复杂条件下盾构施工BIM管理平台研发及应用——以大连地铁5号线海底隧道工程为例

付功云，王立彬，青舟，高俊峰，董晓龙，孙国文

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308; 2.大连地铁集团有限公司,大连 116000; 3.中铁大连地铁五号线有限公司,大连 116011; 4.中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司,江苏无锡 214000)

引言

我国城市轨道交通工程建设是基础设施建设的重要组成部分,而地下盾构隧道建设模式在当前城市轨道交通工程区间建设中占据主流地位[1],是典型高风险、高投入的系统性工程。一是周边风险源、地下地质条件等具有变化性、不可知性,导致施工工艺复杂、安全隐患探知及处置难;二是施工地点处于城市区域,对公共安全要求高,一旦发生安全、质量事故,社会及经济负面影响大;三是系统性工程,盾构区间的进度、成本与整条轨道线路的进度、成本密切相关,保障进度、降低成本是项目需考虑的关键因素。如何融合使用BIM、GIS、物联网等先进技术,提高城市轨道交通盾构隧道工程建设过程中的安全风险、质量、进度、成本等的管控能力,提前发现问题、提前处置、提前消除隐患,已成为各级政府、建设单位及参建单位共同关注的重点领域。

在BIM与盾构隧道施工结合应用方面,已有部分研究案例。吕刚等[2]搭建了基于BIM、GIS和互联网技术的隧道施工可视化管理平台,初步实现对邻近建(构)筑物危险性的实时预测预报;杨威等[3]基于CarsView图形引擎、前后端分离架构,研发铁路隧道施工BIM管理系统,满足清华园隧道实践应用要求;陈卓等[4]在成都地铁8号线一期工程中,通过施工模型构建、VR虚拟驾驶舱重点场景仿真、基于BIM的施工进度管理、基于BIM的工程动态移动APP、盾构机实时状态监测及现场量测数据管理等应用,满足了现场管理需求;马少雄等[5]依托太焦铁路武乡隧道工程,构建铁路建设项目数字化协同管理体系,包含模型、权限、工序、围岩等级、报表等功能;魏林春等[6]归纳了盾构隧道施工的信息类型,分别建立子模型,并将信息集成为盾构施工信息模型,开发了B/S架构的盾构施工信息管理系统;林晓东等[7]在分析GIS数据管理和BIM数据标准基础上,建立集成GIS/BIM的盾构隧道全寿命期管理系统。

文献检索结果表明,已有多位专家开展BIM平台在盾构隧道施工中的应用研究,但存在部分技术路线瓶颈导致适用性较低、部分功能不全、不能覆盖盾构施工全过程等问题。依托大连地铁5号线火梭区间海底盾构隧道工程需求,结合大直径泥水平衡盾构施工方案,研发了一套盾构隧道施工BIM管理平台,集成了BIM设计模型、环境模型、地质模型、设备模型、施工报表、监理报表、管理流程、盾构机PLC数据、视频监控数据、第三方监测数据、智能传感器数据、人工巡检APP、人工填报接口等,实现了盾构施工过程安全、质量、进度、成本等管理,有效保障了盾构隧道安全施工,提高工程质量,加快施工进度并提前洞通,降低工程成本。

1 工程概况

大连地铁5号线线路全长24.484 km,起于虎滩新区站,止于后关村站,大致呈南北走向。其中,火梭区间位于火车站站与梭鱼湾站之间,全长2 870 m,海域段长2 310 m,岩溶强发育区跨度1 538 m,采用φ12.26 m泥水平衡盾构机掘进,海底盾构隧道复杂条件展示见图1。

图1 大连地铁5号线海底盾构隧道复杂条件展示

该海底隧道是国内首次大直径穿越岩溶强烈发育区的超级穿海工程[8],海底溶洞呈马蜂窝状并形成三大溶洞群,最大溶洞高29 m,线岩溶率达到13.7%;存在军事敏感区、香炉礁航道、码头等众多风险源,施工过程不能及时有效管控;存在多种安全风险监测数据无关联分析而形成信息孤岛,无法使数据价值达到最大化。传统二维信息管理系统无法保障地质复杂、风险源众多、信息孤岛等复杂条件下的顺利施工,从而引入BIM平台集成相关数据,综合多方数据进行三维可视化研判与指导施工。

