数字化管控平台在过海隧道项目的应用

王学楷冯慧君

(中铁(上海)投资有限公司，上海 200126)

0 引言

城市轨道交通项目由于规模大、施工跨度长、技术标准高、涉及专业多、建设周期较长、参建人员多等原因，容易产生工程项目管理难度大及效率低等问题。 为了减少地铁施工的安全事故，有必要建立一个更加高效的高科技集成管理系统，全面、系统、现代化地管理地铁项目，即以建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)作为核心的安全管理模式[1－3]。 BIM 在建筑、水电等行业的应用较为成熟，而在轨道交通行业的应用尚处起步阶段[4－5]。 在轨道交通工程中，通过三维地理信息系统(Geographic Information System，GIS)再现和管理区域内三维场景，实现地铁全线路的项目统筹、综合规划和决策辅助[6]。 由于GIS 系统基于的是空间地理数据库，具有管理和显示海量地理信息的先天优势，但对建构筑物细节的显示却存在不足，而BIM技术则具有管理和显示建构筑物细节信息的特点，充分利用和集成GIS 和BIM 的各自优势，使轨道交通建设管理更加数字化、可视化和精细化[7－11]。

基于GIS 和BIM 数字化管理平台，国内已经研究开发了一些工程项目管理的信息化平台和系统:范登科等[12]利用国际互操作性联盟(International Alliance of Interoperability，IAI)组织制定的BIM 框架核心工业基础类标准(Industrial Foundation Classes，IFC)、开放地理空间协会(Open Geospatial Consortium，OGC)组织制定的GIS 框架核心三维模型数据存储标准架构(City Geography Markup Language，CGML) 和应用领域扩展(Application Domain Extension，ADE)机制，实现以数据格式转换为核心的BIM 模型跨GIS 平台集成方法，并在哈尔滨北站、杭州南站新建站等铁路工程BIM 设计项目中开展了应用；吕慧玲等[13]分析了IFC 数据模型与City GML 模型中所有的建筑构件类型及其关联的语义信息，分别建立IFC 数据模型到City GML 各层级的映射模型，提出了一种从BIM 模型到多层次细节GIS 模型的完整转换方法；宋学峰[14]提出以GIS和BIM 的深度集成应用技术为核心，解决不同系统之间的数据信息格式的相互转换问题，实现数据交互与信息共享信息管理模式是保障智慧城市地下管网科学、高效、安全运行的有效模式；张敏杰[15]提出建立基于GIS 和BIM 的动态总体规划管理平台，形成涵盖建筑建设全过程主要决策信息的动态管理系统，为实现在多元投资主体、多主体设计、设计、监督管理及超大型项目群体环境下高品质的建设管理奠定基础。

基于上述研究，文章利用日益成熟的BIM 技术，基于GIS＋BIM 的数据基础，结合青岛地铁8 号线施工中的工程管理数据，利用数据集成、实时监控、模拟分析、虚拟建造等模式，以数字化、信息化和可视化的方式提升项目建设管理水平，达到现场规范化施工、风险管理可控及安全施工的目的，为类似工程的信息化应用提供借鉴。

1 工程概况

青岛市地铁8 号线是青岛市轨道交通建设的重点工程，是山东省新旧动能转换首批重点项目，其关键控制性工程大洋站—青岛北站区间(以下简称过海隧道项目)线路全长约为7.9 km，穿越胶州湾海域宽度约为5.4 km，设有施工斜井1 座、通风竖井3 座、泵站3 处，是目前国内最长的过海地铁隧道，由于地质极其复杂，经反复论证确定采用“盾构法＋矿山法”两端相向施工，东侧过海段2.9 km 处采用泥水盾构法施工；西侧过海段2.5 km 处采用矿山法＋双模式TBM 平导辅助施工，以加快施工进度[16－18]。 海底隧道项目地质条件复杂，安全风险高。 项目管理中需要对施工内容、计划进度、人员设备安排、安全隐患等诸多方面进行大量的沟通联系，可能会造成因为人员配置不完善、信息沟通不及时、设备监控不严格等原因，发生进度、安全与质量问题[19－24]。 通过“GIS＋BIM 项目信息管控平台”的研发，逐步实现“远程管理、规范管理”的目标，提高现场施工进度和规范安全质量管理[25]。

