BIM 技術在廈門海滄隧道施工中的應用

■林瑞慧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

近年來，隨著信息化建模技術的快速發展，BIM技術在建筑施工項目中的應用逐漸普及，對于施工的成本控制、生產效率、工作安全方面都起到重要作用。三維設計BIM 技術是未來設計的趨勢[1]。BIM技術在隧道工程項目中的應用是多方面的，對于項目設計是一次技術突破，同時也改變了傳統的施工方法與運營模式[2]。 隧道工程項目涉及專業眾多，應用BIM 技術可以建立集成交互平臺，精簡各專業之間的項目溝通流程，便于各專業同步完成工作目標[3]。BIM 技術對設計變更內容的反饋效率高， 對模型設計變量的修改能夠快速得到工程量變化反饋結果， 節省了傳統可視化過程中重建模型的時間和成本[4]。對于復雜工程項目的施工，傳統平面設計圖紙所傳遞的信息往往不夠直觀，無法為后期的施工管理提供足夠的工程信息。采用BIM 技術建立的模型可以較為直觀地指導施工，其先進的信息共享也便于施工管理[5]。BIM 技術有效促進社會各方、各專業工作人員之間的協作，從而改變中國建設工程項目風險管理模式。利用BIM 技術生成的模型可以直觀地反映項目現場施工情況，提高施工精度，減少工程材料浪費。 本研究以廈門海滄隧道工程為對象，通過BIM 技術解決傳統隧道工程施工過程中存在的問題，總結歸納BIM 技術在隧道工程中的使用優勢。

1 基于BIM 建模的碰撞檢查

根據業主提供的各專業圖紙為海滄隧道工程項目建立BIM 模型，包括地質模型、隧道模型、施工設備模型及施工場地模型等。 根據設計單位及施工單位提供的構件產品信息進行數據集成，這些信息包括但不限于構件尺寸信息、施工進度信息、造價成本信息、監測數據信息、設備制造及維護信息。 依據BIM 模型在本項目的設計、施工階段進行的碰撞檢測等措施，配合施工方及設計單位進行教學設計優化。海滄隧道BIM 中的碰撞檢測分為硬碰撞和軟碰撞。 硬碰撞指的是項目設計在施工中會出現的結構沖突問題，軟碰撞指的施工條件不滿足設計要求或施工時間節點存在沖突的情況。

針對廈門海滄海底隧道選擇某一段預應力鋼筋和普通鋼筋進行碰撞檢測，預應力鋼束在對預應力構件十分重要，一旦發生結構沖突有兩種情況時常發生。 一種是發現問題后和設計單位及時溝通修改，可能會耽誤工期；另一種是施工單位發現鋼筋碰撞問題后既不上報問題， 也不與設計單位溝通，直接剪切鋼筋或調動預應力鋼束的位置，導致結構受力情況改變，為后期運營埋下了很大的質量安全隱患。 在預制構件內部提取普通鋼筋和預應力鋼筋模型（圖1）進行碰撞檢測。

圖1 碰撞結構

碰撞檢測完之后會產出碰撞檢測報告， 報告以excel 表格形式呈現（圖2），表中每一行代表一處碰撞， 在這一行中會說明是哪兩個構件發生了碰撞、碰撞位置等等，使得結構沖突位置一目了然，節省了大量查閱圖紙復核的時間。

圖2 碰撞檢測報告excel 表格信息

圖2 碰撞檢測報告excel 表格信息顯示廈門海滄海底隧道的橫洞下方有服務洞，一旦服務洞與橫洞交叉發生碰撞則必須要更改項目的設計方案，一旦工程發生變更那么將帶來巨大的經濟、 時間損失。 在檢測過程中發現1 號行車橫洞與襯砌結構發生了碰撞（圖3～4）。 從圖4 的標圈位置可以看出，1 號行車橫洞與襯砌結構發生了交叉， 如果不及時更改設計方案，施工時會造成更大的損失。

圖3 碰撞效果圖

圖4 碰撞結構圖

設計階段采用BIM 技術結合傳統設計，有效控制了圖紙中的各類錯漏。 通過后續的現場反饋，減少了70%以上的現場變更，降低了30%以上的現場協調工作，工作數據查找效率提高了300%。三維協同數字化設計，使設計過程更直觀易懂，提高了約20%的出圖效率。 基于統一數據開展以BIM 模型為載體的數字化移交，對于本項目意義重大。 探測數據三維化， 為設計提供了準確的三維探測數據，及時總結和分析并對現有方案作出相應的修改，積極地應對復雜的現場環境及地質構造。 后續的模型在施工管理中發揮了作用，真正做到了一套模型從設計應用到施工。