2 系统设计

2.1 技术架构

BIM平台采用3层技术架构,分别为服务层、支撑层与应用层,BIM平台技术架构见图2。

图2 海底盾构隧道施工BIM管理平台技术架构

服务层基于WebGL三维引擎实现三维场景构建、空间分析等,并对外输出数据服务、三维服务等接口;线性数据存储于MySQL数据库中,盾构点位数据经Redis数据缓存、筛选后导入MySQL数据库中;BIM模型、二维管理信息、二维设计图纸、三维坐标信息等以文件形式存储;通过一键发布轮询服务、队列服务实现多种格式BIM模型转换为BIM平台模型统一格式,并整合管理与浏览。

支撑层通过BIM模型一键发布实现不同格式BIM模型自动上传到BIM平台并成为二维管理信息的载体[9];Spring Boot/Cloud框架支撑快速开发、微服务[10]等后端服务;AVUE框架支撑前端页面的产品化开发模式;研发利用数据库读取权限、JavaScript调用、API接口、物联网设备硬件接入等系统集成综合框架[11],支撑多源数据的采集分析;预留人工智能深度学习、大数据分析等接口,在BIM平台积累大量数据之后,对LSTM[12]深度学习网络模型进行训练,通过趋势预测与实际结果对比,优化算法模型,最终实现基于BIM平台的人工监测、智能仪器监测、盾构监测等预测功能。

应用层通过梳理盾构施工业务需求,集成相关数据并定制化开发相关专业应用,在依托工程中,以盾构隧道施工过程管理为主,包含安全管理、质量管理、进度管理、成本管理等,并预留设计阶段、运维阶段应用拓展接口,通过浏览器、移动端等方式对外提供服务。

2.2 数据整理与处理

依托工程中施工管理数据包含基础数据、BIM模型数据、BIM模型附属信息、安全风险数据、进度数据、质量数据、成本数据、设备数据、材料信息等[13],不同数据采用不同的数据梳理、集成处理方式。基于BIM平台的盾构隧道工程数据整理与处置见表1。

表1 基于BIM平台的盾构隧道工程数据梳理与处置

2.3 关键技术

基于B/S模式、先进且成熟、满足移动应用、具有广泛适用性的WebGL三维引擎[15],将自主研发的一键发布工具、多源数据系统集成框架等融合封装为三维底层框架,对外暴露开发接口;为满足盾构机1 300多个数据点位、每个数据点位3～20条数据、每隔10 s刷新一次的大吞吐数据存储与应用要求(数据量约为3MB/10 s),采用Redis高速缓存相关数据,筛选后传入MySQL线性数据库进行应用[16];依托Spring Boot/Cloud微服务框架,部署BIM模型转换、安全、质量、进度、成本、流程、用户管理等微服务,降低各应用之间的耦合度,提高服务稳定性;前端采用AVUE,基于事前端缓存技术、三维模型存储于router缓存中、router keep-alive配置是否刷新,实现不重复或不频繁加载三维模型的目标,有效降低三维模型及信息加载量,解决移动应用流量不足、三维场景加载慢的关键瓶颈。

3 BIM模型

BIM设计及应用软件众多,如美国AutoDesk、法国Dassault、美国Bentley、广联达、中望软件等[17],在依托工程中,依据设计对象不同选择不同的适配软件,模型精度满足GB/T51235—2017《建筑信息模型施工应用标准》要求,基于轨道交通工程BIM标准体系[18],在BIM平台中融合为一体。

3.1 环境模型

采集地面建筑、地形地貌等数据及影像,沿线分左右延伸200 m建立地表环境。在依托工程中,海底部分按照测量数据建模,环境模型面积约为3 km2。采用3dsMAX、Revit等软件建模还原周边环境、采用开放的卫星数据作为底层,将多个环境模型的大连城建地方坐标体系转换为WGS84坐标体系,导入到BIM平台以WGS84坐标体系为基准整合,基于BIM平台的环境模型展示见图3。

图3 基于BIM平台的环境模型展示

3.2 地质模型

根据物探资料,在理正、Excel等软件中整理,根据地面高程、不同岩层深度,在建模软件中生成三维地质模型,部分不连贯的地层采用智能拟合生成不同地质分界面。在依托工程中,地质复杂程度高,根据初勘、详勘、专勘、CT物探的数据,通过AglosGeo软件生成地质三维模型,导入BIM平台中,在BIM平台中实现剖切地质体、提取钻井柱地质分层信息等基础功能。据统计,依托工程地质模型全长2 870 m,地质体体积1.054×107m3。地质模型形象、导入BIM平台后的展示见图4。

