岳 川 張 凱 區(qū)穗輝

(1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司， 510010， 廣州； 2.廣州地鐵集團有限公司， 510330， 廣州∥第一作者, 工程師)

近年來，隨著城市軌道交通建設(shè)進程的加快，城市隧道工程建設(shè)的管理問題也日益突出。在工程前期調(diào)查階段，城市地下空間與地面空間協(xié)調(diào)不足，二者缺乏銜接甚至相互矛盾，對早期建設(shè)的地下空間情況掌握不充分，電力、水務(wù)、地鐵、通訊等地下工程建設(shè)數(shù)據(jù)共享不足、溝通不暢、統(tǒng)計口徑和標準不一致等問題嚴重制約了工程建設(shè)的進度；在工程建設(shè)實施階段，面對建設(shè)、勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理、監(jiān)測、檢測、材料設(shè)備供應(yīng)等多個單位，工程建設(shè)僅通過傳統(tǒng)的文字及圖紙形式提供信息，存在時效性差、流程繁瑣、信息失真、效率低下等問題，也給工程的建設(shè)及運維帶來了諸多困難。因此，需要采用創(chuàng)新的管理模式及高效的管理工具，消除建設(shè)信息的“孤島”，對工程項目的設(shè)施實體和功能特性進行數(shù)字化表達，構(gòu)建全壽命周期內(nèi)工程建設(shè)的信息資源數(shù)據(jù)及管理平臺。

1 城市信息模型概念

城市信息模型(City Information Modeling,簡為CIM)是對BIM(建筑信息模型)相似概念的延展，CIM將BIM的應(yīng)用從建筑上擴展到市政、城市規(guī)劃和道橋等建筑業(yè)全領(lǐng)域，將模型的規(guī)模從單個建筑或者1個項目群放大到了整個城市[1]。文獻[2]將CIM定義為“BIM技術(shù)在非構(gòu)筑物類設(shè)施項目中的應(yīng)用”。CIM的概念就是將IOT(物聯(lián)網(wǎng))、GIS(地理信息系統(tǒng))、BIM進行技術(shù)融合，搭建一個可以存儲、提取、更新、修改所有與城市相關(guān)的信息數(shù)字化平臺，以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、平臺協(xié)同、信息傳遞等功能[3]。

2 CIM在城市隧道工程建設(shè)中的應(yīng)用思路

CIM在城市隧道工程建設(shè)中應(yīng)用的主要思路如圖1所示。

圖1 CIM在城市隧道工程建設(shè)中的應(yīng)用流程

2.1 隧道工程建設(shè)信息收集

在工程資料收集時，不僅需要收集隧道工程沿線航拍所形成隧道工程附件的三維實景模型，收集GPS(全球定位系統(tǒng))坐標與城建坐標系轉(zhuǎn)換的方法、工具，同時各參建單位還需提供工程的基礎(chǔ)資料，主要包括以下方面：

1) 建設(shè)單位、監(jiān)理單位：提供項目信息化應(yīng)用需求分析書。

2) 勘察單位：提供詳細勘察報告，包括各類圖表(剖面圖、柱狀圖、平面圖)、土工試驗資料等。

3) 設(shè)計單位：提供符合建設(shè)施工要求和當?shù)貙徟蟮慕ㄖ?、結(jié)構(gòu)、給排水、消防、人防、電氣等專業(yè)的施工圖紙文件。

4) 施工單位：提供已經(jīng)通過審批的施工組織設(shè)計文件、工程周邊環(huán)境(管線、建構(gòu)筑物、河流、道路交通等)調(diào)查報告、工程地質(zhì)補充勘察報告，以及經(jīng)評審的工程重大安全風險分析與評審報告、盾構(gòu)機適應(yīng)性評審資料等。

2.2 CIM應(yīng)用策劃與模型管理

CIM應(yīng)用策劃宜包括下列主要內(nèi)容：應(yīng)用預(yù)期目標和效益、應(yīng)用內(nèi)容和范圍、應(yīng)用人員組織和相應(yīng)職責、應(yīng)用流程、使用和管理要求、信息交換要求，以及應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)條件要求(包括軟硬件的選擇、軟件版本)等。

建立工程的建模標準和應(yīng)用管理的辦法、文件，用以指導(dǎo)項目的應(yīng)用管理。具體要求如下：

1) 各相關(guān)方應(yīng)明確CIM的應(yīng)用責任、技術(shù)要求、人員配置及其工作內(nèi)容、崗位職責，設(shè)備配置、工作進度等。

