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【摘要】隧道工程所處的地質環境較為復雜，且在工程建設過程中的信息管理方式落后，給隧道的施工帶來較大的風險。為了控制重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區間隧道建設過程中的質量、安全、進度、成本等因素，綜合利用物聯網、大數據、云計算等方法構建基于bim的隧道信息化施工管理系統。所建立的BIM系統將監測點與BIM模型相關聯，實現監測數據的可視化顯示。BIM系統與施工管理的結合推進了隧道項目施工管理的信息化研究，提升了BIM技術在隧道工程管理中的有效利用。

【關鍵詞】BIM；隧道工程；信息化施工；管理系統

1引言

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，城市建設用地緊缺、交通擁堵等問題也日益突出，開發和利用城市地下空間是實現城市可持續發展的有效途徑[1]。現今，隧道工程已成為交通、能源、供水、儲存、城市公用事業、軍事設施、大壩和防洪工程的組成部分。然而，與傳統的建筑工程相比，隧道所處的地質環境較為復雜且這些地質信息難以完全掌握。此外，由于各工程參與方信息共享不足，信息管理方式落后等問題，隧道施工表現出不確定性和風險[2]。建筑行業的建筑信息建模(BIM)集成了物聯網、大數據、云計算等一系列先進信息技術，可以涵蓋整個項目生命周期中施工所需的幾乎所有信息[3]。BIM技術在隧道與地下工程等基礎設施項目建設中的應用還處于發展階段，未來具有很大的應用潛力[4]。在隧道施工階段會產生如項目文件、隧道分析、現場測量和項目狀態報告等數據[5]。一般情況下，項目參與者之間的數據交換是手動進行的。然而，這些信息都是高度相互依存的，需要通過媒介整合，BIM可以為隧道等復雜項目提供一個集成和協作的平臺[6]。目前，國內很多學者對隧道工程信息化施工開展了一系列研究。黃福杰等[7]基于Bentley系列軟件研究了沉管隧道的模型建立，并將其應用于碰撞檢查、工程量輔助統計、力學分析等，提高了工程項目建設的質量和效率。黃琦茗等[8]使用Micro‐Station二次開發工具研究了隧道的參數化建模方法，同時也實現了工程量的自動統計，提高了設計效率。王瀟瀟等[9]研究了建立面向工程結構化對象的隧道BIM模型的方法，并運用到4D虛擬施工及工程自動核算中。丁延書[10]將三維激光掃描與BIM技術相結合，實現了在隧道工程施工中的模型重構和仿真。廖峻等[11]基于B/S框架開發了隧道管理系統，主要能夠實現不良地質管理、工程資料管理，構件管理等問題，提高了隧道的信息化管理水平。張志偉等[12]依托北京地鐵19號線研究了基于BIM和GIS的三維場景顯示和風險巡視，能夠有效地集成風險信息，提高風險的識別能力。目前基于BIM的隧道管理系統主要針對隧道工程的施工進度和施工質量的管理，將隧道施工安全、進度、質量、成本等統一起來形成一個完整的體系的研究還比較少。本文基于重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區間隧道工程，開發了基于BIM的隧道信息化施工管理系統，包括的功能有施工模擬、人員定位、視頻監控、安全監測、質量檢查。以隧道的施工質量、安全、進度和成本為切入點，形成了隧道的信息化施工。

2工程背景

重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區間隧道工程，起點里程為YK5+353.179，終點里程為YK6+350.497，長度約997.3m。區間線路自南坪站出發后向北布設，下穿洋河南濱花園小區、金鳴公司后接入南濱路站。本區間隧道拱頂埋深25m～54m，穿越巖層主要有砂巖和砂質泥巖，圍巖級別為IV級。隧道按新奧法原理設計，采用鉆爆法施工，復合式襯砌結構。為了提高該隧道施工管理的信息化，引進了BIM模型對施工現場的質量、進度以及安全等方面進行有效的把控，本文基于AutodeskRevit軟件進行建模。由于隧道工程在空間上是條帶狀分布的，因此在隧道模型建立時，需要考慮隧道在不同位置構件的特殊性和互通性。對族文件進行統一的建立和管理，簡化模型的建立流程、減小所建立隧道模型的體積，所建立的隧道BIM模型如圖1所示。圖1隧道BIM模型

3系統架構設計

本文所建立的基于BIM的隧道信息化施工管理系統采用B/S架構。B/S架構是將瀏覽器作為系統的客戶端，幾乎所有的電腦、手機及平板都裝有瀏覽器，用戶可以在瀏覽器上完成數據上傳、管理及交流共享，各個用戶之間的信息交流非常方便。也不需要安裝專門的客戶端，自然也不需要進行客戶端維護升級，軟件維護成本相對較低，同時由于B/S架構的軟件系統大部分的操作都在服務器中完成，對客戶端的硬件性能求較低。如圖2所示，基于BIM的隧信息化施工管理系統由用戶用戶層是指為系統的登錄提供多方人員的支持。為了能充分的發揮本信息管理系統分享信息的優勢，但又同時兼顧信息安全性。功能層是指該系統主要包括施工模擬、人員定位、視屏監控、安全監測和質量檢查等功能。數據層是指使用MicrosoftSQLServer來建立人員定位數據庫、監測數據庫和質量檢查數據庫等。設備層包括RFID芯片、高清攝像頭和監測傳感器等，動態地采集數據，并將數據通過網絡轉給數據庫和服務器。

