BIM下隧道信息化施工管理系统浅析

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【摘要】隧道工程所处的地质环境较为复杂，且在工程建设过程中的信息管理方式落后，给隧道的施工带来较大的风险。为了控制重庆轨道交通十号线南坪站至南滨路站区间隧道建设过程中的质量、安全、进度、成本等因素，综合利用物联网、大数据、云计算等方法构建基于bim的隧道信息化施工管理系统。所建立的BIM系统将监测点与BIM模型相关联，实现监测数据的可视化显示。BIM系统与施工管理的结合推进了隧道项目施工管理的信息化研究，提升了BIM技术在隧道工程管理中的有效利用。

【关键词】BIM；隧道工程；信息化施工；管理系统

1引言

随着我国城镇化水平的不断提高，城市建设用地紧缺、交通拥堵等问题也日益突出，开发和利用城市地下空间是实现城市可持续发展的有效途径[1]。现今，隧道工程已成为交通、能源、供水、储存、城市公用事业、军事设施、大坝和防洪工程的组成部分。然而，与传统的建筑工程相比，隧道所处的地质环境较为复杂且这些地质信息难以完全掌握。此外，由于各工程参与方信息共享不足，信息管理方式落后等问题，隧道施工表现出不确定性和风险[2]。建筑行业的建筑信息建模(BIM)集成了物联网、大数据、云计算等一系列先进信息技术，可以涵盖整个项目生命周期中施工所需的几乎所有信息[3]。BIM技术在隧道与地下工程等基础设施项目建设中的应用还处于发展阶段，未来具有很大的应用潜力[4]。在隧道施工阶段会产生如项目文件、隧道分析、现场测量和项目状态报告等数据[5]。一般情况下，项目参与者之间的数据交换是手动进行的。然而，这些信息都是高度相互依存的，需要通过媒介整合，BIM可以为隧道等复杂项目提供一个集成和协作的平台[6]。目前，国内很多学者对隧道工程信息化施工开展了一系列研究。黄福杰等[7]基于Bentley系列软件研究了沉管隧道的模型建立，并将其应用于碰撞检查、工程量辅助统计、力学分析等，提高了工程项目建设的质量和效率。黄琦茗等[8]使用Micro‐Station二次开发工具研究了隧道的参数化建模方法，同时也实现了工程量的自动统计，提高了设计效率。王潇潇等[9]研究了建立面向工程结构化对象的隧道BIM模型的方法，并运用到4D虚拟施工及工程自动核算中。丁延书[10]将三维激光扫描与BIM技术相结合，实现了在隧道工程施工中的模型重构和仿真。廖峻等[11]基于B/S框架开发了隧道管理系统，主要能够实现不良地质管理、工程资料管理，构件管理等问题，提高了隧道的信息化管理水平。张志伟等[12]依托北京地铁19号线研究了基于BIM和GIS的三维场景显示和风险巡视，能够有效地集成风险信息，提高风险的识别能力。目前基于BIM的隧道管理系统主要针对隧道工程的施工进度和施工质量的管理，将隧道施工安全、进度、质量、成本等统一起来形成一个完整的体系的研究还比较少。本文基于重庆轨道交通十号线南坪站至南滨路站区间隧道工程，开发了基于BIM的隧道信息化施工管理系统，包括的功能有施工模拟、人员定位、视频监控、安全监测、质量检查。以隧道的施工质量、安全、进度和成本为切入点，形成了隧道的信息化施工。

2工程背景

重庆轨道交通十号线南坪站至南滨路站区间隧道工程，起点里程为YK5+353.179，终点里程为YK6+350.497，长度约997.3m。区间线路自南坪站出发后向北布设，下穿洋河南滨花园小区、金鸣公司后接入南滨路站。本区间隧道拱顶埋深25m～54m，穿越岩层主要有砂岩和砂质泥岩，围岩级别为IV级。隧道按新奥法原理设计，采用钻爆法施工，复合式衬砌结构。为了提高该隧道施工管理的信息化，引进了BIM模型对施工现场的质量、进度以及安全等方面进行有效的把控，本文基于AutodeskRevit软件进行建模。由于隧道工程在空间上是条带状分布的，因此在隧道模型建立时，需要考虑隧道在不同位置构件的特殊性和互通性。对族文件进行统一的建立和管理，简化模型的建立流程、减小所建立隧道模型的体积，所建立的隧道BIM模型如图1所示。

3系统架构设计

本文所建立的基于BIM的隧道信息化施工管理系统采用B/S架构。B/S架构是将浏览器作为系统的客户端，几乎所有的电脑、手机及平板都装有浏览器，用户可以在浏览器上完成数据上传、管理及交流共享，各个用户之间的信息交流非常方便。也不需要安装专门的客户端，自然也不需要进行客户端维护升级，软件维护成本相对较低，同时由于B/S架构的软件系统大部分的操作都在服务器中完成，对客户端的硬件性能求较低。如图2所示，基于BIM的隧信息化施工管理系统由用户层、功能层、数据层和设备层4层架构组成。用户层是指为系统的登录提供多方人员的支持。为了能充分的发挥本信息管理系统分享信息的优势，但又同时兼顾信息安全性。功能层是指该系统主要包括施工模拟、人员定位、视屏监控、安全监测和质量检查等功能。数据层是指使用MicrosoftSQLServer来建立人员定位数据库、监测数据库和质量检查数据库等。设备层包括RFID芯片、高清摄像头和监测传感器等，动态地采集数据，并将数据通过网络转给数据库和服务器。

