姚金悅，閔劍勇，嚴紫薇，羅桑

（1.東南大學交通學院；2.江蘇省交通運輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心；3.東南大學智能運輸系統(tǒng)研究中心）

1 引言

隨著交通基礎設施建設質(zhì)量要求與數(shù)字化管理需求的日益提高，智慧交通技術(shù)已逐漸深入城市基礎設施管理的各個環(huán)節(jié)。在交通強國與新基建的時代背景下，智慧交通的發(fā)展與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息化手段息息相關(guān)。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)作為一種數(shù)字化管理手段，在交通基礎設施領域得到了積極應用，為交通基礎設施行業(yè)的信息化變革提供了解決途徑。BIM技術(shù)的核心是運用智能數(shù)字表示建筑物，可以實現(xiàn)對建筑對象的可視化管理。BIM技術(shù)對施工而言的應用價值體現(xiàn)在區(qū)別于傳統(tǒng)二維圖紙的施工精細化管理，從設計、建造、管理三個層面提高了工程建造效率，并增強了施工安全性[1]。我國BIM技術(shù)起步較晚，目前仍處于發(fā)展期，產(chǎn)生了大量的工程建設應用成果，但是當前BIM技術(shù)工程探索多傾向于工程三維模型視覺效果展示，應用范圍窄、深度淺、落地效果較差，研發(fā)和標準化尚屬于起步階段。目前BIM技術(shù)大多應用于建筑施工領域，而隧道工程具有地形及水文地質(zhì)條件復雜、作業(yè)面多、質(zhì)量問題隱蔽性強、工序轉(zhuǎn)換方法復雜等特點，安全性保證難度大，實施時不能照搬建筑業(yè)中已成熟的BIM技術(shù)路線，亟需對BIM技術(shù)在項目建設管理中的應用進行深入的研究和探索[2]。

本文依托312國道蘇州東段改擴建工程園區(qū)段草鞋山隧道工程項目，基于創(chuàng)建高精度BIM模型，探索了快速化工程量統(tǒng)計、主體結(jié)構(gòu)鋼筋模型碰撞檢驗、綜合管線碰撞檢驗、可視化進度管理等BIM技術(shù)，對大型隧道工程數(shù)字化建設進行了深入研究與應用。研究成果有效提升了工程建設效率與現(xiàn)場施工精細化水平，對BIM等信息化技術(shù)在我國交通基礎設施建設工程中的綜合應用提供了實踐參考。

2 BIM精細化管理的優(yōu)勢

隧道施工中需要考慮到地面上部建筑與地下水文地質(zhì)條件等因素的影響，施工距離長導致工程周期持續(xù)較久，如何進行充分的協(xié)調(diào)以實現(xiàn)高效施工管理是本研究擬解決的關(guān)鍵問題。應用BIM技術(shù)進行精細化管理的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在幾方面。

1）模型精細度高

根據(jù)隧道施工澆注順序、基坑劃分、變形縫劃分等原則進行了隧道組成構(gòu)件的解構(gòu)與拆分[3]。建立的BIM模型具備LOD400級別精度，滿足隧道施工高精度建模、數(shù)字化管理的需求。

2）地形數(shù)據(jù)深度融合

兼顧三維建筑信息模型與城市地理數(shù)據(jù)對象的表達，實現(xiàn)了地形參數(shù)層、衛(wèi)星底圖層、實景模型層與BIM模型之間的數(shù)據(jù)融通。應用BIM和GIS集成的三維數(shù)據(jù)模型突破傳統(tǒng)建筑信息數(shù)據(jù)分散式存儲的瓶頸，實現(xiàn)多層次空間數(shù)據(jù)的可視化表達。

3）工程成本優(yōu)化

基于多原則劃分建立的高精度BIM模型為工程量的自動化統(tǒng)計提供了實施基礎，相比傳統(tǒng)施工工程量統(tǒng)計，具備提前規(guī)劃、及時調(diào)整、高效算量等優(yōu)勢，從而實現(xiàn)工程建設成本的優(yōu)化。

4）多專業(yè)設計協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)的二維施工圖紙在空間優(yōu)化與協(xié)調(diào)上具有一定的局限性，各專業(yè)設計圖紙錯綜復雜，施工人員難以直接發(fā)現(xiàn)潛在的設計沖突問題。應用BIM三維碰撞檢測可以及時糾偏設計沖突問題，有效縮短施工工期。

5）工程進度及時管理

應用高精度BIM與施工工期計劃掛接，實現(xiàn)施工進度模擬、進度查看、進度預警等可視化功能，通過時空域異構(gòu)數(shù)據(jù)的4D分析提升工程效率。

