基于BIM的清華園隧道施工管理關鍵技術研究及應用實踐

楊 威,鮑 榴,王萬齊,王輝麟,解亞龍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所,北京 100081)

截至2018年底，我國鐵路營業里程達13.1萬km，其中鐵路隧道長度1.63萬km，占鐵路總里程的12.45%。高速鐵路營業里程達2.9萬km，其中高鐵隧道長度近0.5萬km，占高鐵總運營里程的16.89%[1]。如高黎貢山與望京隧道均采用大直徑掘進機施工。掘進機具有自動化程度高、施工速度快、可控制地面沉降，對地面建筑物和交通干擾小，特別適合城區地下空間開發的特點。但城區地下隧道施工有安全文明施工，對周邊環境擾動小、注重保護市政管線等要求。如何高效地將相對離散、封閉但又極其重要的施工數據組織起來，挖掘數據價值，來解決城區地下大型工程建設管理痛點問題，從而實現精益化施工管理是信息化工作者應積極探索的方向。

黨的十九大報告中提出“交通強國”戰略[2]，給鐵路行業轉型升級指明了發展方向。我國鐵路“十三五”發展規劃中也提出“大力促進數字化、信息化、智能化鐵路建設”的要求。BIM、物聯網、大數據等信息技術在基礎設施設計建造和運維階段的應用發展，給建設管理者們提供了全新的管理理念，也得到建設各方的廣泛認可。特別是在市政盾構隧道施工信息化方面，探索以統一IFC的BIM模型，將空間施工過程數據通過傳感設備進行實時采集與管理，實現了施工過程信息傳遞共享，標準化動態管理[3-5]。并將施工過程中產生的數據信息與BIM模型構件關聯，對質量問題三維可視化加上時間屬性，提高質量管理的精細化水平[6]。在鐵路隧道施工管理信息化方面，一方面提出以地質BIM模型為核心，結合超前地質預報可視化與地質信息綜合分析的技術路線[7]，另一方面，通過快速建模技術與施工組織結合，形成多種可視化虛擬建造方案，經過比選確定最佳施工方案[8-9]。運營維護階段也已經將BIM模型引入到隧道養護工作中，提供直觀可視化的工作界面，以期提高運維工作效率[10]。

綜上所述，盡管BIM技術在隧道工程設計、建造與運維等方面都有了不同深度的應用，但依然存在建模標準不統一，信息共享性、實時性、靈活性不高，建造數據價值利用率低等問題。鑒于此，依托京張高鐵清華園隧道，通過研究參數化建模、多源異構數據集成和統一建模編碼體系等關鍵技術，研發集進度、質量、安全風險管控、施工參數分析和施工輔助決策于一體的鐵路盾構隧道施工BIM管理系統，逐步實現數字隧道，精品工程的目標，并朝著鐵路工程智能化建設管理的發展方向邁進[11]。

1 工程概況

清華園隧道是新建北京至張家口高速鐵路的重點控制性工程，主要包括盾構段和明挖段隧道，平面示意如圖1所示。其中盾構段隧道系國內首條穿越北京主城區單洞雙線、大直徑、高風險的鐵路盾構隧道，全長5 330 m，在學院南路北側入地，并行城鐵13號線，依次下穿北三環路(上穿在建地鐵12號線)、知春路、地鐵10號線、北四環路、成府路、雙清路、上穿地鐵15號線后出地面。該地段地質復雜、環境風險高、施工難度大，長距離穿越卵石土地層，對刀盤刀具磨損大，不利于盾構連續掘進施工。下穿的地鐵線路承擔著巨大的客流輸送任務，施工過程中必須嚴格控制地表不均勻沉降；下穿的建筑物部分較為老舊，地面風險源及管線極多，穿越過程中如何保證敏感建筑安全，是盾構掘進控制的重點。隧道全線均在北京主城區內，沿線商業區分布較多，人員密集，文明施工和環境保護要求極高，施工中需采取各種措施減少環境破壞，保護周邊環境，要體現環保意識，樹立良好形象。同時各種電力設施、地下管線、通信線路密布，掘進過程中如何確保道路結構及管線安全，是本工程盾構施工控制的難點。

