復雜條件下盾構施工BIM管理平臺研發(fā)及應用
——以大連地鐵5號線海底隧道工程為例

付功云，王立彬，青舟，高俊峰，董曉龍，孫國文

(1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308; 2.大連地鐵集團有限公司,大連 116000; 3.中鐵大連地鐵五號線有限公司,大連 116011; 4.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司,江蘇無錫 214000)

引言

我國城市軌道交通工程建設是基礎設施建設的重要組成部分,而地下盾構隧道建設模式在當前城市軌道交通工程區(qū)間建設中占據主流地位[1],是典型高風險、高投入的系統(tǒng)性工程。一是周邊風險源、地下地質條件等具有變化性、不可知性,導致施工工藝復雜、安全隱患探知及處置難;二是施工地點處于城市區(qū)域,對公共安全要求高,一旦發(fā)生安全、質量事故,社會及經濟負面影響大;三是系統(tǒng)性工程,盾構區(qū)間的進度、成本與整條軌道線路的進度、成本密切相關,保障進度、降低成本是項目需考慮的關鍵因素。如何融合使用BIM、GIS、物聯網等先進技術,提高城市軌道交通盾構隧道工程建設過程中的安全風險、質量、進度、成本等的管控能力,提前發(fā)現問題、提前處置、提前消除隱患,已成為各級政府、建設單位及參建單位共同關注的重點領域。

在BIM與盾構隧道施工結合應用方面,已有部分研究案例。呂剛等[2]搭建了基于BIM、GIS和互聯網技術的隧道施工可視化管理平臺,初步實現對鄰近建(構)筑物危險性的實時預測預報;楊威等[3]基于CarsView圖形引擎、前后端分離架構,研發(fā)鐵路隧道施工BIM管理系統(tǒng),滿足清華園隧道實踐應用要求;陳卓等[4]在成都地鐵8號線一期工程中,通過施工模型構建、VR虛擬駕駛艙重點場景仿真、基于BIM的施工進度管理、基于BIM的工程動態(tài)移動APP、盾構機實時狀態(tài)監(jiān)測及現場量測數據管理等應用,滿足了現場管理需求;馬少雄等[5]依托太焦鐵路武鄉(xiāng)隧道工程,構建鐵路建設項目數字化協同管理體系,包含模型、權限、工序、圍巖等級、報表等功能;魏林春等[6]歸納了盾構隧道施工的信息類型,分別建立子模型,并將信息集成為盾構施工信息模型,開發(fā)了B/S架構的盾構施工信息管理系統(tǒng);林曉東等[7]在分析GIS數據管理和BIM數據標準基礎上,建立集成GIS/BIM的盾構隧道全壽命期管理系統(tǒng)。

文獻檢索結果表明,已有多位專家開展BIM平臺在盾構隧道施工中的應用研究,但存在部分技術路線瓶頸導致適用性較低、部分功能不全、不能覆蓋盾構施工全過程等問題。依托大連地鐵5號線火梭區(qū)間海底盾構隧道工程需求,結合大直徑泥水平衡盾構施工方案,研發(fā)了一套盾構隧道施工BIM管理平臺,集成了BIM設計模型、環(huán)境模型、地質模型、設備模型、施工報表、監(jiān)理報表、管理流程、盾構機PLC數據、視頻監(jiān)控數據、第三方監(jiān)測數據、智能傳感器數據、人工巡檢APP、人工填報接口等,實現了盾構施工過程安全、質量、進度、成本等管理,有效保障了盾構隧道安全施工,提高工程質量,加快施工進度并提前洞通,降低工程成本。

1 工程概況

大連地鐵5號線線路全長24.484 km,起于虎灘新區(qū)站,止于后關村站,大致呈南北走向。其中,火梭區(qū)間位于火車站站與梭魚灣站之間,全長2 870 m,海域段長2 310 m,巖溶強發(fā)育區(qū)跨度1 538 m,采用φ12.26 m泥水平衡盾構機掘進,海底盾構隧道復雜條件展示見圖1。

