基于建筑信息模型的隧道施工管理平臺

瞿文婷 喻 鋼

(1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，200444，上海; 2.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院,200444,上海∥第一作者，碩士研究生)

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基于建筑信息模型的隧道施工管理平臺

瞿文婷1喻 鋼2

(1.上海大學(xué)土木工程學(xué)院，200444，上海; 2.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院,200444,上海∥第一作者，碩士研究生)

為了實現(xiàn)工程質(zhì)量、安全、設(shè)備的實時管理,并增強(qiáng)信息的可溯性,本項目基于建筑信息模型(BIM)技術(shù),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等信息手段,建立了基于BIM的隧道施工管理平臺。平臺具有設(shè)備層、資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層等4層結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控等5大模塊,實現(xiàn)隧道工程數(shù)字化管理。該管理平臺已在上海軌道交通12 號線11 標(biāo)工程上得以應(yīng)用。

隧道; 施工; 信息管理; 建筑信息模型

First-author′s address School of Civil Engineering,Shanghai University,200444,Shanghai,China

近年來,為了有效緩解城市交通擁堵問題,城市軌道交通的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時期。以上海為例,2015年就新通軌道交通線路達(dá)40 km,至年底地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)總長達(dá)到588 km；另外到2020年,上海將計劃建成800 km的軌道交通線路，其中大部分是隧道工程。

隧道工程的快速發(fā)展也為隧道工程建設(shè)的管理提出了更高的要求。而隧道工程一般具有的以下特點,使其建設(shè)過程不易管理。首先,地下工程隱蔽性強(qiáng),尤其是位于城區(qū)的地鐵隧道建設(shè),大多建于人口稠密的區(qū)域,周圍環(huán)境十分復(fù)雜,稍有不慎，易引起周邊建筑物和地下管網(wǎng)的變形、位移或沉降過大，造成嚴(yán)重的工程事故[1]。其次,施工現(xiàn)場信息交流程度低,隧道施工現(xiàn)場都在地面以下,環(huán)境較封閉,難以獲得人員及設(shè)備信息；信息的不流暢可能導(dǎo)致在事故發(fā)生時難以對施工人員進(jìn)行定位而開展及時的救援[2]。第三,施工現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜,隧道工程需要依賴盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工,處于封閉不開闊的環(huán)境；其中的機(jī)電、施工設(shè)備也較為復(fù)雜,較難管理。

而今隨著可視化、多媒體等技術(shù)的深入研究,以及移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型(Building Information Model,BIM)等技術(shù)的興起,可以有效解決以上管理問題。另外,施工工地的員工素質(zhì)往往參差不齊,通過完備的技術(shù)手段,可以培養(yǎng)其良好的工作習(xí)慣。

我國的BIM首先在建筑領(lǐng)域開展研究和應(yīng)用,然后逐步推廣至鐵路隧道行業(yè)。2012年以前,BIM處于應(yīng)用設(shè)想階段,有學(xué)者對其在鐵路隧道工程中的應(yīng)用設(shè)想進(jìn)行了探討[3-4]。自2012年以后,BIM進(jìn)入試點應(yīng)用的階段,例如長江隧橋建設(shè)發(fā)展公司將BIM應(yīng)用于長江西路越江隧道的管線搬遷工程[5]。近兩年,正在逐步實現(xiàn)隧道工程中BIM的全面全生命周期的應(yīng)用,也有學(xué)者就隧道全生命周期中BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討[6-7]。

本項目以BIM為中心,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段,建立了隧道施工管理平臺,以實現(xiàn)上海軌道交通12號線11標(biāo)中施工的科學(xué)、有效、準(zhǔn)確的管理。總體研究目標(biāo)是結(jié)合BIM技術(shù),從質(zhì)量、材料、安全、設(shè)備4個方面對隧道施工全過程進(jìn)行管控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于BIM的隧道施工管理平臺分為4層架構(gòu),包括設(shè)備層、資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層,如圖1所示。

第1層為設(shè)備層。設(shè)備層包括視頻監(jiān)視器、物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)和中心服務(wù)器。在工地上部署多個視頻監(jiān)視器,通過網(wǎng)絡(luò)傳回中心服務(wù)器,對工地現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)包括射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)芯片和RFID讀頭,固定式讀頭分布在工地大門門禁閘機(jī)、電機(jī)車、盾構(gòu)機(jī)、井口門禁閘機(jī)等工地各個區(qū)域,以讀取人員安全帽上的RFID芯片等。手持式讀頭用來讀取管片內(nèi)埋入的RFID芯片,以實現(xiàn)管片質(zhì)量信息的動態(tài)獲取。獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳回至中心服務(wù)器,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

