BIM在特長水下隧道綜合養(yǎng)護管理平臺中的應用

李西芝,汪永蘭

(華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014)

1 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展,我國公路隧道的建設項目與日俱增,隧道工程建設從山嶺隧道逐漸邁向了跨越江河湖海的水下隧道。隧道建設項目的增多養(yǎng)護管理的難度逐漸加大,隧道養(yǎng)護管理具有管理對象多、時空特性復雜、決策方式落后等特點[1],科學合理的隧道運營養(yǎng)護管理成為公路隧道安全正常運行的重要保障。

從20世紀60年代開始,國外相繼開始研究先進的隧道養(yǎng)護系統(tǒng),英國、美國、日本等西方發(fā)達國家先后開發(fā)了相應的隧道養(yǎng)護系統(tǒng)。計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)、通訊技術(shù)等新一代技術(shù)的發(fā)展為隧道的養(yǎng)護管理帶來了新的發(fā)展方向。建筑信息模型(BIM)技術(shù)是一種先進的技術(shù)手段,通過三維數(shù)據(jù)技術(shù),實現(xiàn)對工程實體與功能特性的數(shù)字化表現(xiàn),滿足管理者集成化管理的需求[2]。近幾年BIM技術(shù)的飛速發(fā)展使得其應用場景已經(jīng)從房建領域延伸至交通基礎設施領域,目前廣泛應用于工程項目勘察、設計、施工,但BIM技術(shù)在隧道運維領域應用較少,尚處于初始階段,主要以隧道結(jié)構(gòu)可視化展示、運營監(jiān)控[3]、設備設施管理[4]等應用為主。針對隧道土建結(jié)構(gòu)檢測、評估、維修、決策中的業(yè)務和管理需求,利用BIM可視化優(yōu)勢,開展隧道管養(yǎng)技術(shù)研究。

2 工程背景

蘇錫常南部高速公路太湖隧道是首條穿越太湖的隧道,采用圍堰明挖法施工,全長10.8 km,凈寬40.6 m,其中暗埋段長度為10 km,馬山側(cè)敞開段長度為290 m,南泉側(cè)敞開段長度為500 m,隧道洞口兩端各設100 m自然光過渡段,暗埋段橫斷面采用兩孔一管廊形式,兩側(cè)為行車孔,中間為設備管廊,雙向六車道(加緊急停車帶)高速公路標準,見圖1,是國內(nèi)最長的超寬水底隧道。

圖1 太湖隧道暗埋段標準橫斷面圖(單位:cm)

依托太湖隧道,基于全壽命周期的管理理念,利用BIM可視化、信息傳遞的優(yōu)點,實現(xiàn)BIM模型從建設期向養(yǎng)護運維期的延伸,建立太湖隧道可視化綜合管養(yǎng)平臺,圍繞日常巡查、結(jié)構(gòu)檢測、狀況評定、日常維護的養(yǎng)護管理業(yè)務工作內(nèi)容,輔助管理人員更合理地制定后續(xù)養(yǎng)護策略,提升管養(yǎng)業(yè)務處理和服務水平,實現(xiàn)數(shù)字化追溯、輔助決策、提質(zhì)降本的目標。

3 養(yǎng)護期與建設期BIM銜接

BIM技術(shù)的應用,模型是基礎。依據(jù)施工階段BIM模型應用需求,太湖隧道建設期已創(chuàng)建了隧道土建結(jié)構(gòu)BIM模型,并匯集了包括質(zhì)量、進度、安全等在內(nèi)的多方面建設信息。隧道養(yǎng)護期與建設期BIM銜接主要包括模型傳遞、編碼傳遞、數(shù)據(jù)傳遞三個方面。