2) 各相關(guān)方應(yīng)基于CIM的應(yīng)用策劃建立如定期溝通、協(xié)商會議等的CIM應(yīng)用協(xié)同機制， 建立模型質(zhì)量控制計劃，規(guī)定模型的細度和數(shù)據(jù)格式，明確模型管理的權(quán)限和責任方，并實施CIM應(yīng)用過程管理。

3) 模型質(zhì)量控制宜包括下列內(nèi)容：①瀏覽檢查，保證模型反映工程實際；②拓撲檢查，檢查模型中不同模型元素間的相互關(guān)系；③標準檢查，檢查模型是否符合相應(yīng)的標準或規(guī)定；④信息核實，復(fù)核模型的相關(guān)定義信息，并保證模型信息準確、可靠。

4) 結(jié)合CIM應(yīng)用目標對CIM應(yīng)用效果進行定性或定量評價，并總結(jié)實施經(jīng)驗及改進措施。

城市隧道工程建模標準管理方案主要內(nèi)容包括：軟件要求、資料輸入、模型構(gòu)件分類、模型拆分、模型扣減、模型精細度、模型構(gòu)件命名、模型屬性信息、模型色彩規(guī)定、模型交付物命名規(guī)則、模型輕量化處理方式、文件與文件夾命名和交付規(guī)定、模型搭建等。

2.3 BIM模型建立與應(yīng)用

創(chuàng)建BIM是創(chuàng)建、管理和使用信息的過程[4]，其目的是成為存儲信息的載體。BIM模型的核心不是工作客體建筑物的虛擬/數(shù)字模型本身，而是支持設(shè)計、施工、運維決策和實施的存放在模型中的信息(建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、消防、人防、電氣、規(guī)范、標準等)，信息才是BIM的真正核心。

2.3.1 BIM模型的建立

BIM技術(shù)采用Bentley作為基本建模軟件，采用Navisworks作為碰撞檢查軟件和模型輕量化瀏覽軟件，采用AutoCAD作為電子圖紙?zhí)幚碥浖?，將工程前期收集得到的工程資料文件及數(shù)據(jù)格式進行整理、分析和處理，其建模流程如圖2所示。

BIM模型建立的重點是確定以下內(nèi)容：

1) 城市隧道工程模型文件命名規(guī)則。包括項目、線路、施工部位、分部工程、時間版本等基本要素的命名。

2) 模型分類。主要有水文地質(zhì)模型、周邊環(huán)境模型、機械設(shè)備模型、工程建筑模型等。

3) 模型的精細度及信息。BIM模型的精細度分為5個等級(見表1)，分別用于項目的不同階段；其中，100～400級精細度4個等級的非幾何信息宜全部作為模型內(nèi)置信息(設(shè)計圖紙信息)，500級精細度等級的非幾何信息宜包含模型內(nèi)置信息，同時還應(yīng)包含模型附加信息(即與模型相關(guān)的外部信息)。

圖2 BIM建模流程圖

4) 模型色彩：采用目前運用最廣的RGB色彩模式進行設(shè)置。

2.3.2 BIM模型的應(yīng)用

1) 通過建模，可將圖紙出現(xiàn)的錯漏碰缺問題一一檢查出來，形成設(shè)計圖紙審查報告，輔助施工圖會審，并提出解決問題的參考建議。

2) 根據(jù)隧道工程與地下結(jié)構(gòu)、周邊管線和建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)模型進行碰撞檢查分析，形成模擬碰撞檢查報告。及時調(diào)整隧道的線路設(shè)計，避免實際施工時發(fā)生結(jié)構(gòu)碰撞問題，以減少設(shè)計變更，避免延誤施工進度。

表1 BIM的精細度分級及其信息類型

3) 將工程相關(guān)模型按工序進行拆分后做出工序分層圖。用模擬施工動畫的方式替代傳統(tǒng)的文字、表格的描述，形象地展現(xiàn)施工方案及各節(jié)點的動態(tài)施工過程，顯著提高了方案交底的交流效率，有效避免工程質(zhì)量問題。

4) 建模完成后，通過建模插件或工程量計算軟件進行工程量計算，對現(xiàn)場工程量、模型實物量、合同清單量進行對比，不僅可以幫助施工單位進行成本管理，還可以幫助建設(shè)單位進行投資控制。

5) 根據(jù)經(jīng)審核的施工進度計劃進行施工工序模型分析，驗證工序安排及各工序節(jié)點時間的合理性，輔助施工進度計劃驗證及進度控制。

2.4 搭建CIM的信息管理平臺

搭建CIM的信息管理平臺的核心技術(shù)涉及IOT、GIS、BIM及其集成技術(shù)。CIM的信息管理平臺作為一個可以存儲、提取、更新和修改隧道工程建設(shè)相關(guān)信息的可視化平臺，需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、平臺協(xié)同、信息傳遞等多項功能。

