許墨陶，龐 琦，葛瑞華，孫 陽，李爾康

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司數(shù)字與智慧工程院，陜西 西安 710054)

0 引言

如今，隨著國家對工程信息化的重視程度提高，陸續(xù)出臺了相關(guān)政策來促進(jìn)BIM技術(shù)以及信息化技術(shù)的發(fā)展[1]。隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)在設(shè)計及施工方面的優(yōu)越性也日漸凸顯，如BIM模型的可視化、屬性信息的集成化、數(shù)據(jù)信息的無障礙共享化等，可幫助各參建方更好更快地了解和掌握建設(shè)項(xiàng)目的施工情況，近幾年在水利水電、高速公路、地下洞庫等工程已有廣泛應(yīng)用。

在國內(nèi)，廖云江、王超、王紅軍等[2]以兩河口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程為例，利用BIM技術(shù)，建立集成施工信息地下洞室群BIM模型。于琦、王紅軍、歐陽樂穎[3]在三維設(shè)計的基礎(chǔ)上,通過引入BIM思想研發(fā)地下洞室預(yù)警系統(tǒng)。趙琳、張軒、陳鵬飛[4]在京張高鐵八達(dá)嶺車站工程中運(yùn)用BIM技術(shù)建立地下洞室模型有效提升設(shè)計效率。中國電建西北院發(fā)明了一種基于BIM的地下洞室地質(zhì)預(yù)報的方法[5]。姚寶[6]使用revit軟件，實(shí)現(xiàn)地下車庫排水溝、車位、充電設(shè)備等設(shè)計優(yōu)化，提高了工程質(zhì)量水平。沙莎[7]結(jié)合實(shí)際道路建設(shè)項(xiàng)目，基于BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了BIM模型的創(chuàng)建以及管理平臺的搭建。

然而，在地下洞室施工過程中，一方面由于地下洞室圍巖類別的復(fù)雜性，無法根據(jù)前期地質(zhì)勘探情況判斷出地下洞室準(zhǔn)確的圍巖類別并一次性建立準(zhǔn)確的地下洞室施工BIM模型；另一方面隨著地下洞室的開挖掘進(jìn)，需對不同施工狀態(tài)的地下洞室BIM模型進(jìn)行快速動態(tài)管理，以提高模型的辨識度，進(jìn)而更好地指導(dǎo)施工。

為解決上述問題，在中國電力建設(shè)股份有限公司科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助下，本文基于BIM輕量化技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)時動態(tài)更新地下洞室施工BIM模型并直觀展示圍巖類別屬性信息與實(shí)際施工進(jìn)度的地下洞室施工模型的管理方法研究，并在某地下洞室施工過程中成功應(yīng)用，更好地指導(dǎo)了現(xiàn)場進(jìn)行進(jìn)度管理與施工[8]。

1 動態(tài)管理方法設(shè)計

該方法將地下洞室輕量化BIM模型作為地質(zhì)信息和施工信息的可視化載體，隨著地下洞室的開挖掘進(jìn)，同時，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)揭露情況及編錄成果，實(shí)時動態(tài)更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息，將不同的圍巖類別和實(shí)際施工進(jìn)度狀態(tài)在地下洞室輕量化BIM模型上用不同的顏色和透明度進(jìn)行呈現(xiàn)，可為管理者提供清晰明了、可視化的地下洞室施工決策依據(jù)。

該方法邏輯圖如圖1所示。

該方法的主要步驟如下：

步驟一：根據(jù)已知地質(zhì)資料通過BIM軟件建立地下洞室施工BIM模型。

步驟二：利用輕量化轉(zhuǎn)換工具將地下洞室施工BIM模型轉(zhuǎn)換為地下洞室施工輕量化BIM模型。

步驟三：將輕量化模型上傳至網(wǎng)頁端地下洞室施工管理平臺中。

步驟四：將圍巖類別信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息與輕量化模型關(guān)聯(lián)掛接。

步驟五：將不同的圍巖類別和實(shí)際施工進(jìn)度狀態(tài)在地下洞室施工管理平臺中分別預(yù)設(shè)對應(yīng)的顯示顏色與透明度。

步驟六：可視化展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度情況。

步驟七：在地下洞室開挖過程中，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)揭露情況及編錄成果與實(shí)際施工進(jìn)度，實(shí)時動態(tài)更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實(shí)際施工進(jìn)度信息。

該方法可對地下洞室BIM模型進(jìn)行實(shí)時快速動態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)地下洞室BIM模型顏色與透明度隨著圍巖類別和實(shí)際施工狀態(tài)的變化自動添加/修改與顯示，直觀展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度，省去模型的再處理工作，不需要人工手動進(jìn)行操作，提高了工作效率與模型的辨識度，可更好地指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行進(jìn)度管理與施工，為決策者提供可視化的施工決策信息。

通過實(shí)時收集地下洞室施工過程信息，動態(tài)反饋到輕量化模型中指導(dǎo)施工，再收集施工過程信息反饋到輕量化模型的一個反復(fù)過程，形成一個正反饋的邏輯閉環(huán)。