3.1 養(yǎng)護期與建設期模型傳遞

通過隧道三維BIM模型,以三維數(shù)字化的形式,整合隧道建設期結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信息,在運維養(yǎng)護的需求上對建設期模型進行深化和優(yōu)化。建設期模型主要目的是施工過程的仿真模擬,養(yǎng)護期的三維模型需要反映出結(jié)構(gòu)形態(tài)、突出病害分布,以滿足分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、現(xiàn)場檢查、制定維修方案等需求,兩者差異包括:一方面,用于施工過程仿真模擬的施工BIM模型,精度達到LOD-400及以上,含有鋼筋等內(nèi)部細部構(gòu)造,這些內(nèi)部構(gòu)造在養(yǎng)護階段不屬于重點關(guān)注對象,可以隱藏;另一方面,施工BIM模型以施工過程為基礎開展的構(gòu)件拆分與運維存在差異,如施工模型主體結(jié)構(gòu)拆為頂板、側(cè)墻、隔板,養(yǎng)護模型需要較精準指導檢測維修作業(yè),首先將主體結(jié)構(gòu)分為左行車孔、安全通道、右行車孔,在此基礎上將頂板更細致地分為頂板、折板。因此,養(yǎng)護期的BIM模型既要舍棄較多的構(gòu)造細節(jié),又需要對建設期模型進行深度擴充。

3.2 養(yǎng)護期與建設期模型編碼傳遞

養(yǎng)護期BIM應用的核心在于充分利用建設期的BIM模型及其傳遞的全周期信息,實現(xiàn)貫穿設計、施工、運維等全生命周期范圍內(nèi)的BIM信息傳遞及應用。太湖隧道建設期BIM模型編碼參考了《公路工程信息模型應用統(tǒng)一標準》《公路工程信息模型設計應用標準》《公路工程施工信息模型應用標準》三部標準,應用統(tǒng)一標準,包括公路工程的分類編碼、數(shù)據(jù)存儲等。養(yǎng)護期對建設期模型進行了深度擴充,并根據(jù)養(yǎng)護所需對隧道構(gòu)件進行了劃分,在劃分基礎上開展了養(yǎng)護構(gòu)件編碼,兩套編碼通過隧道同一構(gòu)件進行信息關(guān)聯(lián),實現(xiàn)編碼映射。這種傳遞方式可追溯性強,通過信息平臺可以關(guān)聯(lián)相應的系統(tǒng)圖紙,提高運維管理水平。

3.3 養(yǎng)護期與建設期模型數(shù)據(jù)傳遞

太湖隧道建設期積累了大量的設計、施工數(shù)據(jù),為更好的利用建設期相關(guān)數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的全壽命周期建管養(yǎng)一體化信息管理,需實現(xiàn)建設期與運營養(yǎng)護期的數(shù)據(jù)一體化。建設期采集、存儲的數(shù)據(jù)已與建設期BIM模型構(gòu)件掛接,可利用建設期與養(yǎng)護期的BIM模型傳遞來實現(xiàn)掛接數(shù)據(jù)的傳遞,通過建設期模型的輕量化處理和構(gòu)件編碼對接,將數(shù)據(jù)模型導入管養(yǎng)平臺,利用編碼映射關(guān)系,將施工期構(gòu)件和數(shù)據(jù)導入平臺,形成管養(yǎng)的初始狀態(tài),每個構(gòu)件都具有相應的三維載體、建設資料、施工信息和屬性等內(nèi)容。

按照數(shù)據(jù)采集、存儲的方式,可以將建設期數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)兩大類。其中,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過模型與數(shù)據(jù)庫的映射重新生成養(yǎng)護期的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),用于評定、決策;非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則通過路徑映射實現(xiàn)存檔管理與溯源。

4 太湖隧道可視化綜合管養(yǎng)平臺

4.1 系統(tǒng)框架

隧道管養(yǎng)平臺有五個層次,見圖2。(1)設施層:整個系統(tǒng)的基石,包括支撐系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的軟硬件設施,以及采集、傳輸數(shù)據(jù)的各類設備;(2)數(shù)據(jù)層:通過云計算平臺、數(shù)據(jù)交換共享等平臺,利用數(shù)據(jù)挖掘工具和分析模型對從業(yè)務數(shù)據(jù)源采集交換的數(shù)據(jù)進行全面的統(tǒng)一管控、整合和分析;(3)支撐層:設計時著力解決與已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口問題,在實際應用中能夠?qū)崟r調(diào)用其他系統(tǒng)數(shù)據(jù),涵蓋了通用支撐平臺內(nèi)的系統(tǒng),包括統(tǒng)一通信、GIS地理信息系統(tǒng)、統(tǒng)一權(quán)限管理等;(4)業(yè)務應用層:面向不同的用戶,滿足用戶業(yè)務所需,把不同的資源按照實際的應用場景整合之后展現(xiàn)給用戶,為用戶層提供完善的隧道養(yǎng)護管理應用;(5)用戶層:采用包括HTML、PHP等界面方式對各應用層系統(tǒng)進行展示。

