數字化管控平臺在過海隧道項目的應用

王學楷馮慧君

(中鐵(上海)投資有限公司，上海 200126)

0 引言

城市軌道交通項目由于規模大、施工跨度長、技術標準高、涉及專業多、建設周期較長、參建人員多等原因，容易產生工程項目管理難度大及效率低等問題。 為了減少地鐵施工的安全事故，有必要建立一個更加高效的高科技集成管理系統，全面、系統、現代化地管理地鐵項目，即以建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)作為核心的安全管理模式[1－3]。 BIM 在建筑、水電等行業的應用較為成熟，而在軌道交通行業的應用尚處起步階段[4－5]。 在軌道交通工程中，通過三維地理信息系統(Geographic Information System，GIS)再現和管理區域內三維場景，實現地鐵全線路的項目統籌、綜合規劃和決策輔助[6]。 由于GIS 系統基于的是空間地理數據庫，具有管理和顯示海量地理信息的先天優勢，但對建構筑物細節的顯示卻存在不足，而BIM技術則具有管理和顯示建構筑物細節信息的特點，充分利用和集成GIS 和BIM 的各自優勢，使軌道交通建設管理更加數字化、可視化和精細化[7－11]。

基于GIS 和BIM 數字化管理平臺，國內已經研究開發了一些工程項目管理的信息化平臺和系統:范登科等[12]利用國際互操作性聯盟(International Alliance of Interoperability，IAI)組織制定的BIM 框架核心工業基礎類標準(Industrial Foundation Classes，IFC)、開放地理空間協會(Open Geospatial Consortium，OGC)組織制定的GIS 框架核心三維模型數據存儲標準架構(City Geography Markup Language，CGML) 和應用領域擴展(Application Domain Extension，ADE)機制，實現以數據格式轉換為核心的BIM 模型跨GIS 平臺集成方法，并在哈爾濱北站、杭州南站新建站等鐵路工程BIM 設計項目中開展了應用；呂慧玲等[13]分析了IFC 數據模型與City GML 模型中所有的建筑構件類型及其關聯的語義信息，分別建立IFC 數據模型到City GML 各層級的映射模型，提出了一種從BIM 模型到多層次細節GIS 模型的完整轉換方法；宋學峰[14]提出以GIS和BIM 的深度集成應用技術為核心，解決不同系統之間的數據信息格式的相互轉換問題，實現數據交互與信息共享信息管理模式是保障智慧城市地下管網科學、高效、安全運行的有效模式；張敏杰[15]提出建立基于GIS 和BIM 的動態總體規劃管理平臺，形成涵蓋建筑建設全過程主要決策信息的動態管理系統，為實現在多元投資主體、多主體設計、設計、監督管理及超大型項目群體環境下高品質的建設管理奠定基礎。

基于上述研究，文章利用日益成熟的BIM 技術，基于GIS＋BIM 的數據基礎，結合青島地鐵8 號線施工中的工程管理數據，利用數據集成、實時監控、模擬分析、虛擬建造等模式，以數字化、信息化和可視化的方式提升項目建設管理水平，達到現場規范化施工、風險管理可控及安全施工的目的，為類似工程的信息化應用提供借鑒。

1 工程概況

青島市地鐵8 號線是青島市軌道交通建設的重點工程，是山東省新舊動能轉換首批重點項目，其關鍵控制性工程大洋站—青島北站區間(以下簡稱過海隧道項目)線路全長約為7.9 km，穿越膠州灣海域寬度約為5.4 km，設有施工斜井1 座、通風豎井3 座、泵站3 處，是目前國內最長的過海地鐵隧道，由于地質極其復雜，經反復論證確定采用“盾構法＋礦山法”兩端相向施工，東側過海段2.9 km 處采用泥水盾構法施工；西側過海段2.5 km 處采用礦山法＋雙模式TBM 平導輔助施工，以加快施工進度[16－18]。 海底隧道項目地質條件復雜，安全風險高。 項目管理中需要對施工內容、計劃進度、人員設備安排、安全隱患等諸多方面進行大量的溝通聯系，可能會造成因為人員配置不完善、信息溝通不及時、設備監控不嚴格等原因，發生進度、安全與質量問題[19－24]。 通過“GIS＋BIM 項目信息管控平臺”的研發，逐步實現“遠程管理、規范管理”的目標，提高現場施工進度和規范安全質量管理[25]。

