瞿文婷 喻 鋼

(1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，200444，上海; 2.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院,200444,上海∥第一作者，碩士研究生)

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基于建筑信息模型的隧道施工管理平臺(tái)

瞿文婷1喻 鋼2

(1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，200444，上海; 2.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院,200444,上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生)

為了實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量、安全、設(shè)備的實(shí)時(shí)管理,并增強(qiáng)信息的可溯性,本項(xiàng)目基于建筑信息模型(BIM)技術(shù),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等信息手段,建立了基于BIM的隧道施工管理平臺(tái)。平臺(tái)具有設(shè)備層、資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層等4層結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控等5大模塊,實(shí)現(xiàn)隧道工程數(shù)字化管理。該管理平臺(tái)已在上海軌道交通12 號(hào)線11 標(biāo)工程上得以應(yīng)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

近年來(lái),為了有效緩解城市交通擁堵問(wèn)題,城市軌道交通的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。以上海為例,2015年就新通軌道交通線路達(dá)40 km,至年底地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)達(dá)到588 km；另外到2020年,上海將計(jì)劃建成800 km的軌道交通線路，其中大部分是隧道工程。

隧道工程的快速發(fā)展也為隧道工程建設(shè)的管理提出了更高的要求。而隧道工程一般具有的以下特點(diǎn),使其建設(shè)過(guò)程不易管理。首先,地下工程隱蔽性強(qiáng),尤其是位于城區(qū)的地鐵隧道建設(shè),大多建于人口稠密的區(qū)域,周圍環(huán)境十分復(fù)雜,稍有不慎，易引起周邊建筑物和地下管網(wǎng)的變形、位移或沉降過(guò)大，造成嚴(yán)重的工程事故[1]。其次,施工現(xiàn)場(chǎng)信息交流程度低,隧道施工現(xiàn)場(chǎng)都在地面以下,環(huán)境較封閉,難以獲得人員及設(shè)備信息；信息的不流暢可能導(dǎo)致在事故發(fā)生時(shí)難以對(duì)施工人員進(jìn)行定位而開(kāi)展及時(shí)的救援[2]。第三,施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備復(fù)雜,隧道工程需要依賴盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工,處于封閉不開(kāi)闊的環(huán)境；其中的機(jī)電、施工設(shè)備也較為復(fù)雜,較難管理。

而今隨著可視化、多媒體等技術(shù)的深入研究,以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型(Building Information Model,BIM)等技術(shù)的興起,可以有效解決以上管理問(wèn)題。另外,施工工地的員工素質(zhì)往往參差不齊,通過(guò)完備的技術(shù)手段,可以培養(yǎng)其良好的工作習(xí)慣。

我國(guó)的BIM首先在建筑領(lǐng)域開(kāi)展研究和應(yīng)用,然后逐步推廣至鐵路隧道行業(yè)。2012年以前,BIM處于應(yīng)用設(shè)想階段,有學(xué)者對(duì)其在鐵路隧道工程中的應(yīng)用設(shè)想進(jìn)行了探討[3-4]。自2012年以后,BIM進(jìn)入試點(diǎn)應(yīng)用的階段,例如長(zhǎng)江隧橋建設(shè)發(fā)展公司將BIM應(yīng)用于長(zhǎng)江西路越江隧道的管線搬遷工程[5]。近兩年,正在逐步實(shí)現(xiàn)隧道工程中BIM的全面全生命周期的應(yīng)用,也有學(xué)者就隧道全生命周期中BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討[6-7]。

本項(xiàng)目以BIM為中心,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段,建立了隧道施工管理平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)中施工的科學(xué)、有效、準(zhǔn)確的管理。總體研究目標(biāo)是結(jié)合BIM技術(shù),從質(zhì)量、材料、安全、設(shè)備4個(gè)方面對(duì)隧道施工全過(guò)程進(jìn)行管控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于BIM的隧道施工管理平臺(tái)分為4層架構(gòu),包括設(shè)備層、資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層,如圖1所示。

第1層為設(shè)備層。設(shè)備層包括視頻監(jiān)視器、物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)和中心服務(wù)器。在工地上部署多個(gè)視頻監(jiān)視器,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回中心服務(wù)器,對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)包括射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)芯片和RFID讀頭,固定式讀頭分布在工地大門門禁閘機(jī)、電機(jī)車、盾構(gòu)機(jī)、井口門禁閘機(jī)等工地各個(gè)區(qū)域,以讀取人員安全帽上的RFID芯片等。手持式讀頭用來(lái)讀取管片內(nèi)埋入的RFID芯片,以實(shí)現(xiàn)管片質(zhì)量信息的動(dòng)態(tài)獲取。獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳回至中心服務(wù)器,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