2 施工数字化管控

2.1 数字化管控目标

传统项目信息管理存在的问题有:(1) 项目管理体系以PDCA 循环为基础，未将各管理对象的数据相互利用作为关注点，往往导致数据之间互用性差；(2) 缺少以三维为主的数据展示方式，无法满足不同专业不同层次管理者的应用需求；(3) 管控实施的数据基础薄弱，常由于数据错漏导致决策失误。因此，以BIM、GIS 技术为主的数字化管控应实现以下目标:

(1) 实现项目信息管理 通过智慧工地建设与信息化技术应用等手段，收集、处理、存储、传递、应用、移交项目实施过程中涉及的各种情报、资料，为决策提供科学依据；将施工过程的重要管理资料、竣工验收资料、重要设备数据与各阶段BIM 模型相关联，通过统一的数据分类、编码体系、存储标准实现施工项目过程数字资产移交；同时维护项目安全、质量、进度关键信息，保证信息的真实、及时和有效。

(2) 提升管理沟通效率 利用三维数据集成和展示，形成用于各参与单位沟通交流的可视化工具，有效提升沟通效率和决策质量；建立全生命周期BIM 并集成整个建设阶段进度质量、工程变更、安全责任、作业人员、质检报告以及施工过程等资料，提高管理效率，降低管理难度。

(3) 减少变更优化成本 通过地质模型、周边环境、工程BIM 的集成，提前发现潜在的设计缺陷、施工风险、管控难点，减少施工变更；实现不同变更方案的成本变化估算，提高变更决策效率，节约建设投资和施工成本，有效控制投资风险。

(4) 实现目标动态控制 施工项目实施过程是涉及目标分解、确定计划、执行跟踪、实际检查、偏差分析与目标调整的工作循环。 用项目信息管理中收集的项目管控信息数据(包括现场采集数据)，进行施工质量、进度、安全、成本的监控，及时发现并解决相关问题，保证工程项目目标实现。 结合现场数据进行施工模拟，提前预知工程情况，可有效发现存在问题，改进设计质量，优化施工组织方案。

(5) 避免信息重复录入 通过开放接口、数据抓取等方式，实现与已有信息系统之间的数据传递，减少施工现场日常数据多次填报、重复录入的情况；开发相应的数据采集与录入工具，优化数据录入模式，简化录入操作，增强录入数据的可用性。

2.2 施工信息要素

施工与管理人员的施工活动需要大量的施工信息支持，这些信息在被加工处理后形成特定形式的数据，成为建筑施工管控要素的呈现载体，项目管控要素包括项目的组织结构、业务职能、资金流、物资流以及外在环境，相互关联形成整体，为决策者控制项目实施过程提供依据。 根据建筑施工项目主要生产要素和实际管理需求，借鉴质量管理五要素体系，可将项目管控要素信息划分为测量信息、环境信息、人员信息、物料信息、机具信息、技术信息与拟建物信息，如图1 所示。

图1 施工信息要素分类

2.3 管控平台研发及关键技术

2.3.1 管控平台研发

基于施工信息要素搭建项目信息管控平台，大致可分为数据集成、平台搭建、管控实施3 个方面。

(1) 数据集成 以GIS 数据与倾斜摄影模拟周边环境，建立地质模型反应地勘情况，根据场地布置图建立施工场地BIM 模型，根据施工图设计并建立BIM 模型，通过上述数据的集成与融合，以及在构件中附加设计资料、技术文档、施工照片等数据，共同形成标准统一的三维施工信息模型；通过录入进度填报记录、抓取施工监测数据、导入项目管理资料、设定超前地质预报与施工危险源等，形成施工基础数据库；再集成海底隧道项目中已接入的视频监控系统、人员定位系统、盾构机监测系统数据，补充实时的施工动态数据，最终建立供各参与方共享的施工信息数据库，以达到数据的交互应用。

