基于Autodesk平臺(tái)的山區(qū)隧道BIM應(yīng)用研究

許利彤, 亓祥成, 崔言繼, 魯 凱, 陳小瑋

(中建八局第一建設(shè)有限公司， 山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

2017年9月初，為貫徹實(shí)施《交通運(yùn)輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在工程管理中的作用，國(guó)家交通運(yùn)輸部決定開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)，以提高公路建設(shè)管理水平[1]。目前，房建工程BIM技術(shù)已走向成熟，國(guó)家相關(guān)部門已制定相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)、實(shí)施。但是基礎(chǔ)設(shè)施工程，如橋梁、隧道等的BIM技術(shù)應(yīng)用還未有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)，未得到系統(tǒng)性應(yīng)用，仍處于發(fā)展階段。

BIM即Building Information Modeling，是設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化表達(dá)，因此是設(shè)施的共享信息資源，并且為全生命周期決策提供可靠的基礎(chǔ)。它是一種理念，而各種軟件是實(shí)現(xiàn)這種理念的工具。目前，市場(chǎng)上存在三大主流BIM軟件運(yùn)營(yíng)商，即A(Autodesk)平臺(tái)、B(Bentley)平臺(tái)、D(Dassault)平臺(tái)。各大平臺(tái)均有自己成套的BIM解決方案，由概念設(shè)計(jì)、模型制作、效果展示、設(shè)計(jì)出圖等階段構(gòu)成，同時(shí)，各大平臺(tái)也在差異化探索、個(gè)性化實(shí)施。

隨著工程信息化發(fā)展，越來越多的隧道工程開始在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段使用BIM技術(shù)，在三維建模、碰撞檢查、4D模擬、工程量核算等問題上進(jìn)行深入探索[2-5]。李君君等[6]基于Dassault平臺(tái)將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)由粗放向精細(xì)轉(zhuǎn)型。吳繼峰等[7]針對(duì)Bentley平臺(tái)在隧道領(lǐng)域設(shè)計(jì)階段的主要應(yīng)用流程和功能點(diǎn)進(jìn)行了探索。王瀟瀟等[8]以鐵路礦山法為參考，基于Autodesk平臺(tái)對(duì)一些BIM常規(guī)應(yīng)用進(jìn)行了深入探索。同時(shí)，在隧道管理平臺(tái)的研發(fā)過程[9-11]中，儲(chǔ)偉偉等[12]從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā)，將BIM模型引入到隧道運(yùn)維的日常工作中，提供了直觀可視化的工作界面，提高了運(yùn)維工作效率。黃廷等[13]建立了隧道BIM實(shí)施規(guī)劃及公路隧道BIM設(shè)備編碼規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于BIM的公路隧道運(yùn)維系統(tǒng)。戴林發(fā)寶[14]從目前的形勢(shì)和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析，提出BIM將是工程建設(shè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化最重要的力量。

綜上所述，模型命名規(guī)則存在實(shí)用性問題，應(yīng)以模型各方共享為前提，突出命名的可讀性、準(zhǔn)確性；建模效率、精細(xì)度和技術(shù)深度有待提高；大多數(shù)平臺(tái)停留在模型可視化階段，導(dǎo)入模型未能深度開發(fā)各部位構(gòu)件與質(zhì)量、技術(shù)、安全、設(shè)計(jì)等的問題；平臺(tái)端口形式(PC端、Android端、IOS端、網(wǎng)頁(yè)端)較少。本文以鄒平縣廣富隧道為工程實(shí)例，以歐特克軟件公司的A平臺(tái)為基礎(chǔ)，針對(duì)以上問題進(jìn)一步研究山區(qū)隧道BIM技術(shù)的深入應(yīng)用，以期為后續(xù)隧道施工提供應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目介紹

廣富隧道工程位于山東省濱州市鄒平縣青陽(yáng)鎮(zhèn)，它的建成將大大縮短運(yùn)輸距離,造福當(dāng)?shù)厝嗣?。本工程為二?jí)公路工程，設(shè)計(jì)車速為40 km/h，包含2座單洞對(duì)向行駛隧道，共計(jì)905 m。其中包含廣富1號(hào)隧道(K0+345～+970，中隧道)、廣富2號(hào)隧道(K1+910～K2+190，短隧道)。廣富隧道如圖1和圖2所示。