2 施工數字化管控

2.1 數字化管控目標

傳統項目信息管理存在的問題有:(1) 項目管理體系以PDCA 循環為基礎，未將各管理對象的數據相互利用作為關注點，往往導致數據之間互用性差；(2) 缺少以三維為主的數據展示方式，無法滿足不同專業不同層次管理者的應用需求；(3) 管控實施的數據基礎薄弱，常由于數據錯漏導致決策失誤。因此，以BIM、GIS 技術為主的數字化管控應實現以下目標:

(1) 實現項目信息管理 通過智慧工地建設與信息化技術應用等手段，收集、處理、存儲、傳遞、應用、移交項目實施過程中涉及的各種情報、資料，為決策提供科學依據；將施工過程的重要管理資料、竣工驗收資料、重要設備數據與各階段BIM 模型相關聯，通過統一的數據分類、編碼體系、存儲標準實現施工項目過程數字資產移交；同時維護項目安全、質量、進度關鍵信息，保證信息的真實、及時和有效。

(2) 提升管理溝通效率 利用三維數據集成和展示，形成用于各參與單位溝通交流的可視化工具，有效提升溝通效率和決策質量；建立全生命周期BIM 并集成整個建設階段進度質量、工程變更、安全責任、作業人員、質檢報告以及施工過程等資料，提高管理效率，降低管理難度。

(3) 減少變更優化成本 通過地質模型、周邊環境、工程BIM 的集成，提前發現潛在的設計缺陷、施工風險、管控難點，減少施工變更；實現不同變更方案的成本變化估算，提高變更決策效率，節約建設投資和施工成本，有效控制投資風險。

(4) 實現目標動態控制 施工項目實施過程是涉及目標分解、確定計劃、執行跟蹤、實際檢查、偏差分析與目標調整的工作循環。 用項目信息管理中收集的項目管控信息數據(包括現場采集數據)，進行施工質量、進度、安全、成本的監控，及時發現并解決相關問題，保證工程項目目標實現。 結合現場數據進行施工模擬，提前預知工程情況，可有效發現存在問題，改進設計質量，優化施工組織方案。

(5) 避免信息重復錄入 通過開放接口、數據抓取等方式，實現與已有信息系統之間的數據傳遞，減少施工現場日常數據多次填報、重復錄入的情況；開發相應的數據采集與錄入工具，優化數據錄入模式，簡化錄入操作，增強錄入數據的可用性。

2.2 施工信息要素

施工與管理人員的施工活動需要大量的施工信息支持，這些信息在被加工處理后形成特定形式的數據，成為建筑施工管控要素的呈現載體，項目管控要素包括項目的組織結構、業務職能、資金流、物資流以及外在環境，相互關聯形成整體，為決策者控制項目實施過程提供依據。 根據建筑施工項目主要生產要素和實際管理需求，借鑒質量管理五要素體系，可將項目管控要素信息劃分為測量信息、環境信息、人員信息、物料信息、機具信息、技術信息與擬建物信息，如圖1 所示。

圖1 施工信息要素分類

2.3 管控平臺研發及關鍵技術

2.3.1 管控平臺研發

基于施工信息要素搭建項目信息管控平臺，大致可分為數據集成、平臺搭建、管控實施3 個方面。

(1) 數據集成 以GIS 數據與傾斜攝影模擬周邊環境，建立地質模型反應地勘情況，根據場地布置圖建立施工場地BIM 模型，根據施工圖設計并建立BIM 模型，通過上述數據的集成與融合，以及在構件中附加設計資料、技術文檔、施工照片等數據，共同形成標準統一的三維施工信息模型；通過錄入進度填報記錄、抓取施工監測數據、導入項目管理資料、設定超前地質預報與施工危險源等，形成施工基礎數據庫；再集成海底隧道項目中已接入的視頻監控系統、人員定位系統、盾構機監測系統數據，補充實時的施工動態數據，最終建立供各參與方共享的施工信息數據庫，以達到數據的交互應用。

(2) 平臺開發 在施工信息數據庫的基礎上，梳理數據相互應用關系，解決各數據間分析與展示的問題，基于成熟的三維顯示引擎開發基于GIS ＋BIM 技術的施工信息管控系統平臺，從信息快速查看、數據整合分析、多維度信息呈現等方面為項目管控提供平臺與工具支撐。