第2層為資源層。資源層包括數(shù)據(jù)資源及模型資源。數(shù)據(jù)資源包括人員定位系統(tǒng)、管片質(zhì)量系統(tǒng)和盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)等,將其動態(tài)實時采集的人員位置信息、管片質(zhì)量信息、盾構(gòu)施工推進(jìn)信息等,采用異構(gòu)數(shù)據(jù)融合機(jī)制,通過數(shù)據(jù)接口適配器,將人員位置信息、管片質(zhì)量信息、進(jìn)度信息數(shù)據(jù)等集成到BIM模型及中心數(shù)據(jù)庫。模型資源是通過一個BIM數(shù)據(jù)集成平臺,實現(xiàn)工業(yè)基礎(chǔ)分類(industry foundation classes,IFC)模型數(shù)據(jù)的讀取、提取、集成和顯示,可針對現(xiàn)場施工的不同工況,將數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有機(jī)的組織,形成具有特性的模型,提供不同視角下的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

第3層為服務(wù)層。服務(wù)層是系統(tǒng)各個模型的集成與管理,保障各項功能模塊的順利實現(xiàn),是用戶應(yīng)用交互層與模型層之間的紐帶,是施工實時智能監(jiān)控平臺的具體功能與應(yīng)用的展現(xiàn)。包括施工進(jìn)度實時顯示、周邊環(huán)境監(jiān)測、人員軌跡監(jiān)控、管片質(zhì)量跟蹤等服務(wù),通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持項目各參與方分布式的工作模式,基于相應(yīng)的BIM模型,獲取所需要的模型數(shù)據(jù),支持基于BIM技術(shù)的各系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享。

第4層為應(yīng)用層。應(yīng)用層是進(jìn)行人機(jī)交互的界面,用戶在該層獲取系統(tǒng)提供的服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)模塊圖

基于BIM的隧道施工管理平臺包括系統(tǒng)管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控5個模塊,如圖2所示。其中,系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)中用戶信息的管理、模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)、平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)以及系統(tǒng)運行環(huán)境的配置。

圖2 系統(tǒng)模塊圖

2 原理與實現(xiàn)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在信息采集、傳輸方面的應(yīng)用改變了原來人工現(xiàn)場手動記錄模式,實現(xiàn)了信息采集的自動化、實時性，且保證了數(shù)據(jù)的可靠性。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點,系統(tǒng)能夠獲得及時可靠的施工、人員數(shù)據(jù),以達(dá)到安全管控、人員管控的目的。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人員安全管理中的應(yīng)用。首先在施工人員的安全帽上安裝RFID射頻芯片,通過固定位置讀頭讀取RFID芯片信息,確定佩戴安全帽的人員位置。將讀頭信息通過無線傳輸逐級傳遞到中央監(jiān)控室中。控制室可通過芯片源反映在BIM模型中的位置來確定施工人員所處的具體位置,當(dāng)有突發(fā)狀況時可及時通知施工人員逃生方向或進(jìn)行救援。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在質(zhì)量管理信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。該部分的實現(xiàn)首先在管片構(gòu)件生產(chǎn)過程中,預(yù)埋入RFID芯片并寫入生成數(shù)據(jù)。在施工過程中通過手持機(jī)讀頭讀取管片內(nèi)芯片信息、寫入施工過程中的信息,并通過無線傳輸將施工數(shù)據(jù)傳遞到中央監(jiān)控室中。監(jiān)控室將獲取的管片信息反映在模型中,動態(tài)顯示隧道的推進(jìn)信息,并進(jìn)行實時監(jiān)測,也為隧道運營維護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 全方位的信息采集

以隧道為主體對象的全方位信息采集是實現(xiàn)施工動態(tài)管理的基礎(chǔ),并為實現(xiàn)隧道全生命周期管理打下基礎(chǔ)。施工過程中關(guān)注的信息包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備和環(huán)境信息,在運營維護(hù)階段可以通過獲取歷史施工信息對隧道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。各階段信息采集見表1。

表1 各階段信息類別獲取表格

2.3 基于BIM的多源異構(gòu)信息集成

由于隧道施工管理涉及的內(nèi)容較多,數(shù)據(jù)的采集方式與表現(xiàn)形式也各不相同,這就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的來源眾多、構(gòu)成成分不同。來自于聲音、視頻、RFID定位等技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),進(jìn)行存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也存在差異。通過多源異構(gòu)存儲與調(diào)用技術(shù)、數(shù)據(jù)流接口技術(shù)、控制模式技術(shù)的研發(fā),將不同數(shù)據(jù)來源、格式、存儲方式等在同一軟件平臺中運行,實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成,以加強(qiáng)隧道安全、進(jìn)度、質(zhì)量管理為目標(biāo)。

同時基于實時施工數(shù)據(jù)的BIM隧道施工模型將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的模型相對應(yīng),對該模型上的每個建筑材料和監(jiān)測點都在BIM隧道施工模型上進(jìn)行唯一標(biāo)識。這樣一旦施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過底層網(wǎng)關(guān)傳輸進(jìn)行修改后,在該施工模型中能準(zhǔn)確地進(jìn)行反映,通過對模型及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,動態(tài)展示隧道的施工過程。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示方式無法有效地將數(shù)據(jù)集成后進(jìn)行統(tǒng)一展示,而通過BIM技術(shù)則可以有效地將信息進(jìn)行集成,并通過三維模型將數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)。本項目通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行融合,并架構(gòu)基于模型的數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)數(shù)據(jù)在三維模型上的動態(tài)實時顯示。數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系(Entity-Relation,ER)如圖3所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