圖1 大連地鐵5號線海底盾構隧道復雜條件展示

該海底隧道是國內首次大直徑穿越巖溶強烈發(fā)育區(qū)的超級穿海工程[8],海底溶洞呈馬蜂窩狀并形成三大溶洞群,最大溶洞高29 m,線巖溶率達到13.7%;存在軍事敏感區(qū)、香爐礁航道、碼頭等眾多風險源,施工過程不能及時有效管控;存在多種安全風險監(jiān)測數據無關聯分析而形成信息孤島,無法使數據價值達到最大化。傳統(tǒng)二維信息管理系統(tǒng)無法保障地質復雜、風險源眾多、信息孤島等復雜條件下的順利施工,從而引入BIM平臺集成相關數據,綜合多方數據進行三維可視化研判與指導施工。

2 系統(tǒng)設計

2.1 技術架構

BIM平臺采用3層技術架構,分別為服務層、支撐層與應用層,BIM平臺技術架構見圖2。

圖2 海底盾構隧道施工BIM管理平臺技術架構

服務層基于WebGL三維引擎實現三維場景構建、空間分析等,并對外輸出數據服務、三維服務等接口;線性數據存儲于MySQL數據庫中,盾構點位數據經Redis數據緩存、篩選后導入MySQL數據庫中;BIM模型、二維管理信息、二維設計圖紙、三維坐標信息等以文件形式存儲;通過一鍵發(fā)布輪詢服務、隊列服務實現多種格式BIM模型轉換為BIM平臺模型統(tǒng)一格式,并整合管理與瀏覽。

支撐層通過BIM模型一鍵發(fā)布實現不同格式BIM模型自動上傳到BIM平臺并成為二維管理信息的載體[9];Spring Boot/Cloud框架支撐快速開發(fā)、微服務[10]等后端服務;AVUE框架支撐前端頁面的產品化開發(fā)模式;研發(fā)利用數據庫讀取權限、JavaScript調用、API接口、物聯網設備硬件接入等系統(tǒng)集成綜合框架[11],支撐多源數據的采集分析;預留人工智能深度學習、大數據分析等接口,在BIM平臺積累大量數據之后,對LSTM[12]深度學習網絡模型進行訓練,通過趨勢預測與實際結果對比,優(yōu)化算法模型,最終實現基于BIM平臺的人工監(jiān)測、智能儀器監(jiān)測、盾構監(jiān)測等預測功能。

應用層通過梳理盾構施工業(yè)務需求,集成相關數據并定制化開發(fā)相關專業(yè)應用,在依托工程中,以盾構隧道施工過程管理為主,包含安全管理、質量管理、進度管理、成本管理等,并預留設計階段、運維階段應用拓展接口,通過瀏覽器、移動端等方式對外提供服務。

2.2 數據整理與處理

依托工程中施工管理數據包含基礎數據、BIM模型數據、BIM模型附屬信息、安全風險數據、進度數據、質量數據、成本數據、設備數據、材料信息等[13],不同數據采用不同的數據梳理、集成處理方式?；贐IM平臺的盾構隧道工程數據整理與處置見表1。

表1 基于BIM平臺的盾構隧道工程數據梳理與處置

2.3 關鍵技術

基于B/S模式、先進且成熟、滿足移動應用、具有廣泛適用性的WebGL三維引擎[15],將自主研發(fā)的一鍵發(fā)布工具、多源數據系統(tǒng)集成框架等融合封裝為三維底層框架,對外暴露開發(fā)接口;為滿足盾構機1 300多個數據點位、每個數據點位3～20條數據、每隔10 s刷新一次的大吞吐數據存儲與應用要求(數據量約為3MB/10 s),采用Redis高速緩存相關數據,篩選后傳入MySQL線性數據庫進行應用[16];依托Spring Boot/Cloud微服務框架,部署B(yǎng)IM模型轉換、安全、質量、進度、成本、流程、用戶管理等微服務,降低各應用之間的耦合度,提高服務穩(wěn)定性;前端采用AVUE,基于事前端緩存技術、三維模型存儲于router緩存中、router keep-alive配置是否刷新,實現不重復或不頻繁加載三維模型的目標,有效降低三維模型及信息加載量,解決移動應用流量不足、三維場景加載慢的關鍵瓶頸。