(3) 管控實施 基于GIS＋BIM 項目信息管控平臺進行項目管控，即利用信息技術輔助項目數據收集、處理和展示過程，主要目的為減少溝通難度，增加數據獲取效率，具體功能如圖2 所示。

圖2 信息管控平臺功能分類圖

2.3.2 技術路線

基于“一條管理線、一張監管網、一個數據庫”指導原則，構建GIS＋BIM 數字化項目管控平臺，以GIS 和BIM 數據為基礎，利用底層引擎的三維顯示和數據承載能力，以軌道交通工程施工總包管理需求為例，建立數字孿生模型與應用平臺。 利用物聯網傳感器等信息技術實現對施工現場人員、機械、物料運轉過程的實時掌控；通過對數據相互關系的整合應用，建立多源異構數據集合進行工程管理過程的模擬與仿真，指導管理決策，減少管理人員現場查看投入時間。 管控平臺研發的技術路線如圖3所示。

2.4 三維模型輕量化

軌道交通工程項目的BIM 模型對象具有特殊性、復雜性、異面多等特點，滿足應用需求的BIM 模型信息數據量大，內存占用比較大，因此需要對三維模型進行輕量化處理，平衡顯示效果與加載速度。文章模型輕量化的整體技術路線如圖4 所示，分為數據提取、壓縮傳遞、模型渲染幾個部分，其中模型幾何數據提取主要基于導出插件實現，采用三角面優化對BIM 模型與三維場景輕量化，通過減面處理來降低BIM 模型的數據量，利用三維引擎的瓦片化工具處理GIS 數據；數據傳遞通過gzip 壓縮保障效率，實現優化后的模型及時向服務器數據庫傳遞；渲染采用多細節層次(Levels of Detail，LOD)技術優化GIS 數據，并根據工程項目的工作分解結構，拆分BIM 模型，將原來的BIM 模型按照工作分解結構(Work Breakdown Structure，WBS)中的節點進行拆分，減少平臺在不需要加載整體BIM 模型時根據選擇的WBS 節點加載對應的模型，減少內存與加載時間消耗。

3 管控平臺應用實施

項目建立了青島地鐵8 號線大洋站、大青區間、青島北站車站、區間隧道及場地設施模型，包括附屬設施與臨時設施，模型達到施工圖精度。 同時采集車站與區間周邊GIS 數據，建立地質數據模型，區間地理信息采集、處理、地質模型建模采用0.3 m 遙感影像，按5 km×10 km 計，場地周邊既有建筑建模按1.7 km 計算。

3.1 BIM 碰撞檢查

基于BIM 三維模型開展碰撞檢查與設計優化工作，有效減少了設計成果“錯、漏、碰、缺”等問題，對青島地鐵8 號線大洋站及青島北站管道密集區域進行綜合排布建模設計，提前發現施工現場存在的碰撞和沖突，減少了設計變更及工程施工成本，提高了設計效率、設計質量以及施工現場的工作效率，大洋站模型碰撞檢查如圖5 所示。

3.2 場地模擬與優化

施工現場臨建設施是為工程建設服務的，布置是否合理將影響到施工的安全和生產效率，臨時設施布置仿真模擬，可以幫助施工單位準確估算所需要的資源，評估臨建設施的安全性。 青島地鐵8 號線大青區間過海隧道施工臨建設施多，依靠傳統二維CAD 對現場的大臨、道路、龍門吊等進行布置不僅效率低，而且由于場地大小及周邊環境影響，造成場地布置不能滿足現場實際施工需要。 項目結合BIM 技術對現場的道路、生產設施、管片堆場、龍門吊等現場設施設備進行合理的布置(如圖6 所示)，模擬大型設備(如300 t 起重吊車)進場作業，與周邊環境進行適應性比對，通過漫游模擬提前反應場地布置問題，從而實現場地布置調整及優化，更貼切于現場的施工生產，提高設備作業效率，提升了過海隧道項目現場的安全管理水平。

3.3 地質風險隱患管理

對于施工中出現的安全質量問題，現場很難做到事前預防、提前預警、及時發現，過海隧道項目需要穿越9 條斷裂帶，根據地質詳勘資料建立三維地質模型，將風險較高的地段進行標識，利用三維模型直觀顯示沿線隧道穿越風險隱患的具體情況，施工過程可以根據地質條件及時進行工法轉換，合理調整支護參數，確保施工安全，如圖7 所示。