2 應(yīng)用案例

某水電工程采用壩式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，對上游水電站反調(diào)節(jié)，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，電站建成后，每年可實(shí)現(xiàn)直接產(chǎn)值約12億元，經(jīng)濟(jì)效益較顯著。水電站擋水建筑物為建造在深厚覆蓋層上的混凝土面板堆石壩，泄洪建筑物由右岸2孔開敞式岸邊溢洪道和1條泄洪放空洞組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸山體中，由電站進(jìn)水口、輸水隧洞、地下廠房、主變洞、尾水閘門操作室、尾水隧洞、尾水渠和地面GIS開關(guān)站組成。本工程洞室較多，右岸有導(dǎo)流洞、泄洪放空洞，左岸引水發(fā)電系統(tǒng)均在地下，軟弱夾層發(fā)育，尤其是左岸地下廠房部位發(fā)育有兩條規(guī)模較大的軟弱條帶及平緩斷層，對地下廠房穩(wěn)定有一定影響，因此存在地下洞室圍巖的穩(wěn)定問題。本文利用上述方法在該水電工程地下洞室群施工中成功應(yīng)用，取得較好的使用效果。

2.1 地下洞室BIM模型創(chuàng)建與輕量化轉(zhuǎn)換

本文根據(jù)某水電工程現(xiàn)有工程資料，采用達(dá)索公司旗下3DE平臺，建立施工三維模型和地質(zhì)三維模型。但因3DE軟件專業(yè)化程度高，只能通過桌面端軟件程序打開三維模型，模型體量大，所占系統(tǒng)內(nèi)存多，無法上傳到網(wǎng)頁端管理平臺中進(jìn)行管理與查看。施工現(xiàn)場硬件條件有限，為方便現(xiàn)場工程管理人員可在個人電腦上查看、操作地下洞室BIM模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型指導(dǎo)工程管理可落地、可應(yīng)用。故首先需要將專業(yè)軟件中的BIM模型輕量化處理，轉(zhuǎn)化為網(wǎng)頁端也可查看操作的輕量化BIM模型。

本文通過電建西北院自主研發(fā)BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換插件，對BIM模型實(shí)施輕量化轉(zhuǎn)換，可在3DE平臺中將模型直接轉(zhuǎn)換為.b3d輕量化模型數(shù)據(jù)格式，壓縮比最高可達(dá)100∶1，且模型精度不降低，模型展示效果不受影響。BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換插件如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)研發(fā)

本文在React框架下，采用WebGL技術(shù)在HTML5頁面上建成了Web端施工模型管理平臺。本平臺主要包含以下4個模塊：

1)施工模型管理模塊，其主要功能為：管理輕量化模型的上傳、模型操作等。

2)模型信息管理模塊，其主要功能為：管理輕量化模型圍巖類別屬性、施工屬性掛接等。

3)施工任務(wù)管理模塊，其主要功能為：管理輕量化施工模型施工任務(wù)、施工進(jìn)度等信息等。

4)形象進(jìn)度模擬模塊，用于可視化展示地下洞室的圍巖類別及其分布與實(shí)際施工進(jìn)度。

平臺整體用于整體協(xié)調(diào)統(tǒng)籌模塊之間的信息傳遞。

2.3 輕量化模型上傳及屬性掛接

模型輕量化后通過施工模型管理模塊上傳至Web端平臺，仍能保留輕量化前的模型結(jié)構(gòu)樹。通過模型信息管理模塊將圍巖類別信息上傳至平臺后，在模型結(jié)構(gòu)樹或地質(zhì)模型構(gòu)件上添加對應(yīng)屬性信息即可完成輕量化地質(zhì)模型與對應(yīng)信息的掛接工作。輕量化模型和對應(yīng)屬性在平臺上的展示如圖3所示。

然后將BIM模型對應(yīng)的施工進(jìn)度信息導(dǎo)入模型信息管理模塊中。

2.4 圍巖類別顏色與透明度的預(yù)設(shè)

在施工模型管理平臺中，按照工程資料以及提前設(shè)定的規(guī)則，對圍巖類別屬性和施工狀態(tài)分別預(yù)設(shè)對應(yīng)的顏色及透明度，使得在可視化模型展示時，圍巖和施工狀態(tài)的顏色及透明度能夠隨著圍巖類別屬性和施工狀態(tài)的更新自動變化。省去模型的再處理工作，不需要人工手動進(jìn)行操作，提高了工作效率與模型的辨識度。

2.5 可視化展示施工進(jìn)度

當(dāng)前洞室工程項(xiàng)目管理中經(jīng)常用于表示進(jìn)度計劃的甘特圖，由于專業(yè)性強(qiáng)、可視化程度低，無法清晰描述施工進(jìn)度以及各種復(fù)雜關(guān)系，難以準(zhǔn)確表達(dá)工程施工的動態(tài)變化過程。本文將BIM與施工組織計劃相連接，將空間信息、時間信息與資源信息整合在一個可視的5D模型中，直觀、精確地反映整個地下洞室施工過程。通過可視化展示可以在地下洞室建造過程中合理制定施工計劃、5D精確掌握施工進(jìn)度，優(yōu)化使用施工資源以及科學(xué)地進(jìn)行場地布置，對整個工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理、控制，以縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量。