第2層為資源層。資源層包括數(shù)據(jù)資源及模型資源。數(shù)據(jù)資源包括人員定位系統(tǒng)、管片質(zhì)量系統(tǒng)和盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)等,將其動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集的人員位置信息、管片質(zhì)量信息、盾構(gòu)施工推進(jìn)信息等,采用異構(gòu)數(shù)據(jù)融合機(jī)制,通過(guò)數(shù)據(jù)接口適配器,將人員位置信息、管片質(zhì)量信息、進(jìn)度信息數(shù)據(jù)等集成到BIM模型及中心數(shù)據(jù)庫(kù)。模型資源是通過(guò)一個(gè)BIM數(shù)據(jù)集成平臺(tái),實(shí)現(xiàn)工業(yè)基礎(chǔ)分類(industry foundation classes,IFC)模型數(shù)據(jù)的讀取、提取、集成和顯示,可針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的不同工況,將數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有機(jī)的組織,形成具有特性的模型,提供不同視角下的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

第3層為服務(wù)層。服務(wù)層是系統(tǒng)各個(gè)模型的集成與管理,保障各項(xiàng)功能模塊的順利實(shí)現(xiàn),是用戶應(yīng)用交互層與模型層之間的紐帶,是施工實(shí)時(shí)智能監(jiān)控平臺(tái)的具體功能與應(yīng)用的展現(xiàn)。包括施工進(jìn)度實(shí)時(shí)顯示、周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員軌跡監(jiān)控、管片質(zhì)量跟蹤等服務(wù),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持項(xiàng)目各參與方分布式的工作模式,基于相應(yīng)的BIM模型,獲取所需要的模型數(shù)據(jù),支持基于BIM技術(shù)的各系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享。

第4層為應(yīng)用層。應(yīng)用層是進(jìn)行人機(jī)交互的界面,用戶在該層獲取系統(tǒng)提供的服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)模塊圖

基于BIM的隧道施工管理平臺(tái)包括系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控5個(gè)模塊,如圖2所示。其中,系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中用戶信息的管理、模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)、平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)以及系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的配置。

圖2 系統(tǒng)模塊圖

2 原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在信息采集、傳輸方面的應(yīng)用改變了原來(lái)人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)記錄模式,實(shí)現(xiàn)了信息采集的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性，且保證了數(shù)據(jù)的可靠性。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)能夠獲得及時(shí)可靠的施工、人員數(shù)據(jù),以達(dá)到安全管控、人員管控的目的。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人員安全管理中的應(yīng)用。首先在施工人員的安全帽上安裝RFID射頻芯片,通過(guò)固定位置讀頭讀取RFID芯片信息,確定佩戴安全帽的人員位置。將讀頭信息通過(guò)無(wú)線傳輸逐級(jí)傳遞到中央監(jiān)控室中。控制室可通過(guò)芯片源反映在BIM模型中的位置來(lái)確定施工人員所處的具體位置,當(dāng)有突發(fā)狀況時(shí)可及時(shí)通知施工人員逃生方向或進(jìn)行救援。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在質(zhì)量管理信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。該部分的實(shí)現(xiàn)首先在管片構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中,預(yù)埋入RFID芯片并寫入生成數(shù)據(jù)。在施工過(guò)程中通過(guò)手持機(jī)讀頭讀取管片內(nèi)芯片信息、寫入施工過(guò)程中的信息,并通過(guò)無(wú)線傳輸將施工數(shù)據(jù)傳遞到中央監(jiān)控室中。監(jiān)控室將獲取的管片信息反映在模型中,動(dòng)態(tài)顯示隧道的推進(jìn)信息,并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),也為隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 全方位的信息采集

以隧道為主體對(duì)象的全方位信息采集是實(shí)現(xiàn)施工動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ),并為實(shí)現(xiàn)隧道全生命周期管理打下基礎(chǔ)。施工過(guò)程中關(guān)注的信息包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備和環(huán)境信息,在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段可以通過(guò)獲取歷史施工信息對(duì)隧道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。各階段信息采集見(jiàn)表1。

表1 各階段信息類別獲取表格

2.3 基于BIM的多源異構(gòu)信息集成

由于隧道施工管理涉及的內(nèi)容較多,數(shù)據(jù)的采集方式與表現(xiàn)形式也各不相同,這就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的來(lái)源眾多、構(gòu)成成分不同。來(lái)自于聲音、視頻、RFID定位等技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也存在差異。通過(guò)多源異構(gòu)存儲(chǔ)與調(diào)用技術(shù)、數(shù)據(jù)流接口技術(shù)、控制模式技術(shù)的研發(fā),將不同數(shù)據(jù)來(lái)源、格式、存儲(chǔ)方式等在同一軟件平臺(tái)中運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成,以加強(qiáng)隧道安全、進(jìn)度、質(zhì)量管理為目標(biāo)。

同時(shí)基于實(shí)時(shí)施工數(shù)據(jù)的BIM隧道施工模型將采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型相對(duì)應(yīng),對(duì)該模型上的每個(gè)建筑材料和監(jiān)測(cè)點(diǎn)都在BIM隧道施工模型上進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。這樣一旦施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)底層網(wǎng)關(guān)傳輸進(jìn)行修改后,在該施工模型中能準(zhǔn)確地進(jìn)行反映,通過(guò)對(duì)模型及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,動(dòng)態(tài)展示隧道的施工過(guò)程。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示方式無(wú)法有效地將數(shù)據(jù)集成后進(jìn)行統(tǒng)一展示,而通過(guò)BIM技術(shù)則可以有效地將信息進(jìn)行集成,并通過(guò)三維模型將數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行融合,并架構(gòu)基于模型的數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在三維模型上的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系(Entity-Relation,ER)如圖3所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

