BIM技术在我国隧道工程中的应用研究进展

2020-03-25傅志超李明田周小鹏

江苏建材 2020年1期

傅志超，李明田，周小鹏

（山东交通学院交通土建工程学院，山东济南250357）

0 引言

BIM之父查克·伊斯曼教授于1975年在乔治理工大学提出建筑描述系统，并在该模式初次实现设计参数化、由模型自动生成二维图纸、数据分析可视化、计划施工组织与材料等功能[1]。1987年在一篇荷兰语的论文中第一次有了建筑信息模型的概念[2]，Autodesk公司在2002年将BIM概念商业化，BIM技术革命便在全球范围席卷开来。2011年5月，住房城乡建设部印发《2011-2015建筑业信息化发展纲要》，开始了BIM在中国应用。

1 BIM技术在我国隧道工程中的应用研究

隧道的隐蔽性及其狭长的特点，决定了研究隧道必须研究地质，必须将隧道的地质模型与结构主体模型相结合[3]，这种设计理念对隧道工程的建设有了巨大的推动。在BIM快速发展的新时代，BIM在勘察中的应用将会越来越广泛，勘察专业进入三维时代已是大势所趋[4]。

1.1 隧道勘察设计阶段

2014年任晓春提出利用BIM与GIS融合的技术路线，为选线设计提供数据支持和决策分析，然后进行工点设计[5]；2015年戴林发宝等结合三维工程地质，模拟洞口边仰坡开挖确定隧道进口位置并采取合理隧道洞门形式，利用三维模型开挖直接计算土方量，再利用BIM4D技术进行动态施工模拟、漫游项目[6]。郑楠基于本特利平台建立了地形地质模型和隧道主体模型，然后优化结构设计，优化场地布置和合理施工机械选型，结合通风软件完成风井和洞口定位；地形地质模型与隧道模型耦合切取剖面，根据掌子面地质变化调整施工方案；在设计上自动生成工程量统计，使用钢筋插件自动配筋；完善结构模型进行碰撞检测；集成工程数据，优化细部结构构件，方便查询及管理各类信息和资料。伍尚前基于欧特克采用BIM模型及周边GIS数据分析隧道围岩地质特征并进行围岩分级判别，再建立隧道结构模型，根据隧道模型在地质模型中的位置进行受力分析；连接模型得出重点处理的结构要点及综合设计[7]。陈诗艾利用CIVIL3D构建三维地质模型，引入隧道模型后剖切获得隧道纵断剖面图，由隧道周围地层状况优化设计[8]。当前正处于BIM技术研究的初期，模型设计基本以翻模为主，2018年徐博提出BIM正向设计流程，在地形地质模型上进行线路设计和工点设计，包括隧道标准断面库、隧道洞身设计、隧道洞口设计、隧道结构设计、工程量统计[9]。

1.2 隧道施工管理阶段

2013年刘小方在越江隧道应用AUTODESK与NAVISWORKS进行道路翻交与管线排布，排除了施工风险，提高了协调效率[10]。裴作君在某隧道施工中应用BIM技术做临建工程及工程量统计，将监控量测、超前地质预报和检验资料载入模型，将复杂施工方法工艺制成动画实现可视化交底[11]。李延在宝兰客专石鼓山隧道建立基于BIM的地质模型和结构模型，进行标准创建、管理体系、交底模式、工程量统计、工法模拟、地质模型等施工组织管理研究，将施工资料与管理人员信息等导入BIM协同管理平台[12]。赵璐等在铁路隧道施工方面进行了4D虚拟施工及进度动态管理、质量监控和安全风险评估预警管理、施工资料信息集成管理及可视化交底应用，并采用三级架构平台，为设计施工一体化和施工现场精细管理提供技术平台[13]。裴非飞以精细化管理为目的，明确系统框架体系及应用组织体系进行全生命周期管理平台建设。张渤龙等利用模型进行施工管理，在质量管理中抓住材料质量管理与施工过程质量管理两个方面，施工进度管理涉及可视化的工程进度安排、项目施工全过程模拟及施工工艺模拟，此外还有施工成本管理和施工安全管理[14]。张稳涛根据工程量进行精细化实体结构碰撞检查避免返工，通过建立地质构造和超前地质预报对比分析隧道围岩情况，适时调整施工方案，建立超、欠挖模型分析统计[15]。王秀林等采用基本模型+参考模型的方式组合拼装，将BIM模型与施工资料和信息集成应用，根据工作分解结构模拟和优化进度计划，实现了进度展示、分析和调整，模拟施工工艺，开发隧道质量安全标准样板区，搭建了项目的网络协同平台，通过网页端和移动端及时解决现场出现的各类状况[16]。2017年刘洪瑞根据TSP实际预报结果，将破碎带信息添加到隧道的三维地质模型中[17]。钱七虎介绍我国复杂不良地质隧道超前地质预报的方法和隧道岩爆监测预警方法、安全风险监控最新进展，指出建设隧道应基于大数据向智慧隧道发展[18]。刘思佳等基于Revit模型，以陶家夼隧道为例，结合全站仪、3D激光扫描技术、地质雷达等设备将隧道施工的监控量测数据、围岩状况信息、围岩支护信息、衬砌空洞信息以标签形式导入BIM模型中，实现病害信息在施工期间的动态采集及病害区域的三维可视化[19]。

