BIM技術(shù)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用

李揚(yáng)

（甘肅路橋公路投資有限公司，蘭州 730000）

1 項(xiàng)目背景

武都至九寨溝高速公路項(xiàng)目位于甘肅省隴南市境內(nèi)，是省內(nèi)及國(guó)內(nèi)率先在公路工程勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)全生命周期過(guò)程中全面推廣應(yīng)用BIM 技術(shù)的特大型工程，目的在于利用BIM 技術(shù)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的工程信息進(jìn)行收集、溝通和協(xié)調(diào)，推動(dòng)信息化技術(shù)在本工程建設(shè)中的充分應(yīng)用，保證工程建設(shè)質(zhì)量，減少投資成本。

2 BIM技術(shù)對(duì)于隧道工程建設(shè)的意義

在隧道工程建設(shè)中，可以通過(guò)OpenRoads Designer 軟件中的GINT civil tools 地質(zhì)建模插件，結(jié)合設(shè)計(jì)圖以及地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)建立隧道地質(zhì)三維模型，再通過(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)BIM 軟件建立隧道的洞門(mén)、洞身、防排水、人行及車(chē)行橫通洞、輔助坑道、附屬設(shè)施構(gòu)件等高精度BIM 模型。三維地質(zhì)模型組成可支持剖切查看，便于在隧道等重要結(jié)構(gòu)施工時(shí)掌握周邊圍巖情況，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多工點(diǎn)鉆孔數(shù)據(jù)的管理；通過(guò)創(chuàng)建包含項(xiàng)目所有地質(zhì)信息的三維地質(zhì)BIM 模型，可生成任意地質(zhì)剖面圖，幫助設(shè)計(jì)人員更加清楚地了解工程地質(zhì)情況，提高設(shè)計(jì)方案的合理性；高精度的BIM 隧道模型可以直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，并可在施工過(guò)程中提前檢查設(shè)計(jì)問(wèn)題，規(guī)避因施工圖存在問(wèn)題而造成返工、設(shè)計(jì)變更等問(wèn)題，同時(shí)，提高施工效率，縮短施工周期，節(jié)約施工成本。

3 BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用

由于該隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，僅主洞就含有7 種襯砌類(lèi)型，基于現(xiàn)場(chǎng)勘察信息建立工程區(qū)三維精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建隧道BIM 精細(xì)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)與隧道BIM 模型融合；研發(fā)面向Web 的隧道BIM 云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端（手機(jī)、Pad等）、PC 機(jī)等的無(wú)縫兼容及跨平臺(tái)功能，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息采集（圖片、文字）及安全隱患管理[1]。

3.1 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在隧道設(shè)計(jì)階段，充分利用BIM 可視化技術(shù)，可以將隧道模型與周?chē)h(huán)境相融合，結(jié)合周邊地形環(huán)境與山體走向等進(jìn)行方案論證。在各專(zhuān)業(yè)建模過(guò)程中，對(duì)設(shè)計(jì)文件中存在的錯(cuò)、漏、碰、缺進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)核，并及時(shí)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

同時(shí)，通過(guò)WBS 字典，本項(xiàng)目組將隧道的單位工程按照隧道左右幅的不同，將豎井和斜井劃分為單獨(dú)的單位工程，同時(shí)，將隧道按照路線(xiàn)左右幅拆分為2 個(gè)單位工程。1 個(gè)單位工程為1 個(gè)DGN 模型文件，里面包含了表達(dá)該單位工程“形象”的所有構(gòu)件或單元，里面的構(gòu)件或單元按照?qǐng)D層來(lái)區(qū)分不同的分項(xiàng)工程，單個(gè)構(gòu)件表達(dá)對(duì)應(yīng)的1 個(gè)工程實(shí)體部位，為后期出圖算量等提供完整、精確的三維模型數(shù)據(jù)及依據(jù)。