上海軌道交通12 號線11 標(biāo)工程地處徐匯區(qū)濱江開發(fā)區(qū),該工程是隧道股份市政工程(集團(tuán))有限公司地下工程板塊中重要的地鐵工程項目。工程主要包括龍華站—浦江南浦站區(qū)間隧道(長1 021 m)和浦江南浦站—大木橋路站區(qū)間隧道推進(jìn)工程(長1 220 m),以及旁通道2座、泵站1座,區(qū)間采用4臺Φ6340盾構(gòu)推進(jìn)。

3.1 人員安全管理

在施工過程中,由于施工人員流動性強(qiáng),所用施工設(shè)備有可能對施工人員的安全造成危害,在施工設(shè)備操作過程中,人們可能由于趕工期等原因會忽略一些重要的安全規(guī)范。因此,必須對施工人員以及設(shè)備進(jìn)行定位,形成一個網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行可視化表達(dá),這樣可以方便管理者對施工人員和設(shè)備進(jìn)行管理,同時也可以對施工人員及設(shè)備使用情況進(jìn)行統(tǒng)計。通過人員、設(shè)備跟蹤定位,對某些在施工過程中有可能出現(xiàn)危險的地方進(jìn)行重點監(jiān)控,一旦施工人員出現(xiàn)在危險區(qū)域或設(shè)備和人員之間小于安全距離時進(jìn)行預(yù)警。

3.2 盾構(gòu)管理

在施工過程中,對于盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)要進(jìn)行時刻跟蹤,盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的變化與整個施工過程息息相關(guān)。盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的信息化十分必要,系統(tǒng)將盾構(gòu)推進(jìn)至每一環(huán)時的參數(shù)都進(jìn)行記錄,并結(jié)合到BIM模型當(dāng)中,這樣既可以十分直觀地在以后的質(zhì)量事故中對盾構(gòu)行徑進(jìn)行追溯,又可以對盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實時的跟蹤。

3.3 管片跟蹤管理

管片是隧道的主要構(gòu)成部分,其狀態(tài)一定程度上決定了隧道的質(zhì)量。管片的滲漏、裂縫等結(jié)構(gòu)病害,若處理不當(dāng)可能導(dǎo)致危害極大的工程事故。將管片信息納入系統(tǒng),并結(jié)合BIM的圖形化展示,對模型上的管片進(jìn)行選擇時就可獲得相應(yīng)當(dāng)前管片的數(shù)據(jù)參數(shù)及歷史信息；模型漫游時,也可通過模型上的標(biāo)記,直觀看到管片存在的病害。病害較多的區(qū)段,則可納入重點監(jiān)察范圍,使管理更有針對性。

圖3 數(shù)據(jù)庫ER(實體—關(guān)系)圖

3.4 施工質(zhì)量管理

在隧道施工全過程中,現(xiàn)有的監(jiān)控一般都是監(jiān)測隧道施工過程中引起的地表沉降、墻體側(cè)斜、管線沉降等信息,這些信息都是分散記錄和統(tǒng)計的。通過利用BIM的優(yōu)勢,可建立一套三維立體的基于BIM的隧道施工全過程信息化監(jiān)控系統(tǒng),通過這些監(jiān)控信息和智能算法來預(yù)測在隧道施工過程中有可能出現(xiàn)的危險信息。同時,通過基于BIM的隧道施工全過程的信息化監(jiān)控和智能預(yù)警控制系統(tǒng),使得施工管理人員直觀地了解該隧道的施工進(jìn)度。而對于施工過程中的沉降也以三維立體圖的形式進(jìn)行展示。通過將隧道施工中的各種不同信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,再結(jié)合專家知識庫中類似隧道工程施工的信息來智能地預(yù)測出在隧道施工中可能出現(xiàn)的危險情況,保證施工人員的安全,提前對這些危險情況進(jìn)行報警,以提示人們在出現(xiàn)危險情況前,采取必要的措施,來避免危險事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

數(shù)字化施工管理工作在上海軌道交通12號線11標(biāo)的應(yīng)用取得了初步成功,但該系統(tǒng)僅僅覆蓋了施工管理工作,未來該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有數(shù)字化管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上向混凝土預(yù)制件、地下開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行拓展。將現(xiàn)有基于BIM的隧道施工管理平臺向前延伸至隧道BIM模型建立、管片生產(chǎn)管理系統(tǒng),向后將施工中的信息移交運營,為隧道后期維護(hù)管理提供便利,以實現(xiàn)盾構(gòu)隧道全生命周期管理。

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Tunnel Construction Management Platform Based on Building Information Model

QU Wenting, YU Gang

To achieve the real-time management of the quality,safety and equipment of rail transit project, strengthen the traceability of the information, a tunnel construction management platform combined with building information modeling(BIM) is set up, which contains four layers (equipement, resource, service and application) and five modules to realize the digital management of tunnel construction.The system has been applied to a project on Shanghai Metro Line 12.

tunnel; construction; information management; building information modeling(BIM)

U 455.1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.030

2015-10-12)