地下洞室施工模型動態管理方法研究

許墨陶，龐 琦，葛瑞華，孫 陽，李爾康

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司數字與智慧工程院，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，陸續出臺了相關政策來促進BIM技術以及信息化技術的發展[1]。隨著BIM技術的快速發展，BIM技術在設計及施工方面的優越性也日漸凸顯，如BIM模型的可視化、屬性信息的集成化、數據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項目的施工情況，近幾年在水利水電、高速公路、地下洞庫等工程已有廣泛應用。

在國內，廖云江、王超、王紅軍等[2]以兩河口水電站引水發電系統工程為例，利用BIM技術，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]在三維設計的基礎上,通過引入BIM思想研發地下洞室預警系統。趙琳、張軒、陳鵬飛[4]在京張高鐵八達嶺車站工程中運用BIM技術建立地下洞室模型有效提升設計效率。中國電建西北院發明了一種基于BIM的地下洞室地質預報的方法[5]。姚寶[6]使用revit軟件，實現地下車庫排水溝、車位、充電設備等設計優化，提高了工程質量水平。沙莎[7]結合實際道路建設項目，基于BIM+GIS技術實現了BIM模型的創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雜性，無法根據前期地質勘探情況判斷出地下洞室準確的圍巖類別并一次性建立準確的地下洞室施工BIM模型；另一方面隨著地下洞室的開挖掘進，需對不同施工狀態的地下洞室BIM模型進行快速動態管理，以提高模型的辨識度，進而更好地指導施工。

為解決上述問題，在中國電力建設股份有限公司科技項目經費資助下，本文基于BIM輕量化技術，進行了實時動態更新地下洞室施工BIM模型并直觀展示圍巖類別屬性信息與實際施工進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用，更好地指導了現場進行進度管理與施工[8]。

1 動態管理方法設計

該方法將地下洞室輕量化BIM模型作為地質信息和施工信息的可視化載體，隨著地下洞室的開挖掘進，同時，根據實際地質揭露情況及編錄成果，實時動態更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實際施工進度信息，將不同的圍巖類別和實際施工進度狀態在地下洞室輕量化BIM模型上用不同的顏色和透明度進行呈現，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。

該方法邏輯圖如圖1所示。

該方法的主要步驟如下：

步驟一：根據已知地質資料通過BIM軟件建立地下洞室施工BIM模型。

步驟二：利用輕量化轉換工具將地下洞室施工BIM模型轉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際施工進度信息與輕量化模型關聯掛接。

步驟五：將不同的圍巖類別和實際施工進度狀態在地下洞室施工管理平臺中分別預設對應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際施工進度情況。

步驟七：在地下洞室開挖過程中，可根據實際地質揭露情況及編錄成果與實際施工進度，實時動態更新地下洞室輕量化BIM模型的圍巖類別屬性信息和實際施工進度信息。

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

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

2 應用案例

某水電工程采用壩式開發，開發任務以發電為主，對上游水電站反調節，并促進地方經濟社會發展，電站建成后，每年可實現直接產值約12億元，經濟效益較顯著。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。輸水發電系統布置在左岸山體中，由電站進水口、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開關站組成。本工程洞室較多，右岸有導流洞、泄洪放空洞，左岸引水發電系統均在地下，軟弱夾層發育，尤其是左岸地下廠房部位發育有兩條規模較大的軟弱條帶及平緩斷層，對地下廠房穩定有一定影響，因此存在地下洞室圍巖的穩定問題。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用，取得較好的使用效果。

2.1 地下洞室BIM模型創建與輕量化轉換

本文根據某水電工程現有工程資料，采用達索公司旗下3DE平臺，建立施工三維模型和地質三維模型。但因3DE軟件專業化程度高，只能通過桌面端軟件程序打開三維模型，模型體量大，所占系統內存多，無法上傳到網頁端管理平臺中進行管理與查看。施工現場硬件條件有限，為方便現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，實現BIM模型指導工程管理可落地、可應用。故首先需要將專業軟件中的BIM模型輕量化處理，轉化為網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BIM模型輕量化轉換插件，對BIM模型實施輕量化轉換，可在3DE平臺中將模型直接轉換為.b3d輕量化模型數據格式，壓縮比最高可達100∶1，且模型精度不降低，模型展示效果不受影響。BIM模型輕量化轉換插件如圖2所示。