圖1廣富1號(hào)隧道

Fig. 1 Guangfu No. 1 Tunnel

圖2 廣富2號(hào)隧道

2 BIM技術(shù)主要應(yīng)用點(diǎn)剖析

2.1 BIM應(yīng)用組織體系

參考房建工程建筑信息模型國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧道施工特點(diǎn)，制定本項(xiàng)目隧道建模標(biāo)準(zhǔn)及BIM應(yīng)用實(shí)施方案，為項(xiàng)目施工引領(lǐng)方向。明確建立如圖3所示BIM技術(shù)應(yīng)用組織體系，合理劃分BIM團(tuán)隊(duì)人員職責(zé)分工，大大提高各崗位人員工作效率。

圖3 BIM技術(shù)應(yīng)用組織體系

2.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的隧道設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行模型精確建立。值得注意的是，合理劃分構(gòu)件命名規(guī)則，是BIM模型搭建的重中之重，也為后期BIM擴(kuò)展應(yīng)用，如合模、4D進(jìn)度模擬、3Dmax動(dòng)畫制作等奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)目根據(jù)隧道施工特點(diǎn)，以施工工序?yàn)橐罁?jù)，將各施工構(gòu)件按施工單元?jiǎng)澐郑缓髮⑵涿?，達(dá)到命名精確、細(xì)分合理的原則。最終確定以“圍巖等級(jí)+項(xiàng)目+構(gòu)件名稱+構(gòu)件參數(shù)(包括標(biāo)號(hào)、公稱直徑等特征規(guī)格、型號(hào)參數(shù))”進(jìn)行命名。隧道模型部分構(gòu)件命名見表1。

表1 隧道模型部分構(gòu)件命名

建模軟件采用Civil 3D+Revit+Dynamo參數(shù)化建模。Revit針對(duì)房建這種規(guī)則構(gòu)件應(yīng)用較多，應(yīng)用效果較好，但是，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施這種線性工程來說，路線中心線存在平曲線、縱曲線、橫坡和超高的情況，Revit無(wú)法完成基于拋物線的建模。因此，采用專門針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)的Civil 3D軟件進(jìn)行建模，該軟件準(zhǔn)確考慮路線平、縱，能夠繪制精確的三維道路中心線。本項(xiàng)目平、縱斷面均包含緩和曲線，所導(dǎo)出三維曲線的精度決定后續(xù)模型精度，在Civil 3D中，通過軟件自帶功能進(jìn)行逐樁坐標(biāo)導(dǎo)出，形成Excel文件并包含坐標(biāo)信息。需要指出的是，對(duì)于三維空間曲線需要提前進(jìn)行樁號(hào)加密，設(shè)置其間隔單位為0.5 m甚至更小，以直代曲，滿足計(jì)算精度要求。通過Dynamo將坐標(biāo)參數(shù)導(dǎo)入Revit建模環(huán)境中，加密段采用NurbsCurve數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行線路擬合(見圖4)，最終形成隧道三維中心線。

隧道內(nèi)各部件參數(shù)化構(gòu)件族的制作以設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)(見圖5)，利用Revit軟件自帶功能即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化族的定義，添加構(gòu)件族各種參數(shù)控制信息。繪制完成后，采用中建八局BIM族庫(kù)平臺(tái)(見圖6)將參數(shù)化族共享至云端，其他BIM工程師可進(jìn)行下載，從而減少文件傳遞時(shí)間，提高工作效率。

圖4 線路擬合

圖5 隧道構(gòu)件分解

(a)

(b)

中心線及參數(shù)化族確定好以后，通過Dynamo驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改；然后，利用Dynamo將設(shè)置好的參數(shù)化族像搭積木一樣進(jìn)行模型拼接，最終實(shí)現(xiàn)隧道模型的建立如圖7所示。此方法大大提高了模型搭建速度及準(zhǔn)確性，建模流程體系如圖8所示。

(a) 隧道整體模型

(b) 各級(jí)圍巖隧道樣板段模型

圖8 建模流程體系

2.3 BIM施工方案與技術(shù)交底

傳統(tǒng)施工方案與技術(shù)交底編制是文字與二維Cad圖組合編制?？紤]到分包班組人員大部分為大齡技術(shù)工人，認(rèn)知能力相比項(xiàng)目管理人員較差；更嚴(yán)重的是，部分工人不識(shí)字，看不懂Cad圖，這將導(dǎo)致工人干活效率大大降低，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度跟不上。

