应的信息化管理系统，通过点击三维模型相应构件，导出项目管理信息、工程进度等内容，协助管理者及时准确掌控工程现场，让决策者能在远程指挥指导工程进展，避免了传统的繁琐呈报程序，减少了传递过程中的时效损失和信息误差，并能动态调整方案。

3.4 运维管理方面的BIM技术应用与研究进展

维护通常有事后维护、预防维护和预知维护三种，而后两种属于先决性维护，运营人员需根据已有信息查找病害源或风险隐性异常。改善隧道运维管理，需将运维中发现的常见病害和建筑资产间复杂关系相关联，以此来捕捉各病害之间的空间、逻辑联系。

为了解决隧道在运维中存在的问题，诸多学者进行了相关研究[32,38]。Akcamete等(2013)将建筑设备加入BIM模型中并整合日常巡检信息和维修记录，以BIM 模型为载体进行信息的筛选、查询与解锁；Hassanain等(2001)为资产维护管理提出了面向对象的模式来支持不同领域之间的信息交换；传感技术广泛使用后，胡振中等(2013)将BIM模型和二维码技术结合，用于设备维护维修、设备识别和应急管理；过俊等(2013)开发了建筑空间与设备管理系统，通过BIM 技术将设备和建筑结构结合用于设备快速定位、查询、维护管理；曹华(2013)通过监控手段和信息化管理平台实现隧道电力系统综合管理；常莹等(2015)构建了隧道全生命周期BIM 云平台，为运维管理提供数据技术支持；李俊松等(2014)提出利用BIM 模型集成隧道信息并模拟火灾险情发生时人员的疏散路径和通风组织；T．Park等(2014)利用BIM技术预估运维成本；A．Borrmann 等(2015)利用可视化和web技术将运营中的实时信息通过邮件发送给管理、辅助人员；龚佳琪等(2015)提出了依托BIM 可视化辅助下的病害决策分析思路，与日常监测数据相结合，虽没有能够解决病害源分析和查找这个根本问题，但指出了大数据、云计算与BIM技术结合进行分析的新方向。

近几年，物联网技术得到快速发展，并被尝试结合BIM技术应用到隧道与地下工程等建筑领域[37]。建成隧道质量监控方面，豆海涛等(2011)提出了红外热像技术应用，及渗漏水检测和裂缝自动检测方案；尚金光(2012)提出了基于物联网的隧道变形监控系统，通过开发多终端GPRS数据收发程序，将三维监测信息及自动检测方法模型与基于OpenGL三维可视化模型集成，实现采集、通讯、预警和评估一体的物联网控制体系。作业人员安全方面，叶英等(2009)设计了TMIGS系统，在隧道内架设基站让施工人员佩戴定位卡，进而能实时确定人员的具体位置；林陵娜等(2010)提出以RFID技术改良移动感应器系统，在危险源安装混合传感器等设备并配合施工人员身上的感应标签，实现人机定位、危险源预警、重大设备控制等功能，并提出以RFID技术结合GPS技术、GPRS技术构建实时的监控系统。施工管理方面，李宏伟(2016)强调了基于BIM技术的云平台建管养模式，试图将信息化与物联网结合进一步向前推进。此外，张伟忠(2016)[31]在地铁既有结构物保护中应用了BIM技术，可视其在施工或维护方面的应用延伸。

4 隧道与地下工程中BIM技术存在的问题及解决思路[12-53]

4.1 技术层面的问题及解决思路

(1) 标准问题

主要涉及技术层面，同时也涉及管理层面。BIM技术的应用是建立在相互协同的基础之上，需要建模、制图、施工模拟等软件的相互配合，但是由于生产厂家的不同，如若没有统一的平台和数据标准，数据交换将成为困难，BIM技术的优势将难以体现。国际上，各发达国家均已制定适应本国的行业标准体系，但由于中国引进BIM技术的时间较短，对于BIM标准的研究仅进行了一些基础类的工作。同时，因为我国的建筑行业体制不统一，条块化严重，工程技术标准不统一，以及建筑行业内对于BIM法律体系的遗漏以及各方面技术人员的稀缺等等，都是导致BIM在我国隧道行业应用时标准问题出现的原因。

(2) 软件平台问题

第一，目前多采用国外的BIM软件，本土化程度较低，未考虑本国的地形条件、使用习惯、规范要求等，与其他软件相配合时无疑需要二次开发，国内也进行了一些二次开发相关的工作，但都未能推广。以中国建筑行业使用最为广泛的REVIT为例，单位制、界面表达、图纸规范、建筑规范等都和国内不同，和国内实际甚至相差甚多，但是由于其功能齐全，因此在国内一直较受欢迎。第二，建筑类BIM技术应用的地质条件较为简单，现有的BIM软件便可以满足要求。但是对于隧道，特别是山岭隧道而言，地质复杂，隧道跨度大，现有的地质软件难以建立相应的模型，并且现有的地质软件和BIM设计软件多存在不兼容问题，因此BIM在中国隧道领域的应用只能借助建筑BIM设计软件或者制造业软件，这必然导致软件的应用平台不一致，比如ATUODESK、达索和BENTLY等等，平台的不同必然导致模型数据交流的困难。

(3) 解决思路

与BIM前景的定量评判问题研究相结合，推进理论研究，实现真正的BIM设计和施工及管理。BIM标准框架体系包括信息技术本身的标准，也包括针对企业信息技术应用的标准，企业级标准是BIM标准体系的重要基础。现阶段，在铁路领域，中国铁路工程总公司已经着手研究BIM技术标准并取得了突破性的进展，目前已经完成铁路工程EBS分解和分类编码标准。

