基于建筑信息模型的隧道施工管理平臺

瞿文婷 喻 鋼

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

為了實現工程質量、安全、設備的實時管理,并增強信息的可溯性,本項目基于建筑信息模型(BIM)技術,結合物聯網等信息手段,建立了基于BIM的隧道施工管理平臺。平臺具有設備層、資源層、服務層和應用層等4層結構，以及系統管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構監控等5大模塊,實現隧道工程數字化管理。該管理平臺已在上海軌道交通12 號線11 標工程上得以應用。

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進入了快速發展時期。以上海為例,2015年就新通軌道交通線路達40 km,至年底地鐵隧道網絡總長達到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。

隧道工程的快速發展也為隧道工程建設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,使其建設過程不易管理。首先,地下工程隱蔽性強,尤其是位于城區的地鐵隧道建設,大多建于人口稠密的區域,周圍環境十分復雜,稍有不慎，易引起周邊建筑物和地下管網的變形、位移或沉降過大，造成嚴重的工程事故[1]。其次,施工現場信息交流程度低,隧道施工現場都在地面以下,環境較封閉,難以獲得人員及設備信息；信息的不流暢可能導致在事故發生時難以對施工人員進行定位而開展及時的救援[2]。第三,施工現場設備復雜,隧道工程需要依賴盾構機進行施工,處于封閉不開闊的環境；其中的機電、施工設備也較為復雜,較難管理。

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

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

本項目以BIM為中心,結合物聯網技術手段,建立了隧道施工管理平臺,以實現上海軌道交通12號線11標中施工的科學、有效、準確的管理。總體研究目標是結合BIM技術,從質量、材料、安全、設備4個方面對隧道施工全過程進行管控。

1 系統架構

1.1 系統架構圖

基于BIM的隧道施工管理平臺分為4層架構,包括設備層、資源層、服務層和應用層,如圖1所示。

第1層為設備層。設備層包括視頻監視器、物聯網信息采集系統和中心服務器。在工地上部署多個視頻監視器,通過網絡傳回中心服務器,對工地現場進行實時監控。物聯網信息采集系統包括射頻識別(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、電機車、盾構機、井口門禁閘機等工地各個區域,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埋入的RFID芯片,以實現管片質量信息的動態獲取。獲取的數據通過網絡統一傳回至中心服務器,對數據進行處理。

第2層為資源層。資源層包括數據資源及模型資源。數據資源包括人員定位系統、管片質量系統和盾構推進系統等,將其動態實時采集的人員位置信息、管片質量信息、盾構施工推進信息等,采用異構數據融合機制,通過數據接口適配器,將人員位置信息、管片質量信息、進度信息數據等集成到BIM模型及中心數據庫。模型資源是通過一個BIM數據集成平臺,實現工業基礎分類(industry foundation classes,IFC)模型數據的讀取、提取、集成和顯示,可針對現場施工的不同工況,將數據資源進行有機的組織,形成具有特性的模型,提供不同視角下的數據呈現。

第3層為服務層。服務層是系統各個模型的集成與管理,保障各項功能模塊的順利實現,是用戶應用交互層與模型層之間的紐帶,是施工實時智能監控平臺的具體功能與應用的展現。包括施工進度實時顯示、周邊環境監測、人員軌跡監控、管片質量跟蹤等服務,通過網絡技術支持項目各參與方分布式的工作模式,基于相應的BIM模型,獲取所需要的模型數據,支持基于BIM技術的各系統的應用和數據共享。

第4層為應用層。應用層是進行人機交互的界面,用戶在該層獲取系統提供的服務。

圖1 系統架構圖

1.2 系統模塊圖

基于BIM的隧道施工管理平臺包括系統管理、施工管理、管片跟蹤、人員跟蹤、盾構監控5個模塊,如圖2所示。其中,系統管理模塊負責實現系統中用戶信息的管理、模型基礎數據的維護、平臺基礎數據的維護以及系統運行環境的配置。

圖2 系統模塊圖

2 原理與實現

2.1 物聯網傳輸技術的應用

物聯網在信息采集、傳輸方面的應用改變了原來人工現場手動記錄模式,實現了信息采集的自動化、實時性，且保證了數據的可靠性。結合物聯網技術的優點,系統能夠獲得及時可靠的施工、人員數據,以達到安全管控、人員管控的目的。

物聯網技術在人員安全管理中的應用。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,當有突發狀況時可及時通知施工人員逃生方向或進行救援。