圖2 太湖隧道管養(yǎng)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 功能設計

太湖隧道綜合管養(yǎng)平臺利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)人工智能和隧道專業(yè)技術(shù),涵蓋基本信息、任務、檢查、評價、維護、接口等,實現(xiàn)隧道土建結(jié)構(gòu)不同業(yè)務標準化、規(guī)范化的流程和結(jié)果管理,以及不同構(gòu)件基礎信息類靜態(tài)數(shù)據(jù)以及病害、維修等動態(tài)信息的查看和維護,形成數(shù)據(jù)標準化集聚和管理平臺,進行基于數(shù)據(jù)的運營養(yǎng)護管理。整個系統(tǒng)模塊可以分為三大板塊,資產(chǎn)管理、養(yǎng)護業(yè)務管理、后臺管理,其中資產(chǎn)管理與養(yǎng)護業(yè)務管理是系統(tǒng)的核心功能。

(1)資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理板塊包括了隧道基礎信息管理模塊、檔案管理模塊、數(shù)據(jù)報表模塊,主要功能為存儲和管理太湖隧道的靜態(tài)信息,包括行政識別數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)數(shù)據(jù)、竣工信息、檔案管理等,滿足結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及docx、xlsx、pdf、dwg等多類型數(shù)據(jù)的存儲和管理。

資產(chǎn)管理主要依賴于事先建立的太湖隧道標準化的數(shù)據(jù)管理體系,進行結(jié)構(gòu)靜態(tài)信息的管理,同時可通過報表管理模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)中所有信息的輸出顯示,利用預先設計的條件及組合,從定量的角度實現(xiàn)對滿足條件屬性數(shù)據(jù)的瀏覽、匯總、計算、下載功能,采用表格、餅狀、柱狀圖、三維展示等多種形式直觀地表現(xiàn)統(tǒng)計結(jié)果。

養(yǎng)護期模型繼承于建設階段的BIM模型,實現(xiàn)基于BIM的宏觀隧道全景、微觀構(gòu)件細節(jié)模型展示,同時通過模型編碼實現(xiàn)信息掛接,在BIM模型上進行建設期和養(yǎng)護期結(jié)構(gòu)信息同步展示,滿足管理人員數(shù)據(jù)管理需求。

(2)養(yǎng)護業(yè)務管理

養(yǎng)護業(yè)務板塊包括了隧道檢查檢測模塊、結(jié)構(gòu)狀況評定模塊、日常養(yǎng)護模塊、專項養(yǎng)護模塊。

隧道檢查檢測管理是養(yǎng)護管理系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集入口,提供隧道日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、專項檢查等工作的任務管理、病害錄入與跟蹤管理等功能。各類型的檢查內(nèi)容、流程與策略主要依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范和制度,結(jié)合實際管理需求和國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗開發(fā),強化檢查業(yè)務管理、提升病害管理的專業(yè)性。同時,檢查信息能夠與BIM模型實時交互,能夠在BIM模型上對應顯示歷年檢查信息、病害信息。

目前隧道養(yǎng)護行業(yè)規(guī)范《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2015)[5]主要針對鉆爆法山嶺公路隧道,在水下隧道養(yǎng)護中具有一定局限性。因此,結(jié)構(gòu)狀況評定模塊將參考現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范,同時結(jié)合太湖隧道土建結(jié)構(gòu)的工程實際,進行隧道評定分項的劃分,并建立隧道層次評價模型(評價目標、評價對象、評價指標及權(quán)重)。