通過管棚三維技術(shù)交底與BIM結(jié)合(見圖9)能真實(shí)再現(xiàn)施工過程，將每個(gè)施工細(xì)節(jié)展現(xiàn)出來，從而提高工人的工作效率，使工程施工變得更加簡(jiǎn)單，能有效地將施工技術(shù)通過三維模型傳遞給現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人。其次，能保證施工質(zhì)量，有了工程施工BIM三維模型的幫助，能確保施工計(jì)劃有序執(zhí)行，避免一些危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

圖9 管棚施工三維技術(shù)

2.4 BIM深化設(shè)計(jì)

采用Dynamo參數(shù)化驅(qū)動(dòng)Revit建立樣板段鋼筋模型，檢驗(yàn)各部位鋼筋，如二次襯砌、電纜槽、仰拱、檢查井等部位鋼筋在空間內(nèi)的安置協(xié)調(diào)關(guān)系，校核鋼筋相對(duì)位置，細(xì)部節(jié)點(diǎn)出具鋼筋深化節(jié)點(diǎn)圖；同時(shí)，鋼筋模型與結(jié)構(gòu)模型(包括鋼拱架、錨桿等)進(jìn)行整合，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空間位置協(xié)調(diào)關(guān)系。Dynamo參數(shù)化驅(qū)動(dòng)與鋼筋節(jié)點(diǎn)深化模型如圖10所示。

(a)

(b)

Fig. 10 Dynamo parameterized drive and reinforcement node deepening model

Dynamo是歐特克公司基于可視化的一款編程軟件，結(jié)合Revit可進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，Dynamo除自帶節(jié)點(diǎn)外，可進(jìn)行專用軟件包下載，滿足個(gè)性需求。此次鋼筋建模，采用如圖11所示Rebar節(jié)點(diǎn)包2大核心節(jié)點(diǎn)Rebar.FollowingSurface、Rebar.ByCurve，通過軟件內(nèi)置節(jié)點(diǎn)共同作用，完成隧道鋼筋建模。隧道鋼筋建模流程如圖12所示。

圖11 核心節(jié)點(diǎn)展示

圖12 隧道鋼筋建模流程

2.5 BIM商務(wù)管理

模型細(xì)度合規(guī)是商務(wù)精確出量的前提，本項(xiàng)目在模型建立之初就考慮到這個(gè)因素，將各構(gòu)件詳細(xì)劃分，也保證了后續(xù)BIM應(yīng)用的開展。

通過精確建立不同圍巖等級(jí)狀態(tài)的10 m樣板段模型，內(nèi)含隧道建造用材，可以在Revit中按分類形式創(chuàng)建明細(xì)表，得到最終耗材工程量(如圖13所示)，可作為項(xiàng)目商務(wù)部門計(jì)量參考依據(jù)。同時(shí)，將模型工程量與商務(wù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際耗材工程量對(duì)比(見表2)，進(jìn)行原因分析，進(jìn)一步降低誤差百分比。各級(jí)圍巖產(chǎn)生誤差的主要原因如下：

1)對(duì)相關(guān)規(guī)范理解不夠深入，忽略部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求，例如圖紙中鋼筋搭接長(zhǎng)度未按規(guī)范要求進(jìn)行建模；

2)由于施工隊(duì)伍不同，實(shí)際操作水平也有所不同，導(dǎo)致鋼筋加工、運(yùn)輸、安置等操作存在一定偏差。

所產(chǎn)生鋼筋廢料可進(jìn)行二次利用，如制作馬鐙筋、模板加固筋、鎖腳錨桿U型聯(lián)接鎖等輔助鋼筋。

圖13 Ⅴ級(jí)加強(qiáng)圍巖10 m樣板段鋼筋明細(xì)表

Fig. 13 Grade V reinforcement of 10 m model section of surrounding rock

表2模型工程量與實(shí)際工程量比較(10m樣板段)

Table 2 Comparison between model engineering quantity and actual engineering quantity

圍巖等級(jí)圍巖類型10 m鋼筋工程量/kg模型實(shí)際誤差/%Ⅲ級(jí)一般2 017.402 069.132.5Ⅳ級(jí)一般16 754.7417 308.623.2Ⅳ級(jí)加強(qiáng)16 354.7816 983.163.7Ⅴ級(jí)一般21 136.9322 063.604.2Ⅴ級(jí)加強(qiáng)22 938.1123 968.774.3