图4 地质模型展示

3.3 盾构机等设备模型

简单设备采用CAD、Revit、MicroStation等建模,复杂曲面设备采用Catia、Solidworks等建模,高精度模型存在图形面多、在BIM平台中完全仿真表现困难等问题,从管理角度考虑,精细化模型并不是必备条件,通常经3dsMAX减面后导入BIM平台。在依托工程中,泥水平衡盾构机模型根据设计图纸、安装图纸、盾构机安装现场采集数据等综合信息,采用Catia软件进行建模与维护。经统计,泥水平衡盾构机设备直径12.26 m,全长189 m,模型体量54.60 MB,盾构机模型展示见图5。

图5 盾构机模型展示

3.4 隧道区间模型

隧道区间通常通过Civil3D创建平曲面和纵断面生成海底隧道线路,导入Revit软件。在Revit软件中创建参数化管片族、典型隧道轮廓族,根据自适应族特性,隧道轮廓族通过阵列沿隧道线路中心线生成整个隧道模型,并且将该成果轻量化导入BIM平台。在依托工程中,基于Revit软件二次开发盾构隧道模型自动生成工具,输入管片宽度、厚度、外径、孔洞位置、材质、口子件尺寸、轨枕尺寸及间距、轨道尺寸、挡板位置及尺寸、旋转角度等关键参数[19],通过参数化驱动生成区间隧道模型。经统计,隧道全长2 870 m,宽12.26 m,共计35 186.2 m2。包含1 435环、11 480个管片、1 435个口子件、轨枕等,模型体量达到395.32 MB。盾构管片模型展示见图6。

图6 盾构管片模型展示

3.5 基于BIM平台整合模型

复杂条件下海底盾构隧道工程涉及在建工程、已建工程、地表环境、地下环境、设备模型等,模型来源复杂、格式多样,为提高BIM平台的普适性,自主研发基于BIM平台的BIM模型一键发布接口,通过Web页面提供坐标转换、格式转换、轻量化、属性入库、加密及归档等功能。BIM模型上传后校验,通过则自动发布,不通过则提示错误原因,由上传人完善后重新上传。在依托工程中,基础模型通过一键发布接口上传,集成相关二三维管理信息,以WGS84坐标体系为骨架组合成工程整体信息模型,见图7,并以此为基础开展盾构施工三维可视化管理应用。

图7 以WGS84为骨架融合成工程整体信息模型

4 BIM平台应用

根据盾构隧道工程特点及业主管理需求,BIM平台在施工阶段主要应用包括安全、质量、进度、成本等。为决策者能够迅速掌握工程关键信息,为合理决策提供依据,在依托工程中,提取盾构隧道施工重点数据,集中在同一个页面中展示并形成大屏首页,大屏首页展示见图8。

图8 大屏首页展示

4.1 安全管理

BIM平台通过集成第三方安全系统数据、摄像头监控数据、盾构机数据、智能监测仪器数据(沉降、位移、变形、压力、应力、水位等)[20]、人工监测报表、施工日志、监理日志等信息,开展施工安全管理工作,支撑监控量测、视频监控、风险源管理以及隐患排查等功能。通过二三维关联定位,将二维数据与三维模型关联,当超出系统安全阈值时,发起预警及处置流程。最终达到基于BIM平台的安全处置规范化、安全问题可视化、处置过程知识化等目标,提高工程安全管理水平。

在依托工程中,BIM平台在硬件接入盾构机PLC二维实时参数的基础上,集成人工监测报表、智能监测仪器数据、视频监控数据及第三方安全系统数据等,见图9。以三维方式关联周边风险源,并对监测数据进行动态分析,BIM平台结合GIS系统进行三维动态展示,根据预设的监测阈值,触发后自动预警、发起处置流程、处置完毕后进入消警流程,在施工过程中更加便捷直观地掌握多源数据综合分析后的安全监控实时动态。

图9 基于BIM平台安全管理功能展示

4.2 质量管理

基于BIM平台进行关键环节质量管理工作,巡检APP定位或者扫描电子标签关联模型并发起质量隐患处置流程、直观查看隐患、分析预警、处置流程跟踪与统计。具有即发现即上报的优势,避免上报与处置的遗漏,且移动APP关联GIS、构件、二维码等(图10),效率高、处置快,能够有效提高施工质量管理水平。

图10 移动APP质量巡检上报(GIS定位、扫码关联定位、构件树选择定位)

在依托工程中,通过巡检APP提交质量问题到BIM平台,问题列表关联三维模型与GIS坐标或问题标签漂浮在施工场景模型中,点击定位质量问题地点或部位,并发起处置流程,相关处置措施留档,经分析建设质量管理知识库,最终达到发现问题自动匹配处置措施的目标。相关处置措施,如盾构管片破损不同程度及对应处置状态、盾构姿态错误后的纠偏调整方案等,经工程实践检验可行,输出三维可视化知识作为BIM咨询、BIM平台等数字化产品的基础。

