李揚

（甘肅路橋公路投資有限公司，蘭州 730000）

1 項目背景

武都至九寨溝高速公路項目位于甘肅省隴南市境內(nèi)，是省內(nèi)及國內(nèi)率先在公路工程勘察、設計、建設和運營養(yǎng)護全生命周期過程中全面推廣應用BIM 技術(shù)的特大型工程，目的在于利用BIM 技術(shù)對項目建設過程中的工程信息進行收集、溝通和協(xié)調(diào)，推動信息化技術(shù)在本工程建設中的充分應用，保證工程建設質(zhì)量，減少投資成本。

2 BIM技術(shù)對于隧道工程建設的意義

在隧道工程建設中，可以通過OpenRoads Designer 軟件中的GINT civil tools 地質(zhì)建模插件，結(jié)合設計圖以及地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)建立隧道地質(zhì)三維模型，再通過相關(guān)專業(yè)BIM 軟件建立隧道的洞門、洞身、防排水、人行及車行橫通洞、輔助坑道、附屬設施構(gòu)件等高精度BIM 模型。三維地質(zhì)模型組成可支持剖切查看，便于在隧道等重要結(jié)構(gòu)施工時掌握周邊圍巖情況，降低施工風險，實現(xiàn)對多工點鉆孔數(shù)據(jù)的管理；通過創(chuàng)建包含項目所有地質(zhì)信息的三維地質(zhì)BIM 模型，可生成任意地質(zhì)剖面圖，幫助設計人員更加清楚地了解工程地質(zhì)情況，提高設計方案的合理性；高精度的BIM 隧道模型可以直觀地展現(xiàn)設計意圖，并可在施工過程中提前檢查設計問題，規(guī)避因施工圖存在問題而造成返工、設計變更等問題，同時，提高施工效率，縮短施工周期，節(jié)約施工成本。

3 BIM技術(shù)在隧道工程中的應用

由于該隧道地質(zhì)情況復雜，僅主洞就含有7 種襯砌類型，基于現(xiàn)場勘察信息建立工程區(qū)三維精細地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建隧道BIM 精細結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)三維地質(zhì)與隧道BIM 模型融合；研發(fā)面向Web 的隧道BIM 云平臺，實現(xiàn)移動端（手機、Pad等）、PC 機等的無縫兼容及跨平臺功能，可實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集（圖片、文字）及安全隱患管理[1]。

3.1 BIM技術(shù)在設計階段的應用

在隧道設計階段，充分利用BIM 可視化技術(shù)，可以將隧道模型與周圍環(huán)境相融合，結(jié)合周邊地形環(huán)境與山體走向等進行方案論證。在各專業(yè)建模過程中，對設計文件中存在的錯、漏、碰、缺進行進一步復核，并及時優(yōu)化方案設計。

同時，通過WBS 字典，本項目組將隧道的單位工程按照隧道左右幅的不同，將豎井和斜井劃分為單獨的單位工程，同時，將隧道按照路線左右幅拆分為2 個單位工程。1 個單位工程為1 個DGN 模型文件，里面包含了表達該單位工程“形象”的所有構(gòu)件或單元，里面的構(gòu)件或單元按照圖層來區(qū)分不同的分項工程，單個構(gòu)件表達對應的1 個工程實體部位，為后期出圖算量等提供完整、精確的三維模型數(shù)據(jù)及依據(jù)。

3.1.1 BIM 三維地質(zhì)模型

建立復雜的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，是確保工程構(gòu)筑物信息模型準確性的重要的環(huán)境要素，對于合理分析和預測隧道施工過程所遇到的工程地質(zhì)問題具有重要意義。本項目以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立地質(zhì)三維地層的網(wǎng)格曲面（mesh 面）后，可以迅速得出勘探線位置工程地質(zhì)剖面圖；其他非勘探線區(qū)域也可便捷地編輯出工程地質(zhì)剖面圖；可讀取數(shù)據(jù)庫鉆孔數(shù)據(jù)快速出鉆孔柱狀圖；可出工程地質(zhì)平切圖等地質(zhì)圖件。

利用測繪專業(yè)提供的傾斜攝影數(shù)據(jù)生成地形面，建立地質(zhì)三維地層mesh 面后嚴格穿過所有等高線數(shù)據(jù)點，形成的地形面非常貼合實際地形。利用鉆孔的土層分層數(shù)據(jù)建立不同土層分層mesh 面，使用80 多個鉆孔的土層分層數(shù)據(jù)和添加的一些地質(zhì)工程師判斷的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立土層分層mesh 面，生成的土層分層mesh 面穿過所有數(shù)據(jù)點且所有數(shù)據(jù)點之間的連接方式為光滑過度連接，使生成的土層分層面更符合實際土層分層走向。項目建立的地質(zhì)三維模型共建立了碎石土、泥盆系砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、灰?guī)r、片巖、板巖、變質(zhì)砂巖等8 個大的土層分層面和透鏡體與夾層，建立的地質(zhì)三維模型中的每個地質(zhì)層都具有相應的屬性數(shù)據(jù)，并且可生成相應的剖面圖、鉆孔柱狀圖等，同時，將建立的地質(zhì)三維模型（見圖1）和相應圖紙?zhí)峁┙o下游設計專業(yè)進行設計，可進一步提高設計數(shù)據(jù)的準確性[2]。

圖1 三維地質(zhì)模型

3.1.2 BIM 算量技術(shù)

BIM 技術(shù)不僅可以提供項目的三維可視化效果，還可以對隧道的材料使用量、成本進行計算。具體過程為：通過專業(yè)BIM 軟件得到的隧道模型，對隧道的結(jié)構(gòu)、材料、體積、數(shù)量等做大致估算，既可以在施工前為施工方提供大致的數(shù)據(jù)信息，也可以在施工后對實際施工情況進行評估比較。