2 基于BIM 技術的施工管理

2.1 可視化技術交底

隧道工程的施工交底通常采用設計圖紙配合文字說明。 如果施工人員不能夠準確理解圖紙表達意思而導致施工出現差錯，容易工期延誤或工程返工。 BIM 模型具有直觀、可視化等優點，可以更加具體地指導項目施工，施工人員能夠通過三維模型快速掌握施工內容， 提高了施工技術人員的交底效率。 采用BIM 相關軟件建立海滄隧道模型（圖5），模型的不同顏色段代表不同的圍巖等級。

圖5 海滄隧道三維BIM 整體模型

通過展示BIM 模型，技術人員在與施工人員進行技術交底時，可以快速查看施工細節部位，加深施工人員對現場情況的掌握程度，提高了相互溝通的效率。 在海滄隧道項目過程中，通過BIM 模型查看隧道IV 級圍巖的支護細節部分（圖6），避免因為理解偏差導致工期延誤等問題發生。

圖6 海滄隧道IV 級圍巖BIM 模型支護細節部分

2.2 施工成本控制

運用BIM 技術可以解決傳統模式無法管控工程成本的問題， 可對施工項目進行多方位的成本管理。

2.2.1 優化施工方式

傳統的工程項目進行分包施工時，各個專業分包得到的圖紙往往僅涉及自身專業的相關內容，很難發現與其他專業施工沖突的地方，如果施工沖突嚴重則很有可能耽誤工期、 提高施工成本。 基于BIM 的圖紙優化則會很好地減少甚至避免這種情況的產生。基于BIM 的圖紙優化環節首先進行碰撞檢查，最大程度上避免碰撞點的出現，合理調整各分包專業的施工方式，增強團隊的協作能力。

2.2.2 計算工程量準確

從管理施工成本的角度考慮，工程量的相關信息與工程款結算掛鉤， 需要統計大量施工數據，對傳統的計算方式造成一定困難。 BIM 模型中包含了大量的項目部件及構件信息，可以快速計算工程設計用量， 解決了圖紙統計工程量的不確定性問題，方便項目成本管理工作的開展。

2.2.3 成本管理精細化

施工技術人員可以通過采集BIM 模型提供的施工時間、 工作區域及工程完成情況來評估工程量。 由于材料費用占據約工程總造價的50%～60%，因此施工材料的管控工作十分重要。通過BIM 技術創建工程材料關聯數據庫，能夠對各類材料的需求用量進行精準統計，便于施工管理者實行進行限額領料政策。圖7 為海滄隧道項目利用BIM 管理平臺制作的材料管控表，項目相關單位的工作人員均有權限調取該項目的材料使用記錄，減少了工程材料的浪費現象，實現了成本的精細化管理。

圖7 海滄隧道材料管控圖

BIM 的理念和技術融入傳統工作流程，才能保證基于BIM 技術的施工階段成本管理工作順利進行。 因此，要將主要的成本管理工作具體化、精細化，完善成本管理工作流程，最終實現如圖8 所示的階段性成本管理流程。 與通常施工成本控制分為事前成本計劃、 過程成本控制和階段性成本分析3 個階段一樣，基于BIM 的施工階段成本管理也分為3 個階段， 在具體實施中以傳統流程為主，BIM技術為輔助手段，并明確成本管理工作分解及任務分工。

圖8 階段性成本管理流程

工程成本的控制中單位的施工效益、材料的進價成本及消耗都是決定因素。 在廣聯達BIM5D 軟件中可以統計隧道材料工程量，以及材料成本和資源消耗，指導編制物資供應和采購計劃。 項目部相關人員可以隨時查看統計隧道工程用量，使得審核過程有效可靠，實現真正的限額領料，方便實現項目管理過程的實時三算對比。 在軟件視口屬性中選擇需要查詢的時間段， 根據匹配好的構件屬性，選擇資源、資金曲線，自動生成折線圖。 在本次項目應用過程中統計了混凝土用量及消耗成本，并且對混凝土消耗成本作出實際與計劃的對比，統計查看了2018 年8 月初至2018 年9 月底隧道工程量的數據（圖9～10），與實際材料進行對比參考。

圖9 混凝土實際與計劃用量資源曲線

根據模擬結果顯示，從2017 年3 月起至2018 年1 月，混凝土的用量計劃8 380 m3左右，實際用量6 075 m3左右， 比計劃用量少2 000 m3。 計劃資金消費7 000 萬元左右， 實際消費金額4 000 萬元左右。 數據顯示混凝土材料消耗實際比預算金額消耗更少。 再根據圖10 顯示進度，工程施工建設進度嚴重落后，說明項目管理方人員在這個時間段對建設進度及資金消耗的把控欠佳， 需要及時調整計劃。BIM 技術對項目管理方控制資金成本起到了一定的作用。