1.3 隧道运营监测阶段

龚佳琦等将隧道监测及维护数据与数据库相结合，并用时空数据挖掘技术和高维时空关联分析方法，分析各组件以及病害之间的关系，评估病害的危险等级、成因，制定决策方案，通过漫游功能代替人工巡检与BIM模型和用户界面联动设置进行可视化展示[20]。李明博等得到病害的坐标后，通过病害展布图CAD文档提取病害的位置信息，用弧长公式和坐标转换公式换算得到三维坐标，提高了隧道养护效率。运用BIM技术结合3D激光扫描技术和线形相机扫描技术等新检测技术，可以快速高效进行隧道病害检测[21]。黄廷等人构建了基于BIM技术的公路隧道运营维护管理平台，通过可视化管理减少运维管理应急反应时间，提高运维阶段的信息化管理水平[22]。胡珉提出利用BIM模型与可视化的空间信息融合、监测信息与控制信息融合，实现基于BIM的隧道空气质量控制与照明控制。同年胡珉等围绕全生命周期信息，从信息规范、采集、组织和分析展开设计系统，优化系统构架，结合网联网技术、移动互联技术，将模型数据整体有序呈现出来，为隧道的信息查询、多因素分析、快速有效的评估和决策提供新的手段[23]。

2 BIM在隧道工程中应用的主要任务

隧道模型的用途决定了隧道模型的细节和精度，应根据工程项目现有条件建立符合用途的地质及结构模型。隧道数据库平台中，所涉及的数据资料主要包括隧道结构本身、地质围岩、环境资源、隧道管理人员、指导性施工方案（图1）。

图1 隧道数据库平台

隧道信息数据库包括隧道结构数据库与地质模型数据库，主要存储属性信息、结构构件等，可以直观高效展现隧道模型信息；隧道3D模型数据库是利用三维建模平台完成的模型，主要含有图片、文本、表格等信息；GIS地理信息数据库是整个项目相关的各类地理信息数据，主要包括地形地质、土地利用规划等环境信息；隧道时序数据库是基于时间的数据集合在时间坐标系中，可展示隧道趋势规律，实现预测预警，发挥指导施工的作用。不断完善工程造价数据库，例如工程种类、投资规划、结构分布等工程造价指标，将以往的工程应用进行分析和选用，再进行相应的调整和计算，然后调用隧道的各项相关信息，可更精确地计算出预算。

2.1 BIM在隧道工程决策设计阶段的任务

BIM与GIS结合进行线路规划，结合气象水文、地形地貌，为选线设计提供数据支持与决策适应性分析、工程场地适应性评价、风险预测，分析隧道进出口稳定性，确定洞门选址及洞门形式；准确掌握隧道的地形地质情况有利于优化隧道设计、指导施工及运营维护的查询和分析评估，从而做出合理规划、优化选线布局，避免穿越严重不良地质区域；创建地形地质模型与隧道结构模型，进行洞口设计、衬砌结构设计、主要建筑材料种类及技术要求、特殊地质的设计等可视化BIM模型设计，在隧道设计阶段建立结构独有构件，Revit二次开发集成化，设计智能化，提高建模精度和效率；很多岩石力学问题是空间问题，将三维的隧道模型结合地质模型导入有限元软件进行结构受力分析，利用三维网络模拟分析围岩块体在三维地质模型中的稳定性优化设计方案，再结合隧道结构模型进行综合优化设计；结合隧道建筑限界、内轮廓在隧道内设置与交通量、环境相适应的通风照明等运营管理监控设施，在规划建设时应考虑使各设施系统具有可扩充性和可升级性；根据衬砌结构受力特性、工程造价与机电协同设计，在土建设计时及时沟通预留机电断面所需洞口。

2.2 BIM在隧道工程施工管理阶段的任务

基于IFC进行BIM数据集成管理和精细化管理。质量方面有材料质量管理和施工过程质量管理，施工阶段在超前地质预报及监控量测、检验资料和管理人员信息载入模型等质量监控和安全风险评估、安全预警管理、结合地质模型对比分析围岩情况适时调整施工方案，复杂施工方法工艺制成动画实现可视化交底等；施工中及时准确整合开挖资料及超前地质预报结果完成地质编录，进行围岩分类和地质评价，为后期运营养护及改扩建提供全面完整的地质资料模型等；进度管理实现工程进度可视化、项目4D虚拟施工全过程模拟、进度预警和辅助偏差分析，进度计划调整，优化施工组织方案的编制实现进度跟踪检查；利用BIM结合RFID进行物料的跟踪，更好地优化资源、工期配置，进行数字信息化项目管理；搭建项目的网络协调平台，支持网页和移动端的协调平台帮助解决现场问题；实现隧道全生命周期协同工作和信息数据交互应用，将数据资料在竣工模型中一并交付。

2.3 BIM在隧道工程运营维护阶段的任务

构建基于BIM技术的隧道运营维护管理平台，在运维阶段可以及时查询地质资料，方便隧道维修；通过漫游功能代替人工巡检，与BIM模型和用户界面联动设置进行可视化展示，方便制定维修计划，实现空间管理及灾害应急模拟；BIM技术结合3D激光扫描技术和线形相机等检测技术进行隧道病害检测；利用BIM模型与可视化的空间信息融合、监测信息与控制间隙融合，实现基于BIM的隧道空气质量控制与照明控制；BIM技术结合大数据、云计算、互联网技术、移动互联技术进行隧道的信息查询、多因素分析、评估和决策。