圖1 清華園隧道平面示意

明挖區間共2段，每段均由明洞段隧道和工作豎井組成，起止里程分別為：DK14+090～DK14+289和DK18+200～DK19+420，總長1419 m。明挖區間圍護結構為鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁。1號豎井深20 m、3號豎井深22.6 m，2號豎井深31～37 m。1號、3號豎井采用鉆孔灌注樁+旋噴樁圍護結構，鋼支撐支護體系；2號豎井采用地下連續墻圍護結構，鋼支撐支護體系。采用局部鋼筋混凝土支撐+鋼支撐支護體系。豎井深度大，地層穩定性差，容易失穩變形，并造成周邊沉降，是工程控制的重點。

2 關鍵技術

2.1 參數化建模

清華園隧道BIM模型主要分為4類，地質模型、結構模型、周邊環境模型和盾構機模型。BIM模型創建說明如表1所示。

表1 盾構隧道BIM建模要求說明

2.1.1 地質模型

三維地質模型包含地層模型、斷層、鉆孔等地質工程勘察信息，考慮地質專業建模的特殊性，本次地質建模精度高于初步設計精度，以保證在后續深化過程中地質專業不再重新建立模型。地質模型在地質勘探點處的幾何精度為1 mm，位置精度為10 mm。地質專業涉及的地層巖性多，采用了統一的地質材質標準、顏色標準、屬性標準、圖層標準等。按照統一標準完成的地質模型，整體更具有統一性。

2.1.2 結構模型

清華園隧道盾構段采用預制管片及軌下全預制構件拼裝創新技術，用拼裝的模式代替現澆法工藝，更符合盾構法隧道發揮對周圍環境影響小、自動化程度高、施工快速、優質高效、安全環保等優點。每環由9塊管片組成，包括1塊封頂塊、2塊臨接塊和6塊標準塊；軌下全預制結構采取中間預制“口”字件(中箱涵)+兩側預制邊箱涵的結構形式。在建模過程中，將結構劃分為基本零件，形成構件庫，并能根據設計圖從構件庫中調取模型生成隧道結構BIM模型。

2.1.3 周邊環境模型

隧道下穿北京核心城區，穿越市政管線、道路和建筑物多達上百處。根據實地考察和設計文件，創建了26處風險構筑物、88條重要市政管線以及10號、12號、13號與15號地鐵線，北三環、成府路等多條重要市政道路在內的BIM模型，為隧道施工系統開展實時可視化監控風險變化工作提供了位置關系、風險說明、應急方案等輔助決策信息。

2.1.4 盾構機模型

清華園隧道采用外徑12.2 m的大直徑泥水平衡盾構機施工。盾構機建模主要包括刀盤、盾體、推進油缸、溺水輸送機、管片拼裝機、拖車等主要零部件。盾構機模型的建立一方面能夠查看盾構機所在位置的地層地質情況，另一方面可與施工參數結合，實現設備狀態的可視化監測。

2.2 基于BIM的多源異構信息集成

清華園隧道數據信息來源于盾構機、RFID射頻標簽、圖紙、視頻、文字記錄等多種渠道，有效地組織處理數據成為平臺底層數據結構的關鍵。因此，有必要對形式復雜、格式不一、來源多樣的數據進行統一規劃。研究數模分離技術，形成以BIM模型為核心，與施工數據、結構數據、監測數據、風險數據、人員數據相互映射的數據架構。并通過數據調用技術、數據流接口技術、控制模式技術的研發，實現多源異構數據集中運行應用管理。

2.3 統一建模編碼體系

依據中國鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程實體結構分解指南(1.0)》、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0)》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0)》等BIM相關技術標準[12-14]，結合清華園隧道軌下全預制拼裝結構的特點，研究盾構隧道工程實體結構分解方式及專業構件編碼規則，通過附加IFD類型碼、EBS實體碼以及風險監測測點編碼等統一標準編碼，實現數據信息的靈活性、傳遞性和共享性，也補充完善了鐵路BIM聯盟相關標準。

鐵路工程建設管理中隧道結構EBS編碼如圖2所示。

圖2 預制箱涵EBS編碼示意

在建設基于BIM的隧道施工管理系統過程中，應遵循以下原則。

(1)工點編碼，由鐵路工程管理平臺統一編碼下發，前6位表示項目編碼，第7、8 位為專業代號，第 9、10、11、12 位為工點順序號。

(2)結構類別碼，第13、14位為結構類別位，例如地基加固與處理DJ，初期支護CZ，襯砌CJ。

(3)結構部位標識碼，第15、16位是結構部位標識位，單洞單線隧道為00，單洞雙線或多線隧道時，結構部位標識位應由小里程向大里程方向，從左到右依次是01、02…。