圖7 地質風險隱患管理圖

3.4 施工進度管理

在項目進度管理過程中存在問題有:(1) 由于對項目實際進度掌握不全面、計劃不合理，常常導致資金計劃、供貨商材料供應計劃與施工進度、實際發生成本不匹配；(2) 由于建設項目工期較長、數據量大、收集復雜且收集速度較慢，常規方法不能及時收集和處理施工過程中的大量數據信息，導致成本分析困難、效率低，不能及時采取有效措施控制成本。

利用BIM 結構化優勢，對過海隧道項目單位工程做WBS 分解，建立與時間維度之間的相互關系，附加生產組織關系。 根據項目總體工籌計劃，編制年、季、月計劃及重要節點計劃，開展三維施工進度管理，實現工籌、年計劃、月計劃與實際進度對比分析與模擬；快速統計分析計劃實物量與已完工程量、產值、成本并生成報表，達到對成本的準確掌握。 實現對施工進度的查看分析、關鍵節點預警、工效預警與數據統計分析。 解決了以往項目管理中數據收集量大、進度計劃可實施性差、進度報表虛瞞等問題，提升了對過海隧道項目施工進度的管理水平，施工進度管理模擬對比如圖8 所示。

圖8 施工進度管理模擬對比圖

3.5 監控量測管理

監控量測數據關系到施工安全，利用信息管控平臺進行過海隧道項目施工范圍三維監測點位置、環境監測、沉降變形等監測數據與曲線圖查看與分析，實現對多測點的數據對比，空間關系多數據查詢，利用監測結果數據來指導施工，如圖9 所示。 利用平臺的錄入預警、實時報警與二次預警等功能，確保監測點安全隱患信息及時獲取，提高施工安全可控程度。 錄入預警是指在數據日常錄入過程中系統自動檢查當次已錄入數據，對于不合理數據作出判斷與提示，便于用戶及時修改，減少錯錄導致的返工；實時報警指對超過預警值或控制值的數據進行預警提示，以便能夠及時了解現場實際情況；二次預警是指在紅色預警或二次預警處理完成后，如果再次發生預警，采用的特殊處理方式。

圖9 信息管控平臺監控量測管理圖

3.6 人員和設備定位管理

過海隧道礦山法獨頭開挖深度為2.5 km，施工機械設備、人員眾多，施工風險高，因此必須加強人員和車輛的安全管理。 在施工過程中，管理機械車輛，更好地掌握車輛位置信息，及時調度車輛，實現車輛會車提前預警，避免現場擁堵；對施工人員進行定位管理，可及時掌握人員位置信息，確保人員的安全。 定位管理模塊由區域劃設管理、進出區域判定、信息顯示、運動軌跡顯示、實時統計、應急數據6 部分組成。

區域劃設管理分割車輛人員定位覆蓋區域，區分施工區域、生活區域等，用于統計各位置的設備、人員，實現對作業工點車輛和人員的精確統計；進出區域判定功能對車輛人員進入區域或離開區域進行判斷，并記錄相應時間戳；信息顯示是通過GIS 平臺上的信息聯動，在三維圖上呈現車輛人員具體方位，車輛定位系統顯示如圖10 所示。 點擊相應標簽即可獲得相關車輛人員的具體信息，包括車輛位置、車牌號、車輛狀態；人員信息包括人員姓名、年齡、照片、工號及聯系方式。

圖10 車輛定位系統顯示圖

人員車輛運動軌跡顯示，通過坐標信息，可以查看車輛和人員運動軌跡，包括實時軌跡和歷史軌跡。實時軌跡直接在三維圖上呈現當前車輛人員的運動軌跡，即通過選擇起止時間，可獲得車輛人員的歷史軌跡，并將其呈現在三維圖上；應急數據功能可以在遇到應急情況時，快速統計各區域內車輛人員詳情，并了解掌握在危險區域中的車輛、人數，并及時采取緊急應對措施，實現車輛人員的快速撤離。