1) 將BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道工程中，使得隧道項目的設(shè)計、施工、運營等過程以信息化的模型呈現(xiàn)出來[5]。

2) 結(jié)合GIS技術(shù)，通過采用空間或地理坐標處理數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，可以抓取、儲存、修改、分析、管理和展示所有地理信息；GIS中的信息可應(yīng)用于CIM的信息平臺中，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三棱柱地層建模技術(shù)、實體造型和動態(tài)可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，整理隧道的時空數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隧道施工、隧道監(jiān)測等實時動態(tài)數(shù)據(jù)的規(guī)范管理。

3) 對隧道的時空建模和可視化顯示，以及動態(tài)展示施工進度、時空查詢與分析等問題進行深入研究[6]。在工程建設(shè)及運維階段，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將人員、建筑、設(shè)備、設(shè)施等數(shù)據(jù)信息在CIM中呈現(xiàn)出來。由于這些信息動態(tài)變化，引入IOT技術(shù)可實現(xiàn)完成環(huán)境和物質(zhì)實體動態(tài)信息、BIM靜態(tài)信息的二者間的關(guān)聯(lián)[7]，最后形成可視化的信息存儲、提取、交流平臺。這是隧道工程建設(shè)CIM概念應(yīng)用的核心理念。

3 CIM的應(yīng)用實例

某隧道工程線路總長約為6.778 km，采用盾構(gòu)法施工。隧道沿線為城市的已建成區(qū)級交通干道，人員和機動車密集，地下管線眾多，周邊建(構(gòu))筑建密集。該工程的水文地質(zhì)條件復(fù)雜：線路處于軟弱淤泥地層、富水砂層、巖溶地層、斷裂破碎帶以及上軟下硬復(fù)合地層，還需要穿越地鐵、鐵路、房屋、高架橋及河流，工程建設(shè)管理風險非常大。

秉承“地質(zhì)是基礎(chǔ)，設(shè)備是關(guān)鍵，管理是根本”的隧道工程建設(shè)管理理念，該工程的CIM搭建了基于IOT的BIM+GIS三維可視化數(shù)據(jù)管理平臺[8]。通過集成盾構(gòu)施工監(jiān)控系統(tǒng)，在平臺中建立了三維仿真施工模擬空間， 將隧道工作井、隧道區(qū)間地質(zhì)及附近管線、地鐵隧道等BIM模型在上述模型應(yīng)用空間進行集中展示。該CIM平臺運用GIS地圖技術(shù)概覽全局，可快速瀏覽任意位置、任意圖標對應(yīng)的數(shù)據(jù)情況。GIS技術(shù)將地圖獨特的視覺效果與BIM的數(shù)據(jù)庫操作功能相結(jié)合，將BIM數(shù)據(jù)帶入到地理坐標下的可視化空間內(nèi)，實現(xiàn)對宏觀GIS環(huán)境和微觀地下模型結(jié)構(gòu)的全盤掌握、統(tǒng)籌安排，達到施工現(xiàn)場地表、地下一體化管理的目的，實現(xiàn)了更精準、更完善的信息匯集、累積與分析，實現(xiàn)了科學(xué)化、可預(yù)見性的工程管理。

3.1 CIM中BIM技術(shù)的應(yīng)用

在城市隧道工程建設(shè)模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建時，主要包括水文地質(zhì)、周邊環(huán)境、盾構(gòu)機設(shè)備、工程主體建筑結(jié)構(gòu)模型等方面。

3.1.1 水文地質(zhì)模型

依據(jù)水文地質(zhì)詳細勘察及補充勘察資料對隧道工程沿線的水文、地質(zhì)進行建模。其中：水文屬性主要包括水位埋深、標高、類型及地下水補給排泄方式等；地質(zhì)屬性包括天然密度、含水量、孔隙比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、壓縮模量、變形模量、滲透系數(shù)、承載力特征、巖土的等級分類等。

3.1.2 周邊環(huán)境模型

依據(jù)周邊環(huán)境調(diào)查報告對周邊的建構(gòu)筑物、管線、道路、河流等使用三維實景建模技術(shù)實現(xiàn)快速建模[9]。然后在單體化處理后添加相關(guān)的信息，其中：建構(gòu)筑物屬性包括建筑物結(jié)構(gòu)平面坐標、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型、地下結(jié)構(gòu)深度、結(jié)構(gòu)形式、建設(shè)時間、建筑用途、產(chǎn)權(quán)單位及及其聯(lián)系電話等；管線屬性包括坐標、高程、規(guī)格、材質(zhì)、管線類型、建設(shè)時間、產(chǎn)權(quán)單位/人及其聯(lián)系電話等；道路屬性包括尺寸、交通流量、結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)權(quán)單位及其聯(lián)系電話等；河流屬性包括水流、河道跨度、深度、河堤形式、河堤管理單位及其聯(lián)系電話等。