3 BIM模型

BIM設計及應用軟件眾多,如美國AutoDesk、法國Dassault、美國Bentley、廣聯達、中望軟件等[17],在依托工程中,依據設計對象不同選擇不同的適配軟件,模型精度滿足GB/T51235—2017《建筑信息模型施工應用標準》要求,基于軌道交通工程BIM標準體系[18],在BIM平臺中融合為一體。

3.1 環(huán)境模型

采集地面建筑、地形地貌等數據及影像,沿線分左右延伸200 m建立地表環(huán)境。在依托工程中,海底部分按照測量數據建模,環(huán)境模型面積約為3 km2。采用3dsMAX、Revit等軟件建模還原周邊環(huán)境、采用開放的衛(wèi)星數據作為底層,將多個環(huán)境模型的大連城建地方坐標體系轉換為WGS84坐標體系,導入到BIM平臺以WGS84坐標體系為基準整合,基于BIM平臺的環(huán)境模型展示見圖3。

圖3 基于BIM平臺的環(huán)境模型展示

3.2 地質模型

根據物探資料,在理正、Excel等軟件中整理,根據地面高程、不同巖層深度,在建模軟件中生成三維地質模型,部分不連貫的地層采用智能擬合生成不同地質分界面。在依托工程中,地質復雜程度高,根據初勘、詳勘、?？薄T物探的數據,通過AglosGeo軟件生成地質三維模型,導入BIM平臺中,在BIM平臺中實現剖切地質體、提取鉆井柱地質分層信息等基礎功能。據統(tǒng)計,依托工程地質模型全長2 870 m,地質體體積1.054×107m3。地質模型形象、導入BIM平臺后的展示見圖4。

圖4 地質模型展示

3.3 盾構機等設備模型

簡單設備采用CAD、Revit、MicroStation等建模,復雜曲面設備采用Catia、Solidworks等建模,高精度模型存在圖形面多、在BIM平臺中完全仿真表現困難等問題,從管理角度考慮,精細化模型并不是必備條件,通常經3dsMAX減面后導入BIM平臺。在依托工程中,泥水平衡盾構機模型根據設計圖紙、安裝圖紙、盾構機安裝現場采集數據等綜合信息,采用Catia軟件進行建模與維護。經統(tǒng)計,泥水平衡盾構機設備直徑12.26 m,全長189 m,模型體量54.60 MB,盾構機模型展示見圖5。

圖5 盾構機模型展示

3.4 隧道區(qū)間模型

隧道區(qū)間通常通過Civil3D創(chuàng)建平曲面和縱斷面生成海底隧道線路,導入Revit軟件。在Revit軟件中創(chuàng)建參數化管片族、典型隧道輪廓族,根據自適應族特性,隧道輪廓族通過陣列沿隧道線路中心線生成整個隧道模型,并且將該成果輕量化導入BIM平臺。在依托工程中,基于Revit軟件二次開發(fā)盾構隧道模型自動生成工具,輸入管片寬度、厚度、外徑、孔洞位置、材質、口子件尺寸、軌枕尺寸及間距、軌道尺寸、擋板位置及尺寸、旋轉角度等關鍵參數[19],通過參數化驅動生成區(qū)間隧道模型。經統(tǒng)計,隧道全長2 870 m,寬12.26 m,共計35 186.2 m2。包含1 435環(huán)、11 480個管片、1 435個口子件、軌枕等,模型體量達到395.32 MB。盾構管片模型展示見圖6。

圖6 盾構管片模型展示

3.5 基于BIM平臺整合模型

復雜條件下海底盾構隧道工程涉及在建工程、已建工程、地表環(huán)境、地下環(huán)境、設備模型等,模型來源復雜、格式多樣,為提高BIM平臺的普適性,自主研發(fā)基于BIM平臺的BIM模型一鍵發(fā)布接口,通過Web頁面提供坐標轉換、格式轉換、輕量化、屬性入庫、加密及歸檔等功能。BIM模型上傳后校驗,通過則自動發(fā)布,不通過則提示錯誤原因,由上傳人完善后重新上傳。在依托工程中,基礎模型通過一鍵發(fā)布接口上傳,集成相關二三維管理信息,以WGS84坐標體系為骨架組合成工程整體信息模型,見圖7,并以此為基礎開展盾構施工三維可視化管理應用。