就BIM模型而言，隧道建模平台、地质建模平台和GIS平台都还很不成熟，可以通过打通BIM软件和相关优秀的地质建模软件接口，以及其他分析应用的软件接口，分工协作、共创共享，并与我国隧道规范、BIM设计标准相结合，隧道工程的BIM设计应用才好最终落到实地，管理应用也才有载体和平台，可为BIM的快速发展奠定基础。

4.2 管理层面的问题及解决思路

我国项目管理主导模式是计划方式下的DBB(desigh-bid-building)，限制了各方交流，阻碍了信息流动，遏制了BIM在隧道工程领域的发展。当前BIM在中国隧道领域的应用基本依赖于特殊项目，对于一般的隧道工程，BIM只存在于设计阶段，这与BIM所实现的全生命周期性相差甚远。研究表明，施工方对BIM的应用更有利于发挥BIM技术的优势，BIM技术经济价值的体现也更加明显。因此，改变现有的项目管理模式更有利于BIM在隧道工程领域的发展。

IPD集成产品开发(Integrated Product Development)是一套产品开发的理念模式，现在已发展成为一种新兴的项目管理模式，与传统的DBB管理模式相比，IPD偏重于考虑全项目过程中的利益，侧重于项目团体的协作能力，可以说IPD管理模式与BIM优势的发挥异曲同工。

4.3 发展层面的问题及解决思路

(1) BIM与GIS结合问题

隧道工程多修建在山岭中，地形地质条件复杂，地质模型难以建立，因此BIM在隧道工程领域的应用相对困难。而GIS(Geographic Information System)是以地理空间信息数据为对象的空间属性资讯系统，如若能将BIM技术和GIS技术融合使用，在现有GIS地理数据的基础之上进行BIM软件模型的分析，将使得建模和分析的过程大为简化。因此，BIM与GIS的有效结合将是BIM技术在中国隧道领域普及面临的另一重要课题。

(2) BIM与智能设备结合的问题

目前BIM技术应用的瓶颈在于不能将BIM技术与生产工具相结合，实现真正的BIM条件下的施工，因此智能设备的研究以及与BIM技术结合将是落地的重要方向，是BIM技术在隧道应用上从概念应用到实质应用的跨越性一步。

(3) BIM前景的定量评判问题

可以说，目前整个国际上均缺乏统一成熟的BIM 应用效能测度方法，由于BIM 应用的实际效果难以测度和量化，很多专家尝试从不同角度提出新的BIM 应用效能测度方法，目前尚未形成一种成熟统一的、被大家普遍接受的方法来切实论证BIM真正的效果，还处于不断探索的过程中。

5 隧道与地下工程的BIM技术发展趋势

5.1 技术生产方面的发展及影响

BIM技术首先是作为工具和平台，其自身的发展，正如现在的电子硬件设备发展史一样，市场化竞争将逐步优选出更加实用的企业级标准作为行业标准，并在应用过程中不断完善和更新，吹尽狂沙始得金，没有最好，只有更好。

对于交通组织和交通工程的设计理论来说，BIM技术的引入可能促使其进步，对原有的理论或方法进行扬弃性改造，但其基本规则仍会得以延续。

对于地质或者岩土工程，作为工程建设的控制性条件，只有工程去适应条件，没有大规模削足适履以适应工程建设的做法，这不经济，也不耐久。但是，地质工程也不可能是化外之地，主流技术将围绕三维数字化、网络协同工作平台、管理信息系统、标准化体系的建立展开。同时，岩土工程信息化是一个系统工程，信息技术的支持仅仅是其中的一方面，行业的发展战略、管理机制的创新、项目管理水平的提升等，都将影响甚至决定了它的方向。

5.2 对生产关系的改造及影响

BIM设计将以协同工作为主，彻底改变现阶段二维绘图制作中广大技术人员重复劳动、体力活动与脑力活动并重的生产方式，BIM自身作为工具、作为平台、作为生产力将从事具体图纸绘制操作中的人解放出来，更多地投入到方案研究和设计中，且不可避免地将裁汰部分冗员。另外一种可能就是专业IT公司+工程技术服务公司的设计模式，这将更加凸出个人专业技术能力、专业技术资质的设计地位，推动社会结构层面的协同设计组织形式的发展，促进设计单位转型。

施工建设中BIM的全面应用也将大大促进工具研发进程，实现物联网和智能设备的开发和应用，促进生产效能的更大幅提升，生产成本的更大幅降低，尽可能实现零报废工程、零重复工程、零返工工程，也可能促使设备供应商从销售行业跨界提供生产服务，现有的施工总承包模式向管理保障服务转型。并且，后期的运维服务也可以从设备供应商和服务供应商处购买。

对于科研而言，将可能向三个方向发展，一是基于BIM技术的物联设备研发和应用，二是基于BIM技术及其协同平台的研发和应用，三则是基础理论的研究。当然，作为设备和平台，究竟还是隧道建设的工具，那么基础理论的研究将回归本质。并且，随着未来人类交通需求的不断增长、宇宙探知的不断深入、城市建设的大幅推进，地下空间的开发利用将是更加重要的课题，地下空间建设的岩土体稳定性及长期效应、地下空间的环境岩土工程、地下工程的灾害及减灾防灾理论和技术等基础理论研究将摆在更加重要的位置。

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