3.1.3 盾構(gòu)機模型

依據(jù)盾構(gòu)機適應(yīng)性評審資料分別對刀盤、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、螺旋機、泥水循環(huán)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、人形閘、拼裝機等盾構(gòu)機機械進行模型創(chuàng)建。其中：刀盤屬性包括刀盤形式、直徑、開口率、刀具配置、強度、刀具高差等；刀盤驅(qū)動系統(tǒng)屬性包括功率、額定扭矩、脫困扭矩、轉(zhuǎn)速、軸承設(shè)計壽命等；螺旋機屬性包括功率、最大扭矩、轉(zhuǎn)速、輸送量、直徑等；泥水循環(huán)系統(tǒng)屬性包括進排漿管理直徑、進排漿泵功率；注漿系統(tǒng)屬性包括注漿管徑、注漿泵功率；人形閘屬性包括形式、直徑、工作壓力、容量等；拼裝機屬性包括形式、抓緊設(shè)備、自由度、旋轉(zhuǎn)角度、縱向行程等。

3.1.4 主體建筑模型

依據(jù)設(shè)計圖紙文件創(chuàng)建工作井及管片模型，其屬性包括設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、三維坐標、結(jié)構(gòu)強度、厚度等。

3.2 CIM中GIS技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)隧道工程施工前經(jīng)專家評審的《工程重大安全風險分析與評審報告》內(nèi)容，運用GIS+IOT技術(shù)可在地理空間數(shù)據(jù)中建立盾構(gòu)機數(shù)據(jù)孿生體，建立隧道建設(shè)仿真虛擬空間(見圖3)，對城市隧道工程建設(shè)風險分布信息、盾構(gòu)機實時掘進的地質(zhì)信息、盾構(gòu)機周邊環(huán)境的信息及空間關(guān)系信息等地理空間數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)三維可視化、動態(tài)的施工管理分析，可持續(xù)地對安全風險進行動態(tài)管控[10]。

3.3 CIM中IOT技術(shù)的應(yīng)用

運用IOT技術(shù)建立的盾構(gòu)遠程監(jiān)控界面，可直觀地查看盾構(gòu)施工進度情況、刀盤參數(shù)、機械設(shè)備運行參數(shù)、盾構(gòu)導(dǎo)向數(shù)據(jù)等信息[11]，實時監(jiān)控盾構(gòu)掘進參數(shù)、設(shè)備故障及運行狀態(tài)、盾構(gòu)掘進偏差等情況，并對盾構(gòu)機刀盤、泥水、注漿、導(dǎo)向等設(shè)備的掘進參數(shù)進行分析，以達到精細化管理的目的。

4 結(jié)語

CIM融合了BIM、IOT和GIS的技術(shù)特點，利用BIM技術(shù)構(gòu)造建筑工程項目各種相關(guān)工程數(shù)據(jù)模型，以IOT技術(shù)建立隧道施工機械的數(shù)字孿生體，最后在集成GIS的地理空間信息后建立三維仿真虛擬空間，采用數(shù)字化方式表達工程項目的設(shè)施實體和功能特性，實現(xiàn)了三維可視化動態(tài)施工管理分析、多參與方協(xié)同和信息共享的目標。

圖3 隧道建設(shè)的仿真虛擬空間界面截圖

基于CIM技術(shù)，未來的發(fā)展主要有以下幾個方面：①移動新生活，隨著5G技術(shù)和移動智能終端的普及，開發(fā)手機App(應(yīng)用程序)平臺；②物聯(lián)網(wǎng)，可將監(jiān)控器和傳感器放置在建筑物的任何地方，并將環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)等數(shù)據(jù)進行集成；③大數(shù)據(jù)-云技術(shù)，可收集、存儲數(shù)據(jù)，建立建筑物的云計算平臺；④建立VR(虛擬現(xiàn)實)或AR(增強現(xiàn)實)技術(shù)的隧道建設(shè)模擬空間[12]；⑤協(xié)作式項目交付，可利用BIM技術(shù)，滿足建設(shè)項目從勘察、設(shè)計、施工、運營等各階段信息傳遞的需求，使每個階段有價值的觀點和想法得以保留。