(4)結構部位順序碼，第17、18、19、20位為結構部位順序位。

(5)構件類別碼，第21、22、23、24位為構件類別位，例如管片0304，箱涵0313。

(6)構件標識碼，第25、26位為構件標識位，若只存在唯一構件則為00，若存在多個構件，應由小里程向大里程方向，從左到右依次是01、02…。

(7)構件順序碼，第27、28、29、30、31位為構件順序位。

示例：XPBZ01040010.CJ.01.0001.0313.00. 00001，解釋為新建北京至張家口鐵路清華園隧道1號盾構段左線1號節段第一塊箱涵預制構件。

3 基于BIM的隧道施工管理系統構建

3.1 系統架構設計

系統整體架構由網頁端和手持應用終端組成。服務器端配置由SQL Server服務器、防火墻和路由器組成，負責提供數據存儲、訪問和管理服務。通過BIM模型輕量化處理發布、調用，實現設計與施工階段數據無縫銜接，并為后期的運營維護提供數據信息。手持應用終端采用響應速度較快、安全性較高的C/S架構，保證施工數據獲取的時效性。

基于BIM的隧道施工管理系統分為5層架構，包括設備層、數據層、模型層、功能層和應用層，如圖3所示。

設備層包括監控監測傳感器、視頻監視器、射頻識別芯片(RFID)和手持終端。在豎井、建筑物、道路、盾構頂層地面等關鍵位置布設檢測傳感器，動態采集沉降、傾斜、應力等監測數據。通過RFID芯片和手持終端采集管片拼裝質量數據，固定式RFID讀寫器獲取門禁、盾構機、人員定位等動態數據。獲取的多源數據通過網絡統一回傳至中心服務器進行數據處理分析。

數據層包括預制構件生產、質量追溯、監控監測、人員定位等數據庫，將預制構件生產過程數據、盾構拼裝質量數據、風險監測數據、人員定位數據通過異構多源數據融合機制集成到BIM模型和中心數據庫。

模型層包括地層地質模型、周邊環境模型、隧道結構模型和盾構機模型。模型層以設計院提供的BIM模型為源頭，通過輕量化處理、數模分離，提取幾何信息和非幾何信息，形成設計階段屬性數據庫，并與建造數據互通。

功能層是通過自主研發WebGL的CarsView圖形引擎對各類BIM模型統一集成管理，包括施工質量追溯、進度跟蹤、安全風險監控、人員軌跡分析、施工參數挖掘、盾構工效分析等服務，實現各參建方數據共享與應用。

應用層是為各參建方提供包括Web、手持終端和調度中心的應用服務，滿足人機交互需求。

圖3 系統架構

3.2 基于BIM隧道施工管理系統實施流程

依托鐵路總公司重點科研課題，重點研究參數化建模、多源異構數據集成、統一建模編碼體系等關鍵技術。并結合清華園隧道工程特點、管理要求、施工難點等進行施工系統需求分析，形成系統架構設計、功能設計和網絡安全設計技術方案。對設計院提供的不同深度模型輕量化處理，將施工組織信息、人員組織結構信息、技術方案信息和管理信息與BIM模型融合，通過WebGL圖形引擎研發基于BIM的清華園隧道施工管理系統，通過功能測試、性能測試與安全測試后部署在鐵路工程管理云平臺上，組織系統使用人員培訓，并建立消息日志與容災備份等運維保障機制。實施流程如圖4所示。

圖4 基于BIM隧道施工管理系統實施流程

4 應用實踐

4.1 預制件管理

清華園隧道預制構件供應商為中鐵十四局房山橋梁廠，研發的手持終端設備具備鋼筋加工、鋼筋安裝、模具檢查、澆筑、蒸汽養護、脫模、噴碼、灑水養護等構件制造全過程數據采集功能，如圖5所示，并在堆場和出場過程中粘貼二維碼，保證構件制造信息流轉到施工拼裝階段，與拼裝質量數據融合，實現信息傳遞和共享。

圖5 出廠登記

4.2 進度管理

將盾構機掘進施工時間、持續時長和里程位置等進度數據通過抽取算法與進度判定算法分析，結合施工計劃與BIM模型，實時判別進度超前或滯后，形成計劃與實際進度三維可視化對比分析，并將實時分析的結果反饋到項目管理人員，提高進管控時效性，輔助施工方案調整與決策，施工進度模擬如圖6所示。