4系统功能应用

以重庆轨道交通十号线南坪站至南滨路站区间隧道工程为依托的BIM信息化施工管理系统集成施工模拟、人员定位、视频监控、安全监测、质量检查，为指导隧道信息化施工提供了技术依据。

4.1施工模拟

模型的构建和管理基于工作任务分解结构(WBS)，分别列出各子项目的计划内容以及各子项目的计划起始和结束时间。根据实际的施工过程，将每个构件的实际起始和结束时间上传到系统中。最终，系统可以建立一个包含计划起始和结束时间、实际开始和结束时间的4D模型数据库。图3为利用BIM相关技术则可以对隧道模型进行施工模拟与对比。从而实现了对隧道施工的前期预设、中期实时记录以及后期分析等的模拟。管理人员可通过BIM管理系统监控施工的全过程，及时发现施工技术的危险源头，减少安全问题、质量问题、返工和整改问题等。

4.2人员定位

当隧道施工人员进入现场施工时需要佩戴装有信息标识卡的安全帽。当施工人员经过隧道的信号接受识别设备时，可以接收到人员的信号。通过系统网络的数据传输交换，把此人经过的位置、时间等信息传输至后台数据记录中心，实现施工人员的精确定位。随着系统的不断运行更新，实现人员的实时定位和追踪，转换后在BIM模型上得到施工人员的实时位置。如图4所示，在BIM模型中可以实时显示隧道施工人员在某个区域的位置信息，同时可以显示隧道内的人数、人员分布以及身份等相关的信息。该系统也包括人员的定位功能，只要将待搜索定位人员的姓名或工号输入系统，该人员的位置信息就会显示。此外，当施工人员遇到危险情况时，可以实时发出报警信号。该功能的研发能够在一定程度上减少由于人为因素而造成的一系列事故。

4.3视频监控

视频监控是指在施工现场安装高清摄像机，从而实时地呈现现场的具体施工画面。通过将视频监控装置连接到BIM构件中，从而在BIM模型中准确地定位摄像机。如图5所示，在南坪站隧道BIM模型上分布着不同摄像机位置的标识图标。当管理人员点击这个图标时，可以立即呈现摄像机位置所对应的隧道施工位置的作业情况，同时记录施工人员的不当作业行为，加强现场作业的操作规范性，从而减少事故发生的可能性。

4.4安全监测

在南坪站隧道区间所监测的项目主要为拱顶下沉，净空水平收敛，地表沉降，建筑物沉降，爆破振动，从而反映隧道自身及其周围建筑的变形，作为判断隧道的自身安全状况及其对周围环境的影响的依据。如图6所示，该系统通过将位移监测连接到BIM模型上，从而在隧道BIM模型上的实时呈现监测数据。对于隧道施工的各个监测项目通常有相对应的控制值，当监测数据超过一定控制值时，需要及时预警处理。在南坪站隧道区间施工中，监测数据采用红、橙、黄三级预警。黄色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控制值的70%；或双控指标之一达到控制值的85%。橙色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控制值的85%；或双控指标之一达到控制值。红色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控制值。当各监测项目监测数值出现异常变化或达到三级预警指标时，消息将迅速发送给相关负责人员，同时在BIM管理系统中显示监测报警点所处的位置。该系统可以在BIM模型上三维可视化监测数据的变化，增加了风险的管理能力和及时处理能力。

4.5质量检查

在隧道建设过程中，良好的质量管控对隧道的施工安全和质量控制意义重大。质量检查以工序管理作为出发点，检查人员可以实时的录入质量检查数据。如图7所示，当检查人员在发现相关质量问题时，可以将对问题的描述和整改的相关要求记录在BIM模型中。该系统模块形成了能够在一定程度上保证质量安全的闭环管理模式，为隧道的施工安全提供了技术支持。

5结语

以南坪站至南滨路站区间隧道工程为背景，基于BIM技术开展隧道信息化施工相关技术的研究，以隧道的施工的质量、安全、进度和成本为切入点，主要获得以下结论：①基于工作任务分解结构对隧道进行施工模拟，不仅可以优化施工技术方案，还能通过对比计划施工和实际施工情况来优化施工组织设计等，有助于更好地把握项目施工进度；②运用人员定位和视频监控等方法，使相关管理人员能够直观地得到现场作业情况，当发生危险时能够及时地指挥调度工作；③将监测点与BIM模型相关联，实现监测数据的可视化显示，当监测数据达到了所对应的控制值时，会出现安全预警信息。同时，将质量检查结果与BIM模型比对实行动态化整改，从而实现信息化安全管控的目标。

作者:肖载兴 单位:中铁十四局集团第五工程有限公司