(2) 平台开发 在施工信息数据库的基础上，梳理数据相互应用关系，解决各数据间分析与展示的问题，基于成熟的三维显示引擎开发基于GIS ＋BIM 技术的施工信息管控系统平台，从信息快速查看、数据整合分析、多维度信息呈现等方面为项目管控提供平台与工具支撑。

(3) 管控实施 基于GIS＋BIM 项目信息管控平台进行项目管控，即利用信息技术辅助项目数据收集、处理和展示过程，主要目的为减少沟通难度，增加数据获取效率，具体功能如图2 所示。

图2 信息管控平台功能分类图

2.3.2 技术路线

基于“一条管理线、一张监管网、一个数据库”指导原则，构建GIS＋BIM 数字化项目管控平台，以GIS 和BIM 数据为基础，利用底层引擎的三维显示和数据承载能力，以轨道交通工程施工总包管理需求为例，建立数字孪生模型与应用平台。 利用物联网传感器等信息技术实现对施工现场人员、机械、物料运转过程的实时掌控；通过对数据相互关系的整合应用，建立多源异构数据集合进行工程管理过程的模拟与仿真，指导管理决策，减少管理人员现场查看投入时间。 管控平台研发的技术路线如图3所示。

2.4 三维模型轻量化

轨道交通工程项目的BIM 模型对象具有特殊性、复杂性、异面多等特点，满足应用需求的BIM 模型信息数据量大，内存占用比较大，因此需要对三维模型进行轻量化处理，平衡显示效果与加载速度。文章模型轻量化的整体技术路线如图4 所示，分为数据提取、压缩传递、模型渲染几个部分，其中模型几何数据提取主要基于导出插件实现，采用三角面优化对BIM 模型与三维场景轻量化，通过减面处理来降低BIM 模型的数据量，利用三维引擎的瓦片化工具处理GIS 数据；数据传递通过gzip 压缩保障效率，实现优化后的模型及时向服务器数据库传递；渲染采用多细节层次(Levels of Detail，LOD)技术优化GIS 数据，并根据工程项目的工作分解结构，拆分BIM 模型，将原来的BIM 模型按照工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)中的节点进行拆分，减少平台在不需要加载整体BIM 模型时根据选择的WBS 节点加载对应的模型，减少内存与加载时间消耗。

3 管控平台应用实施

项目建立了青岛地铁8 号线大洋站、大青区间、青岛北站车站、区间隧道及场地设施模型，包括附属设施与临时设施，模型达到施工图精度。 同时采集车站与区间周边GIS 数据，建立地质数据模型，区间地理信息采集、处理、地质模型建模采用0.3 m 遥感影像，按5 km×10 km 计，场地周边既有建筑建模按1.7 km 计算。

3.1 BIM 碰撞检查

基于BIM 三维模型开展碰撞检查与设计优化工作，有效减少了设计成果“错、漏、碰、缺”等问题，对青岛地铁8 号线大洋站及青岛北站管道密集区域进行综合排布建模设计，提前发现施工现场存在的碰撞和冲突，减少了设计变更及工程施工成本，提高了设计效率、设计质量以及施工现场的工作效率，大洋站模型碰撞检查如图5 所示。

3.2 场地模拟与优化

施工现场临建设施是为工程建设服务的，布置是否合理将影响到施工的安全和生产效率，临时设施布置仿真模拟，可以帮助施工单位准确估算所需要的资源，评估临建设施的安全性。 青岛地铁8 号线大青区间过海隧道施工临建设施多，依靠传统二维CAD 对现场的大临、道路、龙门吊等进行布置不仅效率低，而且由于场地大小及周边环境影响，造成场地布置不能满足现场实际施工需要。 项目结合BIM 技术对现场的道路、生产设施、管片堆场、龙门吊等现场设施设备进行合理的布置(如图6 所示)，模拟大型设备(如300 t 起重吊车)进场作业，与周边环境进行适应性比对，通过漫游模拟提前反应场地布置问题，从而实现场地布置调整及优化，更贴切于现场的施工生产，提高设备作业效率，提升了过海隧道项目现场的安全管理水平。