圖6 施工進度模擬

4.3 質量追溯

通過安裝在管片上的RFID標簽，動態采集隧道拼裝質量、結構健康狀態、跟蹤修復結果等數據信息，并分析隧道軸線偏差、管片橢圓度、錯臺、滲漏、破損等工程質量數據，如圖7所示。可點擊平面示意圖和三維BIM模型查詢實體結構的拼裝時間、注漿量、二次注漿量、外觀質量信息，形象直觀快速地為相關質量監督人員指明問題所在，同時保證隧道質量具有可追溯性，如圖8所示。

圖7 管片拼裝質量

圖8 施工質量追溯

4.4 風險監控

通過對隧道線路走向及周邊范圍內風險源梳理，建立包括地面風險構筑物、地下復雜管線、臨近地鐵線、既有鐵路線以及成型隧道結構的監控監測預警體系，與盾構掘進拼裝進度密切關聯，提前對盾構機即將穿越的風險源發出警示提醒；并采用Revit和MicroStation建模軟件創建所有的風險源、地層地質及監測點BIM模型，提供隧道與風險源空間位置關系；結合地層地質中的屬性參數信息，自動檢索匹配數據庫中的工程地質參數，判定相應的地質風險因素，提供專項應急處理方案便于用戶查詢。在盾構施工遠程調度中心大屏上實時關注監控量測數據、盾構機施工數據與人員定位信息，切實可行組織落實風險預警管控措施，盾構工作井風險實時監測數據分析如圖9所示。

圖9 風險源監測

4.5 盾構遠程監控

將盾構掘進姿態、刀盤扭矩、同步注漿、泥水循環和盾尾油脂等施工數據引入地面調度監控中心，便于實時掌握地下盾構機運行狀態，如圖10所示，并將數據信息與盾構機BIM模型關聯，有助于動態模擬優化盾構施工實施方案。對盾構隧道單環管片的掘進、拼裝、施工3種狀態所需時間數據結構化存儲和工效分析，有助于項目管理人員掌握盾構機施工規律，輔助施工組織優化，并為日常盾構機養護、資源動態優化調整等提供依據。

圖10 遠程盾構機監控

4.6 信息總覽

綜合展示清華園隧道工程形象進度、管片拼裝質量、安全風險監控、盾構機掘進姿態以及成型隧道質量等信息，以三維可視化漫游方式便于快速了解隧道施工進展，如圖11所示。

圖11 信息總覽

5 系統特點

基于 BIM技術的清華園隧道施工管理系統具備以下技術特點。

(1)標準化：根據《鐵路工程實體結構分解指南(1.0)》、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0)》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0)》等BIM相關技術標準[12-14]，建立并豐富鐵路盾構隧道工程實體結構分解與編碼規則，補充完善鐵路BIM聯盟標準，并為其他在建隧道提供建模編碼范例。

(2)全壽命：以二維碼和RFID射頻電子標簽為信息載體，便于施工過程數據采集與查詢，并與建造期數據融合，形成類似裝配式的隧道生產、運輸、拼裝以及后期運營健康數據信息的全壽命質量追溯體系。

(3)可視化：自主研發WebGL為瀏覽器展示層技術的CarsView圖形引擎，建立實時數據驅動的盾構隧道形象進度與安全風險管控體系，形成基于BIM的盾構隧道施工可視化管理模式。

6 結論與展望

結合穿越核心主城區大直徑鐵路盾構隧道關鍵施工難點問題，重點突破參數化建模、多源異構數據融合和統一建模編碼體系等關鍵技術，研發各方參與、信息共享、可擴展應用的鐵路隧道BIM施工管理系統，有效解決了盾構隧道施工中遇到的進度卡控、資源平衡配置、質量病害追溯、環境風險監測、盾構遠程監控等重難點問題，并在京張高鐵清華園隧道中成功應用，提升了盾構隧道施工數字化、信息化與精益化管理水平，取得了良好應用效果。

通過基于BIM的鐵路隧道施工管理系統收集了勘察設計與建造等數據，為探索建維一體化技術路線，打造工程建設全生命周期數據鏈條奠定了基礎。同時，依托鐵路工程管理平臺，可形成全路隧道遠程監控平臺，實現向項目群信息化管理方式的轉變。