圖7 以WGS84為骨架融合成工程整體信息模型

4 BIM平臺應用

根據盾構隧道工程特點及業(yè)主管理需求,BIM平臺在施工階段主要應用包括安全、質量、進度、成本等。為決策者能夠迅速掌握工程關鍵信息,為合理決策提供依據,在依托工程中,提取盾構隧道施工重點數據,集中在同一個頁面中展示并形成大屏首頁,大屏首頁展示見圖8。

圖8 大屏首頁展示

4.1 安全管理

BIM平臺通過集成第三方安全系統(tǒng)數據、攝像頭監(jiān)控數據、盾構機數據、智能監(jiān)測儀器數據(沉降、位移、變形、壓力、應力、水位等)[20]、人工監(jiān)測報表、施工日志、監(jiān)理日志等信息,開展施工安全管理工作,支撐監(jiān)控量測、視頻監(jiān)控、風險源管理以及隱患排查等功能。通過二三維關聯定位,將二維數據與三維模型關聯,當超出系統(tǒng)安全閾值時,發(fā)起預警及處置流程。最終達到基于BIM平臺的安全處置規(guī)范化、安全問題可視化、處置過程知識化等目標,提高工程安全管理水平。

在依托工程中,BIM平臺在硬件接入盾構機PLC二維實時參數的基礎上,集成人工監(jiān)測報表、智能監(jiān)測儀器數據、視頻監(jiān)控數據及第三方安全系統(tǒng)數據等,見圖9。以三維方式關聯周邊風險源,并對監(jiān)測數據進行動態(tài)分析,BIM平臺結合GIS系統(tǒng)進行三維動態(tài)展示,根據預設的監(jiān)測閾值,觸發(fā)后自動預警、發(fā)起處置流程、處置完畢后進入消警流程,在施工過程中更加便捷直觀地掌握多源數據綜合分析后的安全監(jiān)控實時動態(tài)。

圖9 基于BIM平臺安全管理功能展示

4.2 質量管理

基于BIM平臺進行關鍵環(huán)節(jié)質量管理工作,巡檢APP定位或者掃描電子標簽關聯模型并發(fā)起質量隱患處置流程、直觀查看隱患、分析預警、處置流程跟蹤與統(tǒng)計。具有即發(fā)現即上報的優(yōu)勢,避免上報與處置的遺漏,且移動APP關聯GIS、構件、二維碼等(圖10),效率高、處置快,能夠有效提高施工質量管理水平。

圖10 移動APP質量巡檢上報(GIS定位、掃碼關聯定位、構件樹選擇定位)

在依托工程中,通過巡檢APP提交質量問題到BIM平臺,問題列表關聯三維模型與GIS坐標或問題標簽漂浮在施工場景模型中,點擊定位質量問題地點或部位,并發(fā)起處置流程,相關處置措施留檔,經分析建設質量管理知識庫,最終達到發(fā)現問題自動匹配處置措施的目標。相關處置措施,如盾構管片破損不同程度及對應處置狀態(tài)、盾構姿態(tài)錯誤后的糾偏調整方案等,經工程實踐檢驗可行,輸出三維可視化知識作為BIM咨詢、BIM平臺等數字化產品的基礎。

4.3 進度管理

基于BIM平臺導入Project或Excel格式的形象進度數據,系統(tǒng)集成施工日志、盾構機實時位置等實際進度數據,分別與BIM模型進行關聯,實現多版本形象進度與實際進度對比。進度的提前與滯后預警,結合環(huán)境及施工情況分析原因指導施工,保障施工進度。

在依托工程中,通過BIM平臺導入工程形象進度數據,與盾構環(huán)號對應的管片模型關聯,使得盾構各管片環(huán)模型附加該環(huán)計劃完工時間;同時,通過PLC硬接盾構機實時進度數據,為各管片環(huán)附加實際完工時間,管片環(huán)的計劃完工時間與實際拼裝時間對比,實現形象計劃進度與實際施工進度之間關系分析,自動判斷當前狀態(tài)是正常施工、超前施工還是滯后施工,并在BIM平臺中用不同的顏色進行區(qū)分展示。針對進度滯后狀態(tài),綜合考慮了地質、周邊風險源、安全、質量、成本等因素影響,有效指導科學合理、有針對性地調整施工方案、施工計劃等,確保了依托工程提前洞通。基于BIM平臺進度管理功能展示見圖11。