3.3 地质风险隐患管理

对于施工中出现的安全质量问题，现场很难做到事前预防、提前预警、及时发现，过海隧道项目需要穿越9 条断裂带，根据地质详勘资料建立三维地质模型，将风险较高的地段进行标识，利用三维模型直观显示沿线隧道穿越风险隐患的具体情况，施工过程可以根据地质条件及时进行工法转换，合理调整支护参数，确保施工安全，如图7 所示。

图7 地质风险隐患管理图

3.4 施工进度管理

在项目进度管理过程中存在问题有:(1) 由于对项目实际进度掌握不全面、计划不合理，常常导致资金计划、供货商材料供应计划与施工进度、实际发生成本不匹配；(2) 由于建设项目工期较长、数据量大、收集复杂且收集速度较慢，常规方法不能及时收集和处理施工过程中的大量数据信息，导致成本分析困难、效率低，不能及时采取有效措施控制成本。

利用BIM 结构化优势，对过海隧道项目单位工程做WBS 分解，建立与时间维度之间的相互关系，附加生产组织关系。 根据项目总体工筹计划，编制年、季、月计划及重要节点计划，开展三维施工进度管理，实现工筹、年计划、月计划与实际进度对比分析与模拟；快速统计分析计划实物量与已完工程量、产值、成本并生成报表，达到对成本的准确掌握。 实现对施工进度的查看分析、关键节点预警、工效预警与数据统计分析。 解决了以往项目管理中数据收集量大、进度计划可实施性差、进度报表虚瞒等问题，提升了对过海隧道项目施工进度的管理水平，施工进度管理模拟对比如图8 所示。

图8 施工进度管理模拟对比图

3.5 监控量测管理

监控量测数据关系到施工安全，利用信息管控平台进行过海隧道项目施工范围三维监测点位置、环境监测、沉降变形等监测数据与曲线图查看与分析，实现对多测点的数据对比，空间关系多数据查询，利用监测结果数据来指导施工，如图9 所示。 利用平台的录入预警、实时报警与二次预警等功能，确保监测点安全隐患信息及时获取，提高施工安全可控程度。 录入预警是指在数据日常录入过程中系统自动检查当次已录入数据，对于不合理数据作出判断与提示，便于用户及时修改，减少错录导致的返工；实时报警指对超过预警值或控制值的数据进行预警提示，以便能够及时了解现场实际情况；二次预警是指在红色预警或二次预警处理完成后，如果再次发生预警，采用的特殊处理方式。

图9 信息管控平台监控量测管理图

3.6 人员和设备定位管理

过海隧道矿山法独头开挖深度为2.5 km，施工机械设备、人员众多，施工风险高，因此必须加强人员和车辆的安全管理。 在施工过程中，管理机械车辆，更好地掌握车辆位置信息，及时调度车辆，实现车辆会车提前预警，避免现场拥堵；对施工人员进行定位管理，可及时掌握人员位置信息，确保人员的安全。 定位管理模块由区域划设管理、进出区域判定、信息显示、运动轨迹显示、实时统计、应急数据6 部分组成。

区域划设管理分割车辆人员定位覆盖区域，区分施工区域、生活区域等，用于统计各位置的设备、人员，实现对作业工点车辆和人员的精确统计；进出区域判定功能对车辆人员进入区域或离开区域进行判断，并记录相应时间戳；信息显示是通过GIS 平台上的信息联动，在三维图上呈现车辆人员具体方位，车辆定位系统显示如图10 所示。 点击相应标签即可获得相关车辆人员的具体信息，包括车辆位置、车牌号、车辆状态；人员信息包括人员姓名、年龄、照片、工号及联系方式。

图10 车辆定位系统显示图

人员车辆运动轨迹显示，通过坐标信息，可以查看车辆和人员运动轨迹，包括实时轨迹和历史轨迹。实时轨迹直接在三维图上呈现当前车辆人员的运动轨迹，即通过选择起止时间，可获得车辆人员的历史轨迹，并将其呈现在三维图上；应急数据功能可以在遇到应急情况时，快速统计各区域内车辆人员详情，并了解掌握在危险区域中的车辆、人数，并及时采取紧急应对措施，实现车辆人员的快速撤离。

通过对过海隧道项目现场车辆与作业人员的定位管理，及时反馈现场施工动态，实时展示车辆在隧道的运行轨迹，实现精准调度，避免现场拥堵，提高过海隧道施工作业效率。 根据现场车辆人员位置信息，提升了现场车辆人员安全管理水平。