通過對過海隧道項目現場車輛與作業人員的定位管理，及時反饋現場施工動態，實時展示車輛在隧道的運行軌跡，實現精準調度，避免現場擁堵，提高過海隧道施工作業效率。 根據現場車輛人員位置信息，提升了現場車輛人員安全管理水平。

3.7 視頻監控安全管理

通過BIM 技術建模模擬過海隧道全過程，分解整個施工過程，使項目管理人員能清楚每一步施工流程，管理過程思路更加清晰，能夠及時發現問題，做到開工前的風險進行辨識和事前的有效控制。Web 端提供現場視頻監控攝像頭位置與BIM 模型的掛接功能，管理人員可以實時監控現場施工情況，視頻監控系統顯示如圖11 所示。 BIM 提供動態可視化施工空間，該空間隨著工程進展會不斷地變化，通過可視化模擬工作人員施工狀況，可以形象地顯示施工工作面、施工機械狀態，并評估其安全性。

圖11 視頻監控系統顯示圖

過海隧道項目通過將施工現場視頻監控和BIM模擬聯動結合，及時反映現場施工生產情況，方便管理者及時發現現場不安全的因素和狀態，及時采取措施消除風險源，實現動態安全施工。

3.8 盾構機掘進管理

盾構機管理模塊可以顯示盾構機的工作狀態，包括當前位置、盾構姿態、掘進系統中的掘進速度與掘進壓力，鉸接系統中的鉸接位移與鉸接壓力、刀盤土壓力、管片環號、統計分析、風險預警等(盾構掘進管理系統顯示如圖12 所示)，系統接入了過海隧道項目大青區間超前導洞TBM、大青區間盾構機，盾構類型包括土壓平衡及泥水盾構，盾構型號包括Crec150、Crec152。

圖12 盾構掘進管理系統顯示圖

盾構位置功能實時展示盾構機的位置、計劃掘進路線和實際掘進路線，查看盾構機的掘進狀態。運行參數實時顯示盾構在掘進過程中的參數，包括當前掘進里程、掘進環、總環數、掘進速度，掘進壓力、鉸接系統等參數。 盾構姿態功能實時監視盾構機位置偏差，展示詳情包括俯仰角、滾動角、導向系統、水平與垂直偏差等。 統計分析功能實時顯示盾構機在掘進過程中各類材料消耗，包括泡沫原液、泡沫工業水、泡沫混合液、HBW 密封油脂、EP2 潤滑油脂、盾尾密封、膨潤土等；風險預警功能及時提示風險源，包括掘進速度、掘進狀態、重大風險源提示，重大風險源包括超前地質預報與破碎帶提示，并通過預設的盾構機路線，可以在三維地圖上展示盾構機的實際與計劃進度路線。

4 結語

青島市地鐵8 號線“GIS＋BIM 項目信息管控平臺”的研發和應用，主要解決了項目管理者對管理數據的快速獲取、分析和決策支持難題。 利用日益成熟的BIM 技術，基于GIS＋BIM 的數據基礎，結合施工中的工程管理數據，形成可供項目各管理階段查詢的數據載體，并針對進度、資料、安全、數據查詢等方面開發了具體的功能模塊。 結合平臺進行施工過程管控，減少項目管理時間成本，減少工作安排和現場溝通的難度。 統一數據管理，加快信息傳遞，進行技術資料和安全施工標準化信息共享，提高工作效率，提升了整個項目管理水平。 項目管控實現了“一個數據庫、一張監管網、一條管理線”，并取得了良好的經濟和社會效益。

該平臺實現了GIS＋BIM 的集成應用，對過海隧道項目進行了場地優化設計，減少了工作安排與現場溝通的難度；通過監測預警23 次，預判施工風險6 次，確保了施工安全；進行進度優化和安全管理，縮短工期40 d；節約建設成本383.2 萬元；節約項目管理成本38.9 萬元，進行安全標準化信息共享，提高了工作效率。

同時，該平臺以地鐵工程建設安全管理為目標，以標準化、規范化管理為抓手，以BIM 為主要技術框架，節省了建設管理成本，順應了工程信息化發展的需要，形成了特色的規范化的操作管理體系，革新了施工管理行為模式和管理模式，提高了施工管理水平，為類似工程提供了重要借鑒。 BIM 在施工領域的應用有利于工程建設項目精細化管理水平提高。 青島地鐵8 號線大青區間過海隧道已經在2020 年1 月20 日順利實現貫通。