基于三维建筑信息模型的大型隧道施工精细化管理应用研究

姚金悦，闵剑勇，严紫薇，罗桑

（1.东南大学交通学院；2.江苏省交通运输厅公路事业发展中心；3.东南大学智能运输系统研究中心）

1 引言

随着交通基础设施建设质量要求与数字化管理需求的日益提高，智慧交通技术已逐渐深入城市基础设施管理的各个环节。在交通强国与新基建的时代背景下，智慧交通的发展与大数据、互联网、人工智能等信息化手段息息相关。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为一种数字化管理手段，在交通基础设施领域得到了积极应用，为交通基础设施行业的信息化变革提供了解决途径。BIM技术的核心是运用智能数字表示建筑物，可以实现对建筑对象的可视化管理。BIM技术对施工而言的应用价值体现在区别于传统二维图纸的施工精细化管理，从设计、建造、管理三个层面提高了工程建造效率，并增强了施工安全性[1]。我国BIM技术起步较晚，目前仍处于发展期，产生了大量的工程建设应用成果，但是当前BIM技术工程探索多倾向于工程三维模型视觉效果展示，应用范围窄、深度浅、落地效果较差，研发和标准化尚属于起步阶段。目前BIM技术大多应用于建筑施工领域，而隧道工程具有地形及水文地质条件复杂、作业面多、质量问题隐蔽性强、工序转换方法复杂等特点，安全性保证难度大，实施时不能照搬建筑业中已成熟的BIM技术路线，亟需对BIM技术在项目建设管理中的应用进行深入的研究和探索[2]。

本文依托312国道苏州东段改扩建工程园区段草鞋山隧道工程项目，基于创建高精度BIM模型，探索了快速化工程量统计、主体结构钢筋模型碰撞检验、综合管线碰撞检验、可视化进度管理等BIM技术，对大型隧道工程数字化建设进行了深入研究与应用。研究成果有效提升了工程建设效率与现场施工精细化水平，对BIM等信息化技术在我国交通基础设施建设工程中的综合应用提供了实践参考。

2 BIM精细化管理的优势

隧道施工中需要考虑到地面上部建筑与地下水文地质条件等因素的影响，施工距离长导致工程周期持续较久，如何进行充分的协调以实现高效施工管理是本研究拟解决的关键问题。应用BIM技术进行精细化管理的优势主要体现在几方面。

1）模型精细度高

根据隧道施工浇注顺序、基坑划分、变形缝划分等原则进行了隧道组成构件的解构与拆分[3]。建立的BIM模型具备LOD400级别精度，满足隧道施工高精度建模、数字化管理的需求。

2）地形数据深度融合

兼顾三维建筑信息模型与城市地理数据对象的表达，实现了地形参数层、卫星底图层、实景模型层与BIM模型之间的数据融通。应用BIM和GIS集成的三维数据模型突破传统建筑信息数据分散式存储的瓶颈，实现多层次空间数据的可视化表达。

3）工程成本优化

基于多原则划分建立的高精度BIM模型为工程量的自动化统计提供了实施基础，相比传统施工工程量统计，具备提前规划、及时调整、高效算量等优势，从而实现工程建设成本的优化。

4）多专业设计协调

传统的二维施工图纸在空间优化与协调上具有一定的局限性，各专业设计图纸错综复杂，施工人员难以直接发现潜在的设计冲突问题。应用BIM三维碰撞检测可以及时纠偏设计冲突问题，有效缩短施工工期。

5）工程进度及时管理

应用高精度BIM与施工工期计划挂接，实现施工进度模拟、进度查看、进度预警等可视化功能，通过时空域异构数据的4D分析提升工程效率。

3 BIM模型创建

3.1 创建高精度BIM模型

研究依托的312国道苏州东段改扩建工程园区段全长约4.47km，采用双向六车道一级公路标准，设计速度为80km/h，总投资约13.512亿元。主线向下以隧道形式穿过唯胜路、夷亭路、华谊影城出入口和沪宁高速阳澄湖出入口道路后起坡接地。阳澄湖大道隧道主线全长2180m，采用明挖顺作法施工。

选用Bentley Microstation作为建模平台，对外部环境、阳澄湖隧道施工主体结构，以及阳澄湖隧道设备用房及其他临时设施等进行BIM建模。主体结构根据设计要求分为主线敞开段、主线暗埋段、匝道敞开段、匝道暗埋有隔墙段等四种形式。

3.2 融合GIS环境模型

实景建模依据阳澄湖隧道施工涉及的施工场地布置优化、施工安全等需求，以建成后的隧道位置为中心，沿纵向两边各1km、沿横向方向两边各200m划定为隧道实景建模区域，借助无人机搭载智能相机并采用倾斜摄影的方式，可以对隧道实景模型区域进行图像和GIS数据采集，生成隧道施工所需三维实景模型。直观的三维实景模型可以提供缩放、转化等视角，为项目外业勘测提供更为全面的周边环境信息和可靠数据，并为项目后期三维应用与工程分析提供基本数据[4]。

