基于三維建筑信息模型的大型隧道施工精細化管理應用研究

姚金悅，閔劍勇，嚴紫薇，羅桑

（1.東南大學交通學院；2.江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心；3.東南大學智能運輸系統研究中心）

1 引言

隨著交通基礎設施建設質量要求與數字化管理需求的日益提高，智慧交通技術已逐漸深入城市基礎設施管理的各個環節。在交通強國與新基建的時代背景下，智慧交通的發展與大數據、互聯網、人工智能等信息化手段息息相關。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術作為一種數字化管理手段，在交通基礎設施領域得到了積極應用，為交通基礎設施行業的信息化變革提供了解決途徑。BIM技術的核心是運用智能數字表示建筑物，可以實現對建筑對象的可視化管理。BIM技術對施工而言的應用價值體現在區別于傳統二維圖紙的施工精細化管理，從設計、建造、管理三個層面提高了工程建造效率，并增強了施工安全性[1]。我國BIM技術起步較晚，目前仍處于發展期，產生了大量的工程建設應用成果，但是當前BIM技術工程探索多傾向于工程三維模型視覺效果展示，應用范圍窄、深度淺、落地效果較差，研發和標準化尚屬于起步階段。目前BIM技術大多應用于建筑施工領域，而隧道工程具有地形及水文地質條件復雜、作業面多、質量問題隱蔽性強、工序轉換方法復雜等特點，安全性保證難度大，實施時不能照搬建筑業中已成熟的BIM技術路線，亟需對BIM技術在項目建設管理中的應用進行深入的研究和探索[2]。

本文依托312國道蘇州東段改擴建工程園區段草鞋山隧道工程項目，基于創建高精度BIM模型，探索了快速化工程量統計、主體結構鋼筋模型碰撞檢驗、綜合管線碰撞檢驗、可視化進度管理等BIM技術，對大型隧道工程數字化建設進行了深入研究與應用。研究成果有效提升了工程建設效率與現場施工精細化水平，對BIM等信息化技術在我國交通基礎設施建設工程中的綜合應用提供了實踐參考。

2 BIM精細化管理的優勢

隧道施工中需要考慮到地面上部建筑與地下水文地質條件等因素的影響，施工距離長導致工程周期持續較久，如何進行充分的協調以實現高效施工管理是本研究擬解決的關鍵問題。應用BIM技術進行精細化管理的優勢主要體現在幾方面。

1）模型精細度高

根據隧道施工澆注順序、基坑劃分、變形縫劃分等原則進行了隧道組成構件的解構與拆分[3]。建立的BIM模型具備LOD400級別精度，滿足隧道施工高精度建模、數字化管理的需求。

2）地形數據深度融合

兼顧三維建筑信息模型與城市地理數據對象的表達，實現了地形參數層、衛星底圖層、實景模型層與BIM模型之間的數據融通。應用BIM和GIS集成的三維數據模型突破傳統建筑信息數據分散式存儲的瓶頸，實現多層次空間數據的可視化表達。

3）工程成本優化

基于多原則劃分建立的高精度BIM模型為工程量的自動化統計提供了實施基礎，相比傳統施工工程量統計，具備提前規劃、及時調整、高效算量等優勢，從而實現工程建設成本的優化。

4）多專業設計協調

傳統的二維施工圖紙在空間優化與協調上具有一定的局限性，各專業設計圖紙錯綜復雜，施工人員難以直接發現潛在的設計沖突問題。應用BIM三維碰撞檢測可以及時糾偏設計沖突問題，有效縮短施工工期。

5）工程進度及時管理

應用高精度BIM與施工工期計劃掛接，實現施工進度模擬、進度查看、進度預警等可視化功能，通過時空域異構數據的4D分析提升工程效率。

3 BIM模型創建

3.1 創建高精度BIM模型

研究依托的312國道蘇州東段改擴建工程園區段全長約4.47km，采用雙向六車道一級公路標準，設計速度為80km/h，總投資約13.512億元。主線向下以隧道形式穿過唯勝路、夷亭路、華誼影城出入口和滬寧高速陽澄湖出入口道路后起坡接地。陽澄湖大道隧道主線全長2180m，采用明挖順作法施工。

選用Bentley Microstation作為建模平臺，對外部環境、陽澄湖隧道施工主體結構，以及陽澄湖隧道設備用房及其他臨時設施等進行BIM建模。主體結構根據設計要求分為主線敞開段、主線暗埋段、匝道敞開段、匝道暗埋有隔墻段等四種形式。

3.2 融合GIS環境模型

實景建模依據陽澄湖隧道施工涉及的施工場地布置優化、施工安全等需求，以建成后的隧道位置為中心，沿縱向兩邊各1km、沿橫向方向兩邊各200m劃定為隧道實景建模區域，借助無人機搭載智能相機并采用傾斜攝影的方式，可以對隧道實景模型區域進行圖像和GIS數據采集，生成隧道施工所需三維實景模型。直觀的三維實景模型可以提供縮放、轉化等視角，為項目外業勘測提供更為全面的周邊環境信息和可靠數據，并為項目后期三維應用與工程分析提供基本數據[4]。