物聯網技術在質量管理信息管理系統中的應用。該部分的實現首先在管片構件生產過程中,預埋入RFID芯片并寫入生成數據。在施工過程中通過手持機讀頭讀取管片內芯片信息、寫入施工過程中的信息,并通過無線傳輸將施工數據傳遞到中央監控室中。監控室將獲取的管片信息反映在模型中,動態顯示隧道的推進信息,并進行實時監測,也為隧道運營維護提供數據基礎。

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施工動態管理的基礎,并為實現隧道全生命周期管理打下基礎。施工過程中關注的信息包括結構、設備和環境信息,在運營維護階段可以通過獲取歷史施工信息對隧道進行養護。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的多源異構信息集成

由于隧道施工管理涉及的內容較多,數據的采集方式與表現形式也各不相同,這就導致了數據的來源眾多、構成成分不同。來自于聲音、視頻、RFID定位等技術產生的數據,進行存儲的數據結構也存在差異。通過多源異構存儲與調用技術、數據流接口技術、控制模式技術的研發,將不同數據來源、格式、存儲方式等在同一軟件平臺中運行,實現數據集成,以加強隧道安全、進度、質量管理為目標。

同時基于實時施工數據的BIM隧道施工模型將采集的監測數據與數據庫中的模型相對應,對該模型上的每個建筑材料和監測點都在BIM隧道施工模型上進行唯一標識。這樣一旦施工現場數據通過底層網關傳輸進行修改后,在該施工模型中能準確地進行反映,通過對模型及實時監測數據的分析,動態展示隧道的施工過程。

傳統的數據展示方式無法有效地將數據集成后進行統一展示,而通過BIM技術則可以有效地將信息進行集成,并通過三維模型將數據直觀地呈現。本項目通過對多源異構數據與BIM模型進行融合,并架構基于模型的數據庫,實現數據在三維模型上的動態實時顯示。數據庫實體關系(Entity-Relation,ER)如圖3所示。

3 系統應用

上海軌道交通12 號線11 標工程地處徐匯區濱江開發區,該工程是隧道股份市政工程(集團)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—浦江南浦站區間隧道(長1 021 m)和浦江南浦站—大木橋路站區間隧道推進工程(長1 220 m),以及旁通道2座、泵站1座,區間采用4臺Φ6340盾構推進。

3.1 人員安全管理

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

3.2 盾構管理

在施工過程中,對于盾構機的狀態要進行時刻跟蹤,盾構機狀態的變化與整個施工過程息息相關。盾構機狀態的信息化十分必要,系統將盾構推進至每一環時的參數都進行記錄,并結合到BIM模型當中,這樣既可以十分直觀地在以后的質量事故中對盾構行徑進行追溯,又可以對盾構機的狀態進行實時的跟蹤。

3.3 管片跟蹤管理

管片是隧道的主要構成部分,其狀態一定程度上決定了隧道的質量。管片的滲漏、裂縫等結構病害,若處理不當可能導致危害極大的工程事故。將管片信息納入系統,并結合BIM的圖形化展示,對模型上的管片進行選擇時就可獲得相應當前管片的數據參數及歷史信息；模型漫游時,也可通過模型上的標記,直觀看到管片存在的病害。病害較多的區段,則可納入重點監察范圍,使管理更有針對性。

圖3 數據庫ER(實體—關系)圖

3.4 施工質量管理

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

4 結語

數字化施工管理工作在上海軌道交通12號線11標的應用取得了初步成功,但該系統僅僅覆蓋了施工管理工作,未來該系統可以在現有數字化管理系統基礎上向混凝土預制件、地下開發等領域進行拓展。將現有基于BIM的隧道施工管理平臺向前延伸至隧道BIM模型建立、管片生產管理系統,向后將施工中的信息移交運營,為隧道后期維護管理提供便利,以實現盾構隧道全生命周期管理。

[1] 周文博.地鐵隧道工程施工信息化管理與應用研究[J].科技與企業,2014(23):61.

[2] 甘培生.隧道施工與安全智能管理系統應用研究[D].西安：長安大學,2012.

[3] 朱江.BIM在鐵路設計中的應用初探[J].鐵道勘察,2010,36(6):73-76.

[4] 盧祝清.BIM在鐵路建設項目中的應用分析[J].鐵道標準設計,2011,31(10):4-7.

[5] 劉小方.BIM在長江西路越江隧道項目的應用[J].土木建筑工程信息技術,2013,5(6):107-110.

[6] 逯宗田.鐵路設計應用BIM的思考[J].鐵道標準設計,2013,33(6):140-143.

[7] 李俊松,董鳳翔,張毅，等.基于達索平臺的鐵路隧道工程全生命周期 BIM 技術應用探討[J].鐵路技術創新,2014(2):53-56.

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)