4系統功能應用

以重慶軌道交通十號線南坪站至南濱路站區間隧道工程為依托的BIM信息化施工管理系統集成施工模擬、人員定位、視頻監控、安全監測、質量檢查，為指導隧道信息化施工提供了技術依據。

4.1施工模擬

模型的構建和管理基于工作任務分解結構(WBS)，分別列出各子項目的計劃內容以及各子項目的計劃起始和結束時間。根據實際的施工過程，將每個構件的實際起始和結束時間上傳到系統中。最終，系統可以建立一個包含計劃起始和結束時間、實際開始和結束時間的4D模型數據庫。圖3為利用BIM相關技術則可以對隧道模型進行施工模擬與對比。從而實現了對隧道施工的前期預設、中期實時記錄以及后期分析等的模擬。管理人員可通過BIM管理系統監控施工的全過程，及時發現施工技術的危險源頭，減少安全問題、質量問題、返工和整改問題等。

4.2人員定位

當隧道施工人員進入現場施工時需要佩戴裝有信息標識卡的安全帽。當施工人員經過隧道的信號接受識別設備時，可以接收到人員的信號。通過系統網絡的數據傳輸交換，把此人經過的位置、時間等信息傳輸至后臺數據記錄中心，實現施工人員的精確定位。隨著系統的不斷運行更新，實現人員的實時定位和追蹤，轉換后在BIM模型上得到施工人員的實時位置。如圖4所示，在BIM模型中可以實時顯示隧道施工人員在某個區域的位置信息，同時可以顯示隧道內的人數、人員分布以及身份等相關的信息。該系統也包括人員的定位功能，只要將待搜索定位人員的姓名或工號輸入系統，該人員的位置信息就會顯示。此外，當施工人員遇到危險情況時，可以實時發出報警信號。該功能的研發能夠在一定程度上減少由于人為因素而造成的一系列事故。4.3視頻監控視頻監控是指在施工現場安裝高清攝像機，從而實時地呈現現場的具體施工畫面。通過將視頻監控裝置連接到BIM構件中，從而在BIM模型中準確地定位攝像機。如圖5所示，在南坪站隧道BIM模型上分布著不同攝像機位置的標識圖標。當管理人員點擊這個圖標時，可以立即呈現攝像機位置所對應的隧道施工位置的作業情況，同時記錄施工人員的不當作業行為，加強現場作業的操作規范性，從而減少事故發生的可能性。

4.4安全監測

在南坪站隧道區間所監測的項目主要為拱頂下沉，凈空水平收斂，地表沉降，建筑物沉降，爆破振動，從而反映隧道自身及其周圍建筑的變形，作為判斷隧道的自身安全狀況及其對周圍環境的影響的依據。如圖6所示，該系統通過將位移監測連接到BIM模型上，從而在隧道BIM模型上的實時呈現監測數據。對于隧道施工的各個監測項目通常有相對應的控制值，當監測數據超過一定控制值時，需要及時預警處理。在南坪站隧道區間施工中，監測數據采用紅、橙、黃三級預警。黃色預警為變形監測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的70%；或雙控指標之一達到控制值的85%。橙色預警為變形監測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的85%；或雙控指標之一達到控制值。紅色預警為變形監測的絕對值和速率值雙控指標均達到控制值。當各監測項目監測數值出現異常變化或達到三級預警指標時，消息將迅速發送給相關負責人員，同時在BIM管理系統中顯示監測報警點所處的位置。該系統可以在BIM模型上三維可視化監測數據的變化，增加了風險的管理能力和及時處理能力。

4.5質量檢查

在隧道建設過程中，良好的質量管控對隧道的施工安全和質量控制意義重大。質量檢查以工序管理作為出發點，檢查人員可以實時的錄入質量檢查數據。如圖7所示，當檢查人員在發現相關質量問題時，可以將對問題的描述和整改的相關要求記錄在BIM模型中。該系統模塊形成了能夠在一定程度上保證質量安全的閉環管理模式，為隧道的施工安全提供了技術支持。

5結語

以南坪站至南濱路站區間隧道工程為背景，基于BIM技術開展隧道信息化施工相關技術的研究，以隧道的施工的質量、安全、進度和成本為切入點，主要獲得以下結論：①基于工作任務分解結構對隧道進行施工模擬，不僅可以優化施工技術方案，還能通過對比計劃施工和實際施工情況來優化施工組織設計等，有助于更好地把握項目施工進度；②運用人員定位和視頻監控等方法，使相關管理人員能夠直觀地得到現場作業情況，當發生危險時能夠及時地指揮調度工作；③將監測點與BIM模型相關聯，實現監測數據的可視化顯示，當監測數據達到了所對應的控制值時，會出現安全預警信息。同時，將質量檢查結果與BIM模型比對實行動態化整改，從而實現信息化安全管控的目標。層、功能層、數據層和設備層4層架構組成。

作者:肖載興 單位:中鐵十四局集團第五工程有限公司