圖11 基于BIM平臺進度管理功能展示

4.4 成本管控

在BIM平臺中,根據施工單位提供的計量清單文件,查看對應工程計量部位在三維場景中的空間位置,與現場比對確認是否已經完成;基于WBS、CBS編碼統(tǒng)一,選擇當前工程量清單對應模型統(tǒng)計工程量并輸出總價,復核模型工程量總價與計量清單總價是否一致;提供數據接口,可選擇集成財務系統(tǒng)支付憑證,快速完成資金支付工作。基于BIM平臺三維方式復核工程量清單有利于保障資金合理利用、達到成本管控目的、提高資金支付效率。

在依托工程中,BIM平臺集成泥水平衡盾構機的注漿量、密封油脂、膨潤土等使用量數據,配合人工報表,實時監(jiān)測材料消耗情況,同時結合地質巖溶模型、風險源狀況等計算的材料計劃消耗值,設定各管片環(huán)對應材料計劃消耗值大于120%或低于80%為預警閾值,達到閾值后觸發(fā)遠程專家會審流程,綜合研判過量、過少的材料消耗是否合理,判斷是否需要在CT物探數據、超前鉆物探數據基礎上重新物探,確保材料消耗處于合理范圍,最終達到了降低非正常材料消耗目標,在保障安全施工的前提下有效節(jié)約成本?；贐IM平臺成本管控功能展示見圖12。

圖12 基于BIM平臺成本管控功能展示

5 結論與建議

依托大連地鐵5號線火梭區(qū)間海底盾構隧道工程,研發(fā)海底盾構隧道施工BIM管理平臺,通過三維可視化交底與輔助指導施工,縮短工期72 d;指導巖溶處置,節(jié)省材料5%,約1 100萬元;盾構糾偏、巖溶與盾構掘進時空關系仿真模擬、盾構掘進實時監(jiān)測綜合分析等,大大降低因掘進誤差、巖溶特大風險源物探誤差等引起的盾構機陷落而導致廢棄工程的風險。在依托工程中的實踐應用,驗證了BIM平臺在城市軌道交通工程盾構隧道建設過程中三維可視化管理應用的可行性及先進性。

(1)多源異構的靜動態(tài)數據融合,BIM模型、生產管理信息等以GIS為骨架融合形成時空整體,突破了實際工程中存在的多種軟件設計、格式不兼容,多種管理信息數據不互通的關鍵瓶頸。

(2)多源安全風險數據集成,綜合多方因素可視化分析與處置,有效提高了安全管理能力,降低了安全事故發(fā)生幾率。

(3)二三維關聯快速定位并跟蹤處置,快速定位存在質量問題的地點、快速處置、追蹤處置過程、處置完畢后結束流程,構建三維直觀的閉環(huán)管理場景,減少了質量隱患,提高了工程質量。

(4)實際進度與形象進度實時對比綜合分析進度異常原因并輔助決策,有針對性地調整施工方案,有效保障了依托工程提前洞通。

(5)材料用量異常結合地質狀況分析,針對材料消耗過量、過少等問題,分析原因并制定解決方案,合理規(guī)避了材料浪費風險,降低了工程成本。

BIM平臺在依托工程中實踐應用,存在基于B/S模式瀏覽器(如Google Chrome)應用訪問內存限制1.4 GB、場景總體模型輕量化后體量仍超過1 GB導致加載速度偏慢、通過CT物探數據生成三維溶洞模型技術路線自動化程度不高、多源數據綜合分析中部分結論需人工修正判斷等問題,下一步考慮結合大數據、人工智能、互聯網+等技術,解決BIM平臺應用瓶頸,并繼續(xù)深入研究盾構隧道施工BIM平臺數字化、智能化方向的應用,向盾構隧道工程的設計階段、運維階段拓展,最終形成盾構隧道工程BIM全生命周期管理平臺。