3.1.1 BIM 三維地質(zhì)模型

建立復(fù)雜的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，是確保工程構(gòu)筑物信息模型準(zhǔn)確性的重要的環(huán)境要素，對(duì)于合理分析和預(yù)測(cè)隧道施工過(guò)程所遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題具有重要意義。本項(xiàng)目以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立地質(zhì)三維地層的網(wǎng)格曲面（mesh 面）后，可以迅速得出勘探線(xiàn)位置工程地質(zhì)剖面圖；其他非勘探線(xiàn)區(qū)域也可便捷地編輯出工程地質(zhì)剖面圖；可讀取數(shù)據(jù)庫(kù)鉆孔數(shù)據(jù)快速出鉆孔柱狀圖；可出工程地質(zhì)平切圖等地質(zhì)圖件。

利用測(cè)繪專(zhuān)業(yè)提供的傾斜攝影數(shù)據(jù)生成地形面，建立地質(zhì)三維地層mesh 面后嚴(yán)格穿過(guò)所有等高線(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成的地形面非常貼合實(shí)際地形。利用鉆孔的土層分層數(shù)據(jù)建立不同土層分層mesh 面，使用80 多個(gè)鉆孔的土層分層數(shù)據(jù)和添加的一些地質(zhì)工程師判斷的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立土層分層mesh 面，生成的土層分層mesh 面穿過(guò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)且所有數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的連接方式為光滑過(guò)度連接，使生成的土層分層面更符合實(shí)際土層分層走向。項(xiàng)目建立的地質(zhì)三維模型共建立了碎石土、泥盆系砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、灰?guī)r、片巖、板巖、變質(zhì)砂巖等8 個(gè)大的土層分層面和透鏡體與夾層，建立的地質(zhì)三維模型中的每個(gè)地質(zhì)層都具有相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，并且可生成相應(yīng)的剖面圖、鉆孔柱狀圖等，同時(shí)，將建立的地質(zhì)三維模型（見(jiàn)圖1）和相應(yīng)圖紙?zhí)峁┙o下游設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。

圖1 三維地質(zhì)模型

3.1.2 BIM 算量技術(shù)

BIM 技術(shù)不僅可以提供項(xiàng)目的三維可視化效果，還可以對(duì)隧道的材料使用量、成本進(jìn)行計(jì)算。具體過(guò)程為：通過(guò)專(zhuān)業(yè)BIM 軟件得到的隧道模型，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)、材料、體積、數(shù)量等做大致估算，既可以在施工前為施工方提供大致的數(shù)據(jù)信息，也可以在施工后對(duì)實(shí)際施工情況進(jìn)行評(píng)估比較。

通過(guò)自主研發(fā)的BIM 算量插件，可以將不同構(gòu)件信息及不同單位工程內(nèi)所有的材料的尺寸大小、數(shù)量、名稱(chēng)等信息直接進(jìn)行處理與分析，然后，整合模型出具數(shù)量表。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行少量的設(shè)計(jì)變動(dòng)，只需將要變更的內(nèi)容輸入表格中，之后，其模型也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的改變（見(jiàn)圖2）。

圖2 BIM算量

3.1.3 碰撞檢查

利用BIM 可視化技術(shù)建立完善的模型后，可以通過(guò)Navisworks 軟件對(duì)高樓山隧道設(shè)計(jì)中的潛在結(jié)構(gòu)沖突進(jìn)行有效的辨別（見(jiàn)圖3），通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)102 處鋼筋碰撞、13 處不合理設(shè)計(jì)，并出具檢查報(bào)告，由于提前預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤大大節(jié)省了工程時(shí)間，降低了施工及設(shè)計(jì)成本。

圖3 碰撞檢查

3.2 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

3.2.1 BIM 可視化管理

BIM 可視化管理主要是從項(xiàng)目施工管理角度出發(fā)，參考“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維模式和發(fā)展背景，依托大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以GIS 引擎承載傾斜攝影三維實(shí)景隧道模型，集成建設(shè)項(xiàng)目施工過(guò)程中的質(zhì)量、進(jìn)度、安全、檔案等數(shù)據(jù)，將BIM 技術(shù)與其他多種技術(shù)跨界融合，應(yīng)用于工程項(xiàng)目的綜合管理，搭建BIM+GIS 三維可視化綜合管理平臺(tái)。平臺(tái)以三維GIS 環(huán)境及BIM 模型為數(shù)據(jù)載體，實(shí)現(xiàn)建設(shè)管理期間的全生命期項(xiàng)目應(yīng)數(shù)據(jù)管控、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新及智能分析等需求。