3 BIM+信息化協(xié)同管理平臺(tái)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

目前，網(wǎng)絡(luò)信息化協(xié)同平臺(tái)眾多，基于BIM技術(shù)的信息化平臺(tái)存在弄虛作假現(xiàn)象，單純上傳模型到云端，以瀏覽為主。這類平臺(tái)是將模型云端瀏覽與OA協(xié)同辦公組在一起，而不是進(jìn)行融入。真正的BIM協(xié)同平臺(tái)是BIM構(gòu)件信息與大數(shù)據(jù)信息交互，使BIM模型脫離信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云端交互、共享，各方協(xié)同工作，這正是BIM理念的需求。對(duì)此，項(xiàng)目采用中建八局BIM協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目信息化管理，平臺(tái)架構(gòu)如圖14所示。

圖14 平臺(tái)架構(gòu)

3.2 平臺(tái)主要亮點(diǎn)

本平臺(tái)主要以施工單位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求為基準(zhǔn)，融合業(yè)主單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、各專業(yè)分包單位，共同進(jìn)行云端數(shù)據(jù)共享使用。

本項(xiàng)目將前期建立好的精細(xì)化模型上傳到云端，將模型輕量化展示，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員或者施工人員登錄該平臺(tái)就能查看。這符合公司提倡的“質(zhì)量樣板”做法，將實(shí)體樣板虛擬化，更為輕便、快捷。同時(shí)，以基于Autodesk平臺(tái)所建立的精細(xì)模型各構(gòu)件為信息源，將BIM模型構(gòu)件與質(zhì)量、安全、設(shè)計(jì)、聯(lián)系單等專項(xiàng)內(nèi)容直接掛鉤，真正實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)，提高各方工作效率?；谛畔⒃吹膯栴}創(chuàng)建如圖15所示。

圖15 基于信息源的問題創(chuàng)建

平臺(tái)在接口方面具有多樣性，目前與720云、設(shè)備監(jiān)控完美交互，且在設(shè)備監(jiān)控方面，平臺(tái)支持監(jiān)控點(diǎn)反向定位(見圖16)，根據(jù)所選監(jiān)控點(diǎn)快速定位到模型中，實(shí)時(shí)查看監(jiān)控位置，便于指揮、調(diào)度。與Navisworks軟件功能相仿，具備云端剖切、測(cè)量、第三人稱碰撞、重力式漫游功能，可以不通過軟件直接進(jìn)行線上操作，方便快捷。平臺(tái)云端漫游如圖17所示。

平臺(tái)PC端、網(wǎng)頁(yè)端及手機(jī)端(Android、IOS)三端齊全，功能強(qiáng)大；平臺(tái)所有內(nèi)容均在三端顯示(見圖18)，數(shù)據(jù)保持動(dòng)態(tài)同步；在BIM協(xié)同管理平臺(tái)上，各模型均攜帶軟件建模完整信息。項(xiàng)目部管理人員可隨時(shí)通過手機(jī)端登錄賬號(hào)查詢各施工段的構(gòu)件信息，如工程量、施工狀態(tài)、里程樁號(hào)等；同時(shí)，以各構(gòu)件為基礎(chǔ)，創(chuàng)建質(zhì)量、安全、設(shè)計(jì)、聯(lián)系單等問題，下發(fā)各分包隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)施工問題整改良性循環(huán)，及時(shí)閉合。

考慮到聯(lián)系單、物料單、整改通知單等的格式模板不統(tǒng)一，來回上傳、下載費(fèi)時(shí)，本平臺(tái)化繁為簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)基于云端的表單自定義模板，根據(jù)提供基礎(chǔ)字段、增強(qiáng)字段、成員字段、布局控件4大核心內(nèi)容，以拖拽形式完成表單可視化設(shè)計(jì)；同時(shí)，考慮到部分流程的臨時(shí)性，也可以進(jìn)行自定義流程設(shè)置，操作界面基于Visio視口，以各流程圖框?yàn)閷徟?jié)點(diǎn)，賦予各節(jié)點(diǎn)審批人、抄送人、審批設(shè)置、審批意見等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)工作流程的靈活性、可操作性。云端表單模板和工作流程的自定義如圖19所示。

(a) 監(jiān)控畫面

(b) 反向定位模型

圖17 云端漫游

基于模型質(zhì)量、安全、設(shè)計(jì)等問題創(chuàng)建流程的步驟簡(jiǎn)單；同時(shí)，施工管理人員根據(jù)施工單位反饋意見進(jìn)行全方位考慮，確定以質(zhì)量問題、質(zhì)量描述、質(zhì)量問題圖片、發(fā)送人、參與人、截止日期、關(guān)聯(lián)模型、附件為基準(zhǔn)，直接發(fā)起線上問題整改，施工人員手機(jī)App端實(shí)時(shí)接收整改信息，查看相關(guān)整改內(nèi)容，最后進(jìn)行反饋。手機(jī)App端整改反饋如圖20所示。