日常養(yǎng)護模塊根據(jù)太湖隧道土建結(jié)構(gòu)的特點,以及管理者業(yè)務習慣進行全流程管理開發(fā),做到從發(fā)現(xiàn)病害到處治病害的閉合管理,涵蓋任務申請/通知、任務審核、接單維修、驗收初審、驗收審核、抽檢管理六個環(huán)節(jié),實現(xiàn)完整的養(yǎng)護工程過程與臺賬管理。同時,實現(xiàn)基于BIM模型的基礎數(shù)據(jù)、病害數(shù)據(jù)和養(yǎng)護維修數(shù)據(jù)的建管養(yǎng)信息一體化展示。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測管理模塊對接太湖隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),對隧道接縫多維變形、重點斷面結(jié)構(gòu)應力、隧道變形縫滲漏水、隧道縱向不均勻沉降幾個典型、關(guān)鍵監(jiān)測指標數(shù)據(jù)進行提取、分析,全方位、多角度直觀掌握隧道實時狀況數(shù)據(jù),加強隧道運行把控。

(3)后臺管理

后臺管理是實現(xiàn)所有功能的一個基礎模塊,為系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)提供角色權(quán)限管理支撐和相關(guān)參數(shù)支撐,對系統(tǒng)所存儲的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)使用者進行管理,為用戶的系統(tǒng)體驗及數(shù)據(jù)整合提供便捷,主要分為部門管理、用戶管理、角色管理、日志管理和權(quán)限管理,并充分考慮到了系統(tǒng)的完整性和可擴展性,以應對后期系統(tǒng)可能面對的調(diào)整與優(yōu)化,后臺管理架構(gòu)見圖3。

圖3 后臺管理架構(gòu)

5 應用效果

系統(tǒng)自2021年12月31日起全面應用于太湖隧道土建結(jié)構(gòu)的日常養(yǎng)護管理,截至投稿日前,已實施了143次日常巡查,10次經(jīng)常檢查,記錄了150多項異常信息。主要的應用效果及優(yōu)勢如下。

(1)滿足了隧道壽命周期數(shù)據(jù)管理的需求

梳理太湖隧道壽命周期相關(guān)的數(shù)據(jù)資源類型、分布、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量,實現(xiàn)隧道全壽命周期數(shù)據(jù)資源把控,利用數(shù)據(jù)標準化推動隧道各項業(yè)務數(shù)據(jù)的整合與規(guī)范,保證數(shù)據(jù)的準確性、一致性、完整性、可用性和安全性,實現(xiàn)資源共享和業(yè)務協(xié)同。

(2)實現(xiàn)了隧道養(yǎng)護業(yè)務協(xié)同

實現(xiàn)太湖隧道日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、專項檢查、日常養(yǎng)護、專項養(yǎng)護等業(yè)務的記錄及管理,包括任務下達、人員分配、結(jié)果記錄等方面,依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范和制度以及預防性養(yǎng)護理念進行業(yè)務內(nèi)容和流程管理,并對業(yè)務過程中采集的數(shù)據(jù)進行審核、匯總、報表輸出等。

(3)實現(xiàn)了隧道狀況的4D展示

通過太湖隧道可視化模型展示隧道基本信息、養(yǎng)護信息、結(jié)構(gòu)狀況信息、養(yǎng)護狀態(tài)信息及結(jié)構(gòu)監(jiān)測狀況等,通過數(shù)據(jù)可視化尋找數(shù)據(jù)在空間維度和時間維度的規(guī)律,為基于各類數(shù)據(jù)進行科學養(yǎng)護決策提供輔助。

6 結(jié) 論

太湖隧道可視化綜合管養(yǎng)平臺結(jié)合BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進信息科技,繼承了建設期BIM模型及數(shù)據(jù)信息,不僅實現(xiàn)了隧道全壽命周期的數(shù)據(jù)集成和管理,同時圍繞隧道日常巡查、結(jié)構(gòu)檢測、狀況評定、日常維護的養(yǎng)護管理業(yè)務工作內(nèi)容,滿足了管理者信息查詢、業(yè)務管理等需求,有效提升了管養(yǎng)業(yè)務處理和服務水平,實現(xiàn)了隧道管理數(shù)字化追溯、輔助決策、提質(zhì)降本的目標。