3.7 视频监控安全管理

通过BIM 技术建模模拟过海隧道全过程，分解整个施工过程，使项目管理人员能清楚每一步施工流程，管理过程思路更加清晰，能够及时发现问题，做到开工前的风险进行辨识和事前的有效控制。Web 端提供现场视频监控摄像头位置与BIM 模型的挂接功能，管理人员可以实时监控现场施工情况，视频监控系统显示如图11 所示。 BIM 提供动态可视化施工空间，该空间随着工程进展会不断地变化，通过可视化模拟工作人员施工状况，可以形象地显示施工工作面、施工机械状态，并评估其安全性。

图11 视频监控系统显示图

过海隧道项目通过将施工现场视频监控和BIM模拟联动结合，及时反映现场施工生产情况，方便管理者及时发现现场不安全的因素和状态，及时采取措施消除风险源，实现动态安全施工。

3.8 盾构机掘进管理

盾构机管理模块可以显示盾构机的工作状态，包括当前位置、盾构姿态、掘进系统中的掘进速度与掘进压力，铰接系统中的铰接位移与铰接压力、刀盘土压力、管片环号、统计分析、风险预警等(盾构掘进管理系统显示如图12 所示)，系统接入了过海隧道项目大青区间超前导洞TBM、大青区间盾构机，盾构类型包括土压平衡及泥水盾构，盾构型号包括Crec150、Crec152。

图12 盾构掘进管理系统显示图

盾构位置功能实时展示盾构机的位置、计划掘进路线和实际掘进路线，查看盾构机的掘进状态。运行参数实时显示盾构在掘进过程中的参数，包括当前掘进里程、掘进环、总环数、掘进速度，掘进压力、铰接系统等参数。 盾构姿态功能实时监视盾构机位置偏差，展示详情包括俯仰角、滚动角、导向系统、水平与垂直偏差等。 统计分析功能实时显示盾构机在掘进过程中各类材料消耗，包括泡沫原液、泡沫工业水、泡沫混合液、HBW 密封油脂、EP2 润滑油脂、盾尾密封、膨润土等；风险预警功能及时提示风险源，包括掘进速度、掘进状态、重大风险源提示，重大风险源包括超前地质预报与破碎带提示，并通过预设的盾构机路线，可以在三维地图上展示盾构机的实际与计划进度路线。

4 结语

青岛市地铁8 号线“GIS＋BIM 项目信息管控平台”的研发和应用，主要解决了项目管理者对管理数据的快速获取、分析和决策支持难题。 利用日益成熟的BIM 技术，基于GIS＋BIM 的数据基础，结合施工中的工程管理数据，形成可供项目各管理阶段查询的数据载体，并针对进度、资料、安全、数据查询等方面开发了具体的功能模块。 结合平台进行施工过程管控，减少项目管理时间成本，减少工作安排和现场沟通的难度。 统一数据管理，加快信息传递，进行技术资料和安全施工标准化信息共享，提高工作效率，提升了整个项目管理水平。 项目管控实现了“一个数据库、一张监管网、一条管理线”，并取得了良好的经济和社会效益。

该平台实现了GIS＋BIM 的集成应用，对过海隧道项目进行了场地优化设计，减少了工作安排与现场沟通的难度；通过监测预警23 次，预判施工风险6 次，确保了施工安全；进行进度优化和安全管理，缩短工期40 d；节约建设成本383.2 万元；节约项目管理成本38.9 万元，进行安全标准化信息共享，提高了工作效率。

同时，该平台以地铁工程建设安全管理为目标，以标准化、规范化管理为抓手，以BIM 为主要技术框架，节省了建设管理成本，顺应了工程信息化发展的需要，形成了特色的规范化的操作管理体系，革新了施工管理行为模式和管理模式，提高了施工管理水平，为类似工程提供了重要借鉴。 BIM 在施工领域的应用有利于工程建设项目精细化管理水平提高。 青岛地铁8 号线大青区间过海隧道已经在2020 年1 月20 日顺利实现贯通。