2.2 系統研發

本文在React框架下，采用WebGL技術在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)施工任務管理模塊，其主要功能為：管理輕量化施工模型施工任務、施工進度等信息等。

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

平臺整體用于整體協調統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構樹。通過模型信息管理模塊將圍巖類別信息上傳至平臺后，在模型結構樹或地質模型構件上添加對應屬性信息即可完成輕量化地質模型與對應信息的掛接工作。輕量化模型和對應屬性在平臺上的展示如圖3所示。

然后將BIM模型對應的施工進度信息導入模型信息管理模塊中。

2.4 圍巖類別顏色與透明度的預設

在施工模型管理平臺中，按照工程資料以及提前設定的規則，對圍巖類別屬性和施工狀態分別預設對應的顏色及透明度，使得在可視化模型展示時，圍巖和施工狀態的顏色及透明度能夠隨著圍巖類別屬性和施工狀態的更新自動變化。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 可視化展示施工進度

當前洞室工程項目管理中經常用于表示進度計劃的甘特圖，由于專業性強、可視化程度低，無法清晰描述施工進度以及各種復雜關系，難以準確表達工程施工的動態變化過程。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精確掌握施工進度，優化使用施工資源以及科學地進行場地布置，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理、控制，以縮短工期、降低成本、提高質量。

在某水電工程中的具體應用如下：

1)地下洞室施工任務建立。

Web端施工模型管理平臺支持工程控制性節點進度、年度進度、月度進度的導入、查詢。支持Project，EXCEL等格式進度數據的導入。

在系統內也可以新建/添加/刪除施工任務，任務可分母子級。

在任務條目中可填入(導入)對應的計劃開始時間、計劃結束時間、計劃持續時間、計劃工程量等計劃信息。

系統中根據計劃可以有配套的甘特圖進行管理，系統有日歷以及對應的時刻針功能。

2)任務與模型關聯。

平臺支持通過手動或自動關聯(按照編碼或指定規則)的方式，將計劃任務與模型構件相互關聯。模型需提前根據地下洞室開挖計劃，以開挖單元為模型顆粒度，進行拆解和細化。

3)施工進度可視化展示。

進度計劃編制完成，并綁定模型構件后，平臺可以根據計劃開始時間、計劃結束時間對項目進行可視化展示。

將進度關聯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度進展情況，或可以任意拖拽時刻針至任意時刻，查詢任意時刻的模型計劃進度形象。

2.6 圍巖類別信息和實際施工進度動態反饋

隨著地下洞室開挖施工的推進，實際地質揭露情況和實際施工進度也在不斷動態變化，產生的信息動態更新到Web端施工模型管理平臺，模型也隨著信息的更新動態變化。在某水電工程具體實現如下：

1)地質信息更新。

隨著施工階段地質編錄的深入，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)對地下洞室圍巖類別信息進行更新。平臺根據更新的信息自動修改地質模型的數據庫、地質模型顏色及透明度，并將其輕量化成果上傳至系統中，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)實際施工進度信息更新。

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

隨著項目實際進度進展反饋，系統根據任務條目的計劃開始時間與實際開始時間、計劃結束時間與實際結束時間對比，每項工作任務將有對應的計劃模擬與實際進度的對比分析，如提前1 d完成或已推遲10 d等，系統可以自動導出進度對比報表。

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

3 結語

本文創新性地提出了一種基于BIM技術的地下洞室施工模型動態管理方法，將抽象的地下洞室地質信息和施工信息可視化展示，并根據實際施工情況動態反饋到平臺中，讓施工模型自動動態更新，并在某地下洞室工程中成功實踐，探索出該方法行之有效的實現路徑。解決了手動更新模型效率低，工程管理中決策依據不直觀等問題，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。