圖10 混凝土實際與計劃消耗資金曲線

2.3 施工進度控制

施工進度控制是在項目施工過程中不斷調整施工速率的過程。 通過研究BIM-4D 模型結合實際項目施工進度數據， 制定合適的進度調整方案，對隧道施工項目進度進行優化。 BIM 模型可對指定的不同施工進度計劃進行模擬分析， 從中選擇更加合理的項目計劃。 BIM 技術的引入改變了傳統紙質描述施工進度的觀感， 為項目施工進度控制帶來新體驗。

2.3.1 優化項目施工的實施進度

通過施工過程模擬可以預先判斷未來的施工進度狀況，通過對比實際施工與計劃施工模擬進度的差距，及時調整施工速度與人員按排，施工模擬也可以檢測施工項目安排任務是否存在沖突。 傳統進度優化需要根據目前施工進度進行預估分析，在方案調整上較為被動，引入BIM 技術的施工進度調整具有主動性， 可以提早進行動態調整。 BIM-4D技術所展現的實際施工進度數據， 不受外界因素影響而導致數據無法收集。BIM-4D 技術能夠收集大量施工信息數據， 相對于施工管理者的經驗優化方式， 以BIM 技術為基礎的進度優化分析更加全面精細。

2.3.2 提高人員工作的協同交流效率

通過BIM 模型傳遞的信息便于各專業人員相互交流，提高工作人員的協同交流效率。BIM-4D 信息集成系統建立了可供各方面工作者交流查閱的信息平臺，將傳統一對一的交流方式改為不受時間空間限值的網點式交流。 在信息平臺上所有與項目相關的資料都是一致的，避免了各單位資料不統一的情況發生；依靠BIM 信息平臺的交流溝通，保證了項目施工進度協同調整的準確性，提高了團隊施工進度管理能力。

2.3.3 減少項目施工的進度損耗

BIM-4D 技術設計相對于平面圖紙繪制較復雜，但是采用BIM 模型進行前期設計可提前解決施工階段可能發生的問題，采用碰撞檢測等技術能夠提前預估施工過程中可能出現的施工風險事件，通過提前調整施工方案或變更設計圖紙可以減少施工時間的浪費并在無形中降低了人力物力消耗。 目前我國的一線施工工人文化水平普遍不高，在隧道施工過程中存在技術交底困難的問題，通過BIM 模型可以讓工人快速了解自己的工作任務和施工目標，在確保施工質量的同時也提高了施工效率。

2.3.4 實現可視化施工過程模擬。

施工進度工程管理通常采用網絡計劃圖進行表述， 但是此類描述方法往往缺乏直觀的內容表達， 大型工程項目的網絡計劃圖往往過于復雜，很難讓施工管理人員第一時間理清施工任務之間的邏輯關系。 利用BIM 技術虛擬項目施工建設，通過反復模擬施工過程，管理隧道工程施工進度，在施工階段提前模擬可能發生的問題，逐步修改，提前制定對策，優化進度和施工方案，指導實際工程施工。 比較計劃方案和實際施工進度，項目建設進度將隨時調整，確保項目建設順利完成。

海滄隧道施工進度動態模擬結果見圖11，在2017 年3 月計劃施工開始到2018 年5 月期間，隧道左側開挖進尺過慢，嚴重影響施工進度。 紅色標識里程段都屬于未能如期按照計劃施工的部分，黃色標識里程段表示正在施工，灰色標識里程段表示已經完工。 從施工項目整體把握施工進度節奏，分析施工延遲落后的原因，方便管理人員及時調整施工計劃。

圖11 隧道項目整體施工進度計劃過程方案模擬

3 總結

綜上所述，本項目將BIM 技術應用到海滄隧道工程之中，其應用效果如下：（1）設計階段采用BIM技術結合傳統設計，有效地控制了圖紙中的各類錯漏。 （2）依托本工程，項目組自主研發了“基于BIM技術的隧道安全施工三維可視化管理”，基于此平臺， 可以在施工現場查看隧道各部位的細節并進行可視化交底；管理施工信息模型和資料共享，及時糾正施工時發生的錯誤并提高溝通效率； 模擬項目施工進度和施工工法，找出問題并及時糾正；對預制構件進行管理， 防止因構件不合格而延誤工期。