上海軌道交通12 號(hào)線11 標(biāo)工程地處徐匯區(qū)濱江開(kāi)發(fā)區(qū),該工程是隧道股份市政工程(集團(tuán))有限公司地下工程板塊中重要的地鐵工程項(xiàng)目。工程主要包括龍華站—浦江南浦站區(qū)間隧道(長(zhǎng)1 021 m)和浦江南浦站—大木橋路站區(qū)間隧道推進(jìn)工程(長(zhǎng)1 220 m),以及旁通道2座、泵站1座,區(qū)間采用4臺(tái)Φ6340盾構(gòu)推進(jìn)。

3.1 人員安全管理

在施工過(guò)程中,由于施工人員流動(dòng)性強(qiáng),所用施工設(shè)備有可能對(duì)施工人員的安全造成危害,在施工設(shè)備操作過(guò)程中,人們可能由于趕工期等原因會(huì)忽略一些重要的安全規(guī)范。因此,必須對(duì)施工人員以及設(shè)備進(jìn)行定位,形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行可視化表達(dá),這樣可以方便管理者對(duì)施工人員和設(shè)備進(jìn)行管理,同時(shí)也可以對(duì)施工人員及設(shè)備使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)人員、設(shè)備跟蹤定位,對(duì)某些在施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的地方進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控,一旦施工人員出現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域或設(shè)備和人員之間小于安全距離時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

3.2 盾構(gòu)管理

在施工過(guò)程中,對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)要進(jìn)行時(shí)刻跟蹤,盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的變化與整個(gè)施工過(guò)程息息相關(guān)。盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的信息化十分必要,系統(tǒng)將盾構(gòu)推進(jìn)至每一環(huán)時(shí)的參數(shù)都進(jìn)行記錄,并結(jié)合到BIM模型當(dāng)中,這樣既可以十分直觀地在以后的質(zhì)量事故中對(duì)盾構(gòu)行徑進(jìn)行追溯,又可以對(duì)盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤。

3.3 管片跟蹤管理

管片是隧道的主要構(gòu)成部分,其狀態(tài)一定程度上決定了隧道的質(zhì)量。管片的滲漏、裂縫等結(jié)構(gòu)病害,若處理不當(dāng)可能導(dǎo)致危害極大的工程事故。將管片信息納入系統(tǒng),并結(jié)合BIM的圖形化展示,對(duì)模型上的管片進(jìn)行選擇時(shí)就可獲得相應(yīng)當(dāng)前管片的數(shù)據(jù)參數(shù)及歷史信息；模型漫游時(shí),也可通過(guò)模型上的標(biāo)記,直觀看到管片存在的病害。病害較多的區(qū)段,則可納入重點(diǎn)監(jiān)察范圍,使管理更有針對(duì)性。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)ER(實(shí)體—關(guān)系)圖

3.4 施工質(zhì)量管理

在隧道施工全過(guò)程中,現(xiàn)有的監(jiān)控一般都是監(jiān)測(cè)隧道施工過(guò)程中引起的地表沉降、墻體側(cè)斜、管線沉降等信息,這些信息都是分散記錄和統(tǒng)計(jì)的。通過(guò)利用BIM的優(yōu)勢(shì),可建立一套三維立體的基于BIM的隧道施工全過(guò)程信息化監(jiān)控系統(tǒng),通過(guò)這些監(jiān)控信息和智能算法來(lái)預(yù)測(cè)在隧道施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)信息。同時(shí),通過(guò)基于BIM的隧道施工全過(guò)程的信息化監(jiān)控和智能預(yù)警控制系統(tǒng),使得施工管理人員直觀地了解該隧道的施工進(jìn)度。而對(duì)于施工過(guò)程中的沉降也以三維立體圖的形式進(jìn)行展示。通過(guò)將隧道施工中的各種不同信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,再結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)中類似隧道工程施工的信息來(lái)智能地預(yù)測(cè)出在隧道施工中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況,保證施工人員的安全,提前對(duì)這些危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警,以提示人們?cè)诔霈F(xiàn)危險(xiǎn)情況前,采取必要的措施,來(lái)避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化施工管理工作在上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)的應(yīng)用取得了初步成功,但該系統(tǒng)僅僅覆蓋了施工管理工作,未來(lái)該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有數(shù)字化管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上向混凝土預(yù)制件、地下開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行拓展。將現(xiàn)有基于BIM的隧道施工管理平臺(tái)向前延伸至隧道BIM模型建立、管片生產(chǎn)管理系統(tǒng),向后將施工中的信息移交運(yùn)營(yíng),為隧道后期維護(hù)管理提供便利,以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道全生命周期管理。

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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)