4.3 进度管理

基于BIM平台导入Project或Excel格式的形象进度数据,系统集成施工日志、盾构机实时位置等实际进度数据,分别与BIM模型进行关联,实现多版本形象进度与实际进度对比。进度的提前与滞后预警,结合环境及施工情况分析原因指导施工,保障施工进度。

在依托工程中,通过BIM平台导入工程形象进度数据,与盾构环号对应的管片模型关联,使得盾构各管片环模型附加该环计划完工时间;同时,通过PLC硬接盾构机实时进度数据,为各管片环附加实际完工时间,管片环的计划完工时间与实际拼装时间对比,实现形象计划进度与实际施工进度之间关系分析,自动判断当前状态是正常施工、超前施工还是滞后施工,并在BIM平台中用不同的颜色进行区分展示。针对进度滞后状态,综合考虑了地质、周边风险源、安全、质量、成本等因素影响,有效指导科学合理、有针对性地调整施工方案、施工计划等,确保了依托工程提前洞通。基于BIM平台进度管理功能展示见图11。

图11 基于BIM平台进度管理功能展示

4.4 成本管控

在BIM平台中,根据施工单位提供的计量清单文件,查看对应工程计量部位在三维场景中的空间位置,与现场比对确认是否已经完成;基于WBS、CBS编码统一,选择当前工程量清单对应模型统计工程量并输出总价,复核模型工程量总价与计量清单总价是否一致;提供数据接口,可选择集成财务系统支付凭证,快速完成资金支付工作。基于BIM平台三维方式复核工程量清单有利于保障资金合理利用、达到成本管控目的、提高资金支付效率。

在依托工程中,BIM平台集成泥水平衡盾构机的注浆量、密封油脂、膨润土等使用量数据,配合人工报表,实时监测材料消耗情况,同时结合地质岩溶模型、风险源状况等计算的材料计划消耗值,设定各管片环对应材料计划消耗值大于120%或低于80%为预警阈值,达到阈值后触发远程专家会审流程,综合研判过量、过少的材料消耗是否合理,判断是否需要在CT物探数据、超前钻物探数据基础上重新物探,确保材料消耗处于合理范围,最终达到了降低非正常材料消耗目标,在保障安全施工的前提下有效节约成本。基于BIM平台成本管控功能展示见图12。

图12 基于BIM平台成本管控功能展示

5 结论与建议

依托大连地铁5号线火梭区间海底盾构隧道工程,研发海底盾构隧道施工BIM管理平台,通过三维可视化交底与辅助指导施工,缩短工期72 d;指导岩溶处置,节省材料5%,约1 100万元;盾构纠偏、岩溶与盾构掘进时空关系仿真模拟、盾构掘进实时监测综合分析等,大大降低因掘进误差、岩溶特大风险源物探误差等引起的盾构机陷落而导致废弃工程的风险。在依托工程中的实践应用,验证了BIM平台在城市轨道交通工程盾构隧道建设过程中三维可视化管理应用的可行性及先进性。

(1)多源异构的静动态数据融合,BIM模型、生产管理信息等以GIS为骨架融合形成时空整体,突破了实际工程中存在的多种软件设计、格式不兼容,多种管理信息数据不互通的关键瓶颈。

(2)多源安全风险数据集成,综合多方因素可视化分析与处置,有效提高了安全管理能力,降低了安全事故发生几率。

(3)二三维关联快速定位并跟踪处置,快速定位存在质量问题的地点、快速处置、追踪处置过程、处置完毕后结束流程,构建三维直观的闭环管理场景,减少了质量隐患,提高了工程质量。

(4)实际进度与形象进度实时对比综合分析进度异常原因并辅助决策,有针对性地调整施工方案,有效保障了依托工程提前洞通。

(5)材料用量异常结合地质状况分析,针对材料消耗过量、过少等问题,分析原因并制定解决方案,合理规避了材料浪费风险,降低了工程成本。

BIM平台在依托工程中实践应用,存在基于B/S模式浏览器(如Google Chrome)应用访问内存限制1.4 GB、场景总体模型轻量化后体量仍超过1 GB导致加载速度偏慢、通过CT物探数据生成三维溶洞模型技术路线自动化程度不高、多源数据综合分析中部分结论需人工修正判断等问题,下一步考虑结合大数据、人工智能、互联网+等技术,解决BIM平台应用瓶颈,并继续深入研究盾构隧道施工BIM平台数字化、智能化方向的应用,向盾构隧道工程的设计阶段、运维阶段拓展,最终形成盾构隧道工程BIM全生命周期管理平台。