(a) PC端

(b) 網(wǎng)頁(yè)端

(c) 手機(jī)App端

圖18平臺(tái)三端展示

Fig. 18 Three port display of platform

(a) 圖釘法式

(b) Visio視口式

圖19云端表單模板和工作流程的自定義

Fig. 19 Form templates and workflow customization

相關(guān)管理人員也可在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行操作。本平臺(tái)支持模型一鍵更新，在模型中，漫游到里程準(zhǔn)確位置，建立相應(yīng)樁號(hào)導(dǎo)向板參數(shù)化族，并及時(shí)更新同步到云端模型，方便管理人員快速定位。通過現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)起的質(zhì)量、安全等問題，直接選擇關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)入模型視口，所提問題將逆向精確定位在隧道內(nèi)，提供具體里程樁號(hào)位置、圍巖信息等內(nèi)容，為管理人員提供可視化解決方案。網(wǎng)頁(yè)端問題定位如圖21所示。

最后，隧道中同時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量、安全等問題，還可以通過問題圖釘方式展示在三維模型空間中，不同部門人員可相互查看問題處理情況，提高部門聯(lián)動(dòng)效率。問題圖釘展示如圖22所示。

(a) 問題發(fā)起

(b) 問題定位模型追蹤展示

圖22 問題圖釘展示

4 結(jié)論與建議

本文以鄒平縣廣富隧道工程為依托，基于Autodesk平臺(tái)將BIM技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目施工建造階段，對(duì)其進(jìn)行深入探索得出以下結(jié)論。

1)本項(xiàng)目在前期建立隧道模型時(shí)，各級(jí)圍巖段命名不規(guī)范，導(dǎo)致合模出現(xiàn)大量問題，BIM拓展應(yīng)用停滯。所以，精準(zhǔn)劃分各模型構(gòu)件命名規(guī)則，以此進(jìn)行系統(tǒng)性建模，為后續(xù)BIM技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2)考慮路線平縱影響，模型建立比較繁雜，采用A平臺(tái)Civil 3D+Revit+Dynamo建模體系為主線，實(shí)現(xiàn)模型精確建立；創(chuàng)新性地采用云端BIM族庫(kù)，一端分享，各端使用，方便、實(shí)用。再通過Dynamo可視化編程參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模型一鍵生成，提高建模效率，節(jié)約大量時(shí)間。

3)以往BIM平臺(tái)模型只是停留在模型瀏覽、查看構(gòu)建屬性階段，未能真正做到與施工相結(jié)合，本項(xiàng)目采用基于模型的信息化協(xié)同平臺(tái)，項(xiàng)目管理人員與各分包人員云端辦公，隧道各部位參數(shù)信息清晰明了。尤其，可基于模型各部位構(gòu)件即信息源創(chuàng)建安全、質(zhì)量、設(shè)計(jì)等的整改通知單，在云端發(fā)送給各分包隊(duì)伍進(jìn)行整改，快捷、高效，真正能夠使BIM管理協(xié)同平臺(tái)落地。

但是，在進(jìn)行Dynamo驅(qū)動(dòng)逐樁坐標(biāo)點(diǎn)生成三維空間曲線的操作時(shí)，用到曲線擬合就會(huì)出現(xiàn)精度偏差。理論上，通過加密樁號(hào)，間隔設(shè)置為0.1 m甚至更小，可以有效提高精度問題，但是會(huì)帶來電腦計(jì)算量增加，這將對(duì)電腦配置有更高的要求；在問題定位方面，需進(jìn)行模型更新操作，導(dǎo)致不能第一時(shí)間進(jìn)行問題反饋，這將浪費(fèi)一些時(shí)間。

通過對(duì)以上3大核心內(nèi)容的研究，為后續(xù)隧道施工BIM技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。后續(xù)可以深入研究利用不同軟件的Dynamo模塊交互生成三維空間曲線，研究成果還可以應(yīng)用在道路、綜合管廊等；同時(shí)，在BIM信息化協(xié)同管理平臺(tái)上，可試圖尋求基于網(wǎng)頁(yè)端所創(chuàng)建的虛擬點(diǎn)第一時(shí)間發(fā)起問題的方法，更進(jìn)一步優(yōu)化資源配置，減少重復(fù)操作，給現(xiàn)場(chǎng)管理人員提供高效、便捷的服務(wù)平臺(tái)。