在某水電工程中的具體應(yīng)用如下：

1)地下洞室施工任務(wù)建立。

Web端施工模型管理平臺支持工程控制性節(jié)點(diǎn)進(jìn)度、年度進(jìn)度、月度進(jìn)度的導(dǎo)入、查詢。支持Project，EXCEL等格式進(jìn)度數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

在系統(tǒng)內(nèi)也可以新建/添加/刪除施工任務(wù)，任務(wù)可分母子級。

在任務(wù)條目中可填入(導(dǎo)入)對應(yīng)的計劃開始時間、計劃結(jié)束時間、計劃持續(xù)時間、計劃工程量等計劃信息。

系統(tǒng)中根據(jù)計劃可以有配套的甘特圖進(jìn)行管理，系統(tǒng)有日歷以及對應(yīng)的時刻針功能。

2)任務(wù)與模型關(guān)聯(lián)。

平臺支持通過手動或自動關(guān)聯(lián)(按照編碼或指定規(guī)則)的方式，將計劃任務(wù)與模型構(gòu)件相互關(guān)聯(lián)。模型需提前根據(jù)地下洞室開挖計劃，以開挖單元為模型顆粒度，進(jìn)行拆解和細(xì)化。

3)施工進(jìn)度可視化展示。

進(jìn)度計劃編制完成，并綁定模型構(gòu)件后，平臺可以根據(jù)計劃開始時間、計劃結(jié)束時間對項(xiàng)目進(jìn)行可視化展示。

將進(jìn)度關(guān)聯(lián)到模型上并通過模型展示出來(見圖4)，可按照時間段查看計劃進(jìn)度進(jìn)展情況，或可以任意拖拽時刻針至任意時刻，查詢?nèi)我鈺r刻的模型計劃進(jìn)度形象。

2.6 圍巖類別信息和實(shí)際施工進(jìn)度動態(tài)反饋

隨著地下洞室開挖施工的推進(jìn)，實(shí)際地質(zhì)揭露情況和實(shí)際施工進(jìn)度也在不斷動態(tài)變化，產(chǎn)生的信息動態(tài)更新到Web端施工模型管理平臺，模型也隨著信息的更新動態(tài)變化。在某水電工程具體實(shí)現(xiàn)如下：

1)地質(zhì)信息更新。

隨著施工階段地質(zhì)編錄的深入，依托開挖過程中編錄成果，按照一定頻次(可取洞室開挖單位工程編錄完成后一周內(nèi))對地下洞室圍巖類別信息進(jìn)行更新。平臺根據(jù)更新的信息自動修改地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)模型顏色及透明度，并將其輕量化成果上傳至系統(tǒng)中，模型編碼不變，直接覆蓋原模型，顯示最新版本，并保存歷史版本(見圖5)。

2)實(shí)際施工進(jìn)度信息更新。

施工進(jìn)度信息包括實(shí)際開始時刻、實(shí)際結(jié)束時刻、實(shí)際持續(xù)時刻以及實(shí)際工程量等。實(shí)際施工進(jìn)度填寫在定制的表格中，上傳至平臺后，施工進(jìn)度信息會自動映射到對應(yīng)的模型構(gòu)件上。管理人員便可以按照時間段查看實(shí)際進(jìn)度進(jìn)展情況，或可以任意拖拽時刻針至任意時刻，查詢?nèi)我鈺r刻的模型實(shí)際進(jìn)度形象。

隨著項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度進(jìn)展反饋，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)條目的計劃開始時間與實(shí)際開始時間、計劃結(jié)束時間與實(shí)際結(jié)束時間對比，每項(xiàng)工作任務(wù)將有對應(yīng)的計劃模擬與實(shí)際進(jìn)度的對比分析，如提前1 d完成或已推遲10 d等，系統(tǒng)可以自動導(dǎo)出進(jìn)度對比報表。

系統(tǒng)可以采用兩個窗口播放的形式，如左側(cè)窗口是計劃進(jìn)度模擬仿真窗口，右側(cè)窗口是實(shí)際進(jìn)度窗口，可以雙窗口同步播放，視覺上獲取進(jìn)度的差別(見圖6)。

3 結(jié)語

本文創(chuàng)新性地提出了一種基于BIM技術(shù)的地下洞室施工模型動態(tài)管理方法，將抽象的地下洞室地質(zhì)信息和施工信息可視化展示，并根據(jù)實(shí)際施工情況動態(tài)反饋到平臺中，讓施工模型自動動態(tài)更新，并在某地下洞室工程中成功實(shí)踐，探索出該方法行之有效的實(shí)現(xiàn)路徑。解決了手動更新模型效率低，工程管理中決策依據(jù)不直觀等問題，有效提升地下洞室施工決策效率，增加資源分配和資源投入合理性，該方法具有良好的推廣前景。