4 基于高精度BIM模型的深度施工应用

4.1 工程量统计校核

工程量统计是编制工程预算的基础工作，准确、快速地统计工程量是设项目工程量经济管理和工程造价控制的首要工作，而传统的工程量统计方法通常以二维设计图纸为依据，仅仅标注构件的尺寸，无法体现构件之间的三维空间关系，具有工作量大、费时、繁琐、要求严谨等特点，计算过程中容易出现错误[5]。利用BIM技术辅助进行工程量清单统计与复核可以大大减轻工作量，帮助将工程计量失误率缩小至±0.2%，大幅度减少人为因素对工程量计算工作的影响，快速为管理人员提供更加客观的数据。

BIM工程师根据项目工程量统计需求，利用Microstation对审核通过后的高精度BIM模型进行清单统计和属性导出处理，可以在不同阶段快速准确地针对项目预埋洞口、预埋件、混凝土、钢筋、管线等构件自动生成工程量清单，帮助进行工程量复核。基于此，BIM工程师可以实时按照区段、时间等不同条件查询各种材料和工程量并生成报表，提供项目各个分项或总体算量书[6]。工程建设材料管理部门和工程部可以及时得到工程量统计结果，从而更加合理地确定材料进场的时间和数量，并根据合同范围查询对应模型工程量清单，进行预埋洞口及预埋件复核工作与混凝土、钢筋、管线等分项工程量的复核工作，优化项目质量与进度管理。

本项目基于高精度BIM模型进行工程量自动算量统计，主体结构工程量统计对比如表1所示。由表可见，BIM工程量与施工实际工程量统计的偏差不超过5%。上述主体结构工程量统计对比可直观地看出BIM工程量统计与实际吻合度较高，对实际施工具有较好的指导意义。

表1 主体结构BIM工程量与实际工程量统计对比

4.2 碰撞检验

通常来说，隧道需要配备多种管道，涉及多个专业，由于传统的二维图纸可视化有限性以及在高程上的表达缺陷，管线与结构构件之间或设备管线之间容易发生碰撞，隧道通风、排水、安全等各专业只能独立进行设计，难免出现错漏碰缺问题。本文使用Bentley Navigator软件，利用BIM模型，将施工建筑、结构模型与机电安装各专业模型整合在一起，可以进行隧道主体机电与管线单专业或多专业之间全面的三维碰撞检验，直观定位管线综合中的冲突问题并精确复核，形成包括具体碰撞位置以及碰撞点碰撞类型的检测报告，提高隧道施工中的风险识别。

对于节点复杂和专业工程交叉多的部分，在施工前应用BIM模型进行碰撞检查，提前优化多专业协同设计，可以避免和协调解决问题，在设计阶段即可更改错误，减少或消灭在工程施工过程中发生工程碰撞的可能性，尽可能消除工程设计、建设中的各类“差、错、漏、碰”问题，减少项目施工工程量和不必要的工程浪费，保证项目施工的正常推进（见表2）。

表2 典型碰撞类型

隧道主体结构钢筋碰撞数量较大，涉及钢筋种类多，主要集中在中隔墙的顶部与底部、侧墙底部。钢筋碰撞冲突主要原因为在二维图纸设计过程中，设计图纸中部分钢筋与纵向分布筋发生了重叠。本项目共完成隧道主体结构81段主体结构LOD400级别钢筋模型建立，采用不同颜色标记不同类型钢筋，进行模型交底，并以高精度钢筋模型为基础进行隧道全线钢筋碰撞检验，共发现钢筋碰撞60077处，合计1053t。

4.3 可视化进度模拟

传统进度计划通常在工程正式施工之前，凭借编制人员根据工作经验确定工作逻辑关系和持续时间，准确率不高，难以预测施工过程中的难点问题，对于较为复杂的工程项目进度管理会产生一定程度的不良影响。BIM可视化技术可以集成各类数据信息以及施工过程，本项目使用Navigator的Schedule Simulation模块，导入Microsoft Excel或者Microsoft Proj‐ect等主流的项目进度组织计划软件中指定的进度计划，以BIM构件唯一编码为纽带，实现进度计划与工程构件自动映射，从而实现BIM施工管理平台web端进度可视化展示，即4D（时间+3D模型）模拟（见图1）。借助BIM建设管理平台Web端与移动端形成“进度模拟—手机端上传施工日志—进度汇报—进度预警—进度计划调整”的完整管理闭环，实现计划进度的模拟、进度可视化展示、进度跟踪检查、实际进度的动态更新与两者之间的对比、进度预警与辅助偏差分析，辅助管理者进行施工计划调整与决策。

图1 进度可视化模拟

5 结语

以312国道苏州东段改扩建工程园区段YQ312-SG1标段阳澄湖大道隧道工程项目为依托，形成了集BIM应用规划、BIM应用标准、BIM设计协同、BIM深度施工应用、BIM云平台为一体的项目建设全过程应用体系，竣工模型及项目管理平台数据均可平滑交付至项目运维平台，实现了LOD500级别模型工程应用，有效降低施工耗能，节省项目材料、人工、机械台班费用16%以上，在探究BIM深度应用的基础性，实现了项目管理手段由“人工式”向“信息化、智能化”的突破，为同类工程问题提供了新的解决思路。