通過自主研發(fā)的BIM 算量插件，可以將不同構(gòu)件信息及不同單位工程內(nèi)所有的材料的尺寸大小、數(shù)量、名稱等信息直接進行處理與分析，然后，整合模型出具數(shù)量表。如果在設計過程中需要進行少量的設計變動，只需將要變更的內(nèi)容輸入表格中，之后，其模型也會進行相應的改變（見圖2）。

圖2 BIM算量

3.1.3 碰撞檢查

利用BIM 可視化技術(shù)建立完善的模型后，可以通過Navisworks 軟件對高樓山隧道設計中的潛在結(jié)構(gòu)沖突進行有效的辨別（見圖3），通過檢查發(fā)現(xiàn)102 處鋼筋碰撞、13 處不合理設計，并出具檢查報告，由于提前預測并發(fā)現(xiàn)設計錯誤大大節(jié)省了工程時間，降低了施工及設計成本。

圖3 碰撞檢查

3.2 BIM技術(shù)在施工階段的應用

3.2.1 BIM 可視化管理

BIM 可視化管理主要是從項目施工管理角度出發(fā)，參考“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維模式和發(fā)展背景，依托大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以GIS 引擎承載傾斜攝影三維實景隧道模型，集成建設項目施工過程中的質(zhì)量、進度、安全、檔案等數(shù)據(jù)，將BIM 技術(shù)與其他多種技術(shù)跨界融合，應用于工程項目的綜合管理，搭建BIM+GIS 三維可視化綜合管理平臺。平臺以三維GIS 環(huán)境及BIM 模型為數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)建設管理期間的全生命期項目應數(shù)據(jù)管控、業(yè)務數(shù)據(jù)實時更新及智能分析等需求。

基于項目區(qū)域GIS 云服務平臺和BIM+GIS 融合技術(shù)，搭建B/S 架構(gòu)的三維可視化項目管理展示系統(tǒng)，使用戶無須安裝其他軟件或插件的情況下即可通過瀏覽器實現(xiàn)三維GIS 環(huán)境的高性能加載及渲染效果，可將場景內(nèi)的高精度BIM 模型或GIS 數(shù)據(jù)作為可視化的數(shù)據(jù)載體，支持多種三維模型的輕量化展示及空間點選查詢，模型掛接對應圖紙等設計數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)分布式存儲系統(tǒng)與施工業(yè)務數(shù)據(jù)掛接。開發(fā)空間量測、區(qū)域標注、屬性添加等GIS 應用（見圖4）。

圖4 BIM+GIS 云平臺

3.2.2 施工方案模擬

傳統(tǒng)的技術(shù)交底一般以文字為主，經(jīng)施工管理人員學習后，用口頭傳授的方式對工人們講解，但由于是口頭傳授，會存在口音與語速等問題，這樣會使施工人員在理解時存在較大的困難，從而會對施工產(chǎn)生極大的安全影響甚至造成不必要的人員財產(chǎn)損失?；诔呔鹊乃淼廊S模型，在技術(shù)交底環(huán)節(jié)可以對重要工點及重難點施工工藝進行施工動畫模擬，生動、直觀地體現(xiàn)各個重難點施工工藝，方便施工工人進行理解，提高施工效率，降低施工事故的發(fā)生率。

3.2.3 隧道BIM 云平臺技術(shù)及應用

基于BIM 信息化平臺可以實現(xiàn)從隧道地質(zhì)BIM 模型到數(shù)值計算模型的轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)建工程區(qū)及隧洞施工過程的三維高精度數(shù)值計算模型。在此基礎(chǔ)上，基于所研發(fā)的高性能數(shù)值計算分析方法，深入開展隧道施工過程精細化計算分析，分析隧道施工過程、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)變形及受力特性，并與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)信息開展隧道圍巖變形強度參數(shù)的反演分析研究，從而保證計算參數(shù)及分析的合理性，實現(xiàn)隧道變形的精細化變形預測，為施工過程及工法優(yōu)化提供可靠的參數(shù)支持，并且可以揭示隧道圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力、變形機制，為工程隧道施工及控制提供理論與技術(shù)支撐。

通過平臺內(nèi)一系列的功能應用，可以在PC 應用終端和移動應用終端實現(xiàn)各種服務。云平臺可以為現(xiàn)場施工人員提供多種基礎(chǔ)服務功能，主要由五大類業(yè)務應用和一個用戶管理模塊構(gòu)成，其中，業(yè)務應用功能模塊主要包括用戶管理模塊、可視化功能模塊、項目與工程信息管理模塊、現(xiàn)場施工管理模塊、監(jiān)測信與預警預報功能模塊（見圖5）[3]。

圖5 隧道BIM云平臺

4 結(jié)語

在新基建熱潮下，隧道建管養(yǎng)平臺也給BIM 技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展帶來了新的機遇，在BIM 技術(shù)運用過程中，將BIM 和隧道施工、實時監(jiān)測以及數(shù)值模擬相結(jié)合，不僅可以通過模型快速進行碰撞檢查，對設計進行理論驗證及方案的快速修改，通過模型進行隧道涌水方案模擬、超前地質(zhì)預報三維模型分析檢測等，還可以使整個施工過程更加科學化，不但提高了施工管理的效率，也使得施工管理成本降低，實現(xiàn)了企業(yè)利益的最大化，推進隧道工程建設的穩(wěn)步發(fā)展。