4 基于高精度BIM模型的深度施工應用

4.1 工程量統計校核

工程量統計是編制工程預算的基礎工作，準確、快速地統計工程量是設項目工程量經濟管理和工程造價控制的首要工作，而傳統的工程量統計方法通常以二維設計圖紙為依據，僅僅標注構件的尺寸，無法體現構件之間的三維空間關系，具有工作量大、費時、繁瑣、要求嚴謹等特點，計算過程中容易出現錯誤[5]。利用BIM技術輔助進行工程量清單統計與復核可以大大減輕工作量，幫助將工程計量失誤率縮小至±0.2%，大幅度減少人為因素對工程量計算工作的影響，快速為管理人員提供更加客觀的數據。

BIM工程師根據項目工程量統計需求，利用Microstation對審核通過后的高精度BIM模型進行清單統計和屬性導出處理，可以在不同階段快速準確地針對項目預埋洞口、預埋件、混凝土、鋼筋、管線等構件自動生成工程量清單，幫助進行工程量復核。基于此，BIM工程師可以實時按照區段、時間等不同條件查詢各種材料和工程量并生成報表，提供項目各個分項或總體算量書[6]。工程建設材料管理部門和工程部可以及時得到工程量統計結果，從而更加合理地確定材料進場的時間和數量，并根據合同范圍查詢對應模型工程量清單，進行預埋洞口及預埋件復核工作與混凝土、鋼筋、管線等分項工程量的復核工作，優化項目質量與進度管理。

本項目基于高精度BIM模型進行工程量自動算量統計，主體結構工程量統計對比如表1所示。由表可見，BIM工程量與施工實際工程量統計的偏差不超過5%。上述主體結構工程量統計對比可直觀地看出BIM工程量統計與實際吻合度較高，對實際施工具有較好的指導意義。

表1 主體結構BIM工程量與實際工程量統計對比

4.2 碰撞檢驗

通常來說，隧道需要配備多種管道，涉及多個專業，由于傳統的二維圖紙可視化有限性以及在高程上的表達缺陷，管線與結構構件之間或設備管線之間容易發生碰撞，隧道通風、排水、安全等各專業只能獨立進行設計，難免出現錯漏碰缺問題。本文使用Bentley Navigator軟件，利用BIM模型，將施工建筑、結構模型與機電安裝各專業模型整合在一起，可以進行隧道主體機電與管線單專業或多專業之間全面的三維碰撞檢驗，直觀定位管線綜合中的沖突問題并精確復核，形成包括具體碰撞位置以及碰撞點碰撞類型的檢測報告，提高隧道施工中的風險識別。

對于節點復雜和專業工程交叉多的部分，在施工前應用BIM模型進行碰撞檢查，提前優化多專業協同設計，可以避免和協調解決問題，在設計階段即可更改錯誤，減少或消滅在工程施工過程中發生工程碰撞的可能性，盡可能消除工程設計、建設中的各類“差、錯、漏、碰”問題，減少項目施工工程量和不必要的工程浪費，保證項目施工的正常推進（見表2）。

表2 典型碰撞類型

隧道主體結構鋼筋碰撞數量較大，涉及鋼筋種類多，主要集中在中隔墻的頂部與底部、側墻底部。鋼筋碰撞沖突主要原因為在二維圖紙設計過程中，設計圖紙中部分鋼筋與縱向分布筋發生了重疊。本項目共完成隧道主體結構81段主體結構LOD400級別鋼筋模型建立，采用不同顏色標記不同類型鋼筋，進行模型交底，并以高精度鋼筋模型為基礎進行隧道全線鋼筋碰撞檢驗，共發現鋼筋碰撞60077處，合計1053t。

4.3 可視化進度模擬

傳統進度計劃通常在工程正式施工之前，憑借編制人員根據工作經驗確定工作邏輯關系和持續時間，準確率不高，難以預測施工過程中的難點問題，對于較為復雜的工程項目進度管理會產生一定程度的不良影響。BIM可視化技術可以集成各類數據信息以及施工過程，本項目使用Navigator的Schedule Simulation模塊，導入Microsoft Excel或者Microsoft Proj‐ect等主流的項目進度組織計劃軟件中指定的進度計劃，以BIM構件唯一編碼為紐帶，實現進度計劃與工程構件自動映射，從而實現BIM施工管理平臺web端進度可視化展示，即4D（時間+3D模型）模擬（見圖1）。借助BIM建設管理平臺Web端與移動端形成“進度模擬—手機端上傳施工日志—進度匯報—進度預警—進度計劃調整”的完整管理閉環，實現計劃進度的模擬、進度可視化展示、進度跟蹤檢查、實際進度的動態更新與兩者之間的對比、進度預警與輔助偏差分析，輔助管理者進行施工計劃調整與決策。

圖1 進度可視化模擬

5 結語

以312國道蘇州東段改擴建工程園區段YQ312-SG1標段陽澄湖大道隧道工程項目為依托，形成了集BIM應用規劃、BIM應用標準、BIM設計協同、BIM深度施工應用、BIM云平臺為一體的項目建設全過程應用體系，竣工模型及項目管理平臺數據均可平滑交付至項目運維平臺，實現了LOD500級別模型工程應用，有效降低施工耗能，節省項目材料、人工、機械臺班費用16%以上，在探究BIM深度應用的基礎性，實現了項目管理手段由“人工式”向“信息化、智能化”的突破，為同類工程問題提供了新的解決思路。