基于項(xiàng)目區(qū)域GIS 云服務(wù)平臺(tái)和BIM+GIS 融合技術(shù)，搭建B/S 架構(gòu)的三維可視化項(xiàng)目管理展示系統(tǒng)，使用戶(hù)無(wú)須安裝其他軟件或插件的情況下即可通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)三維GIS 環(huán)境的高性能加載及渲染效果，可將場(chǎng)景內(nèi)的高精度BIM 模型或GIS 數(shù)據(jù)作為可視化的數(shù)據(jù)載體，支持多種三維模型的輕量化展示及空間點(diǎn)選查詢(xún)，模型掛接對(duì)應(yīng)圖紙等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)與施工業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)掛接。開(kāi)發(fā)空間量測(cè)、區(qū)域標(biāo)注、屬性添加等GIS 應(yīng)用（見(jiàn)圖4）。

圖4 BIM+GIS 云平臺(tái)

3.2.2 施工方案模擬

傳統(tǒng)的技術(shù)交底一般以文字為主，經(jīng)施工管理人員學(xué)習(xí)后，用口頭傳授的方式對(duì)工人們講解，但由于是口頭傳授，會(huì)存在口音與語(yǔ)速等問(wèn)題，這樣會(huì)使施工人員在理解時(shí)存在較大的困難，從而會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生極大的安全影響甚至造成不必要的人員財(cái)產(chǎn)損失。基于超高精度的隧道三維模型，在技術(shù)交底環(huán)節(jié)可以對(duì)重要工點(diǎn)及重難點(diǎn)施工工藝進(jìn)行施工動(dòng)畫(huà)模擬，生動(dòng)、直觀地體現(xiàn)各個(gè)重難點(diǎn)施工工藝，方便施工工人進(jìn)行理解，提高施工效率，降低施工事故的發(fā)生率。

3.2.3 隧道BIM 云平臺(tái)技術(shù)及應(yīng)用

基于BIM 信息化平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)從隧道地質(zhì)BIM 模型到數(shù)值計(jì)算模型的轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)建工程區(qū)及隧洞施工過(guò)程的三維高精度數(shù)值計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，基于所研發(fā)的高性能數(shù)值計(jì)算分析方法，深入開(kāi)展隧道施工過(guò)程精細(xì)化計(jì)算分析，分析隧道施工過(guò)程、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)變形及受力特性，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息開(kāi)展隧道圍巖變形強(qiáng)度參數(shù)的反演分析研究，從而保證計(jì)算參數(shù)及分析的合理性，實(shí)現(xiàn)隧道變形的精細(xì)化變形預(yù)測(cè)，為施工過(guò)程及工法優(yōu)化提供可靠的參數(shù)支持，并且可以揭示隧道圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形機(jī)制，為工程隧道施工及控制提供理論與技術(shù)支撐。

通過(guò)平臺(tái)內(nèi)一系列的功能應(yīng)用，可以在PC 應(yīng)用終端和移動(dòng)應(yīng)用終端實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)。云平臺(tái)可以為現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供多種基礎(chǔ)服務(wù)功能，主要由五大類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用和一個(gè)用戶(hù)管理模塊構(gòu)成，其中，業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊主要包括用戶(hù)管理模塊、可視化功能模塊、項(xiàng)目與工程信息管理模塊、現(xiàn)場(chǎng)施工管理模塊、監(jiān)測(cè)信與預(yù)警預(yù)報(bào)功能模塊（見(jiàn)圖5）[3]。

圖5 隧道BIM云平臺(tái)

4 結(jié)語(yǔ)

在新基建熱潮下，隧道建管養(yǎng)平臺(tái)也給BIM 技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇，在BIM 技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中，將BIM 和隧道施工、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬相結(jié)合，不僅可以通過(guò)模型快速進(jìn)行碰撞檢查，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論驗(yàn)證及方案的快速修改，通過(guò)模型進(jìn)行隧道涌水方案模擬、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維模型分析檢測(cè)等，還可以使整個(gè)施工過(guò)程更加科學(xué)化，不但提高了施工管理的效率，也使得施工管理成本降低，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)利益的最大化，推進(jìn)隧道工程建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展。