3 BIM模型創(chuàng)建

3.1 創(chuàng)建高精度BIM模型

研究依托的312國道蘇州東段改擴建工程園區(qū)段全長約4.47km，采用雙向六車道一級公路標準，設計速度為80km/h，總投資約13.512億元。主線向下以隧道形式穿過唯勝路、夷亭路、華誼影城出入口和滬寧高速陽澄湖出入口道路后起坡接地。陽澄湖大道隧道主線全長2180m，采用明挖順作法施工。

選用Bentley Microstation作為建模平臺，對外部環(huán)境、陽澄湖隧道施工主體結(jié)構(gòu)，以及陽澄湖隧道設備用房及其他臨時設施等進行BIM建模。主體結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求分為主線敞開段、主線暗埋段、匝道敞開段、匝道暗埋有隔墻段等四種形式。

3.2 融合GIS環(huán)境模型

實景建模依據(jù)陽澄湖隧道施工涉及的施工場地布置優(yōu)化、施工安全等需求，以建成后的隧道位置為中心，沿縱向兩邊各1km、沿橫向方向兩邊各200m劃定為隧道實景建模區(qū)域，借助無人機搭載智能相機并采用傾斜攝影的方式，可以對隧道實景模型區(qū)域進行圖像和GIS數(shù)據(jù)采集，生成隧道施工所需三維實景模型。直觀的三維實景模型可以提供縮放、轉(zhuǎn)化等視角，為項目外業(yè)勘測提供更為全面的周邊環(huán)境信息和可靠數(shù)據(jù)，并為項目后期三維應用與工程分析提供基本數(shù)據(jù)[4]。

4 基于高精度BIM模型的深度施工應用

4.1 工程量統(tǒng)計校核

工程量統(tǒng)計是編制工程預算的基礎工作，準確、快速地統(tǒng)計工程量是設項目工程量經(jīng)濟管理和工程造價控制的首要工作，而傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計方法通常以二維設計圖紙為依據(jù)，僅僅標注構(gòu)件的尺寸，無法體現(xiàn)構(gòu)件之間的三維空間關(guān)系，具有工作量大、費時、繁瑣、要求嚴謹?shù)忍攸c，計算過程中容易出現(xiàn)錯誤[5]。利用BIM技術(shù)輔助進行工程量清單統(tǒng)計與復核可以大大減輕工作量，幫助將工程計量失誤率縮小至±0.2%，大幅度減少人為因素對工程量計算工作的影響，快速為管理人員提供更加客觀的數(shù)據(jù)。

BIM工程師根據(jù)項目工程量統(tǒng)計需求，利用Microstation對審核通過后的高精度BIM模型進行清單統(tǒng)計和屬性導出處理，可以在不同階段快速準確地針對項目預埋洞口、預埋件、混凝土、鋼筋、管線等構(gòu)件自動生成工程量清單，幫助進行工程量復核。基于此，BIM工程師可以實時按照區(qū)段、時間等不同條件查詢各種材料和工程量并生成報表，提供項目各個分項或總體算量書[6]。工程建設材料管理部門和工程部可以及時得到工程量統(tǒng)計結(jié)果，從而更加合理地確定材料進場的時間和數(shù)量，并根據(jù)合同范圍查詢對應模型工程量清單，進行預埋洞口及預埋件復核工作與混凝土、鋼筋、管線等分項工程量的復核工作，優(yōu)化項目質(zhì)量與進度管理。

本項目基于高精度BIM模型進行工程量自動算量統(tǒng)計，主體結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計對比如表1所示。由表可見，BIM工程量與施工實際工程量統(tǒng)計的偏差不超過5%。上述主體結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計對比可直觀地看出BIM工程量統(tǒng)計與實際吻合度較高，對實際施工具有較好的指導意義。

表1 主體結(jié)構(gòu)BIM工程量與實際工程量統(tǒng)計對比

4.2 碰撞檢驗

通常來說，隧道需要配備多種管道，涉及多個專業(yè)，由于傳統(tǒng)的二維圖紙可視化有限性以及在高程上的表達缺陷，管線與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或設備管線之間容易發(fā)生碰撞，隧道通風、排水、安全等各專業(yè)只能獨立進行設計，難免出現(xiàn)錯漏碰缺問題。本文使用Bentley Navigator軟件，利用BIM模型，將施工建筑、結(jié)構(gòu)模型與機電安裝各專業(yè)模型整合在一起，可以進行隧道主體機電與管線單專業(yè)或多專業(yè)之間全面的三維碰撞檢驗，直觀定位管線綜合中的沖突問題并精確復核，形成包括具體碰撞位置以及碰撞點碰撞類型的檢測報告，提高隧道施工中的風險識別。

對于節(jié)點復雜和專業(yè)工程交叉多的部分，在施工前應用BIM模型進行碰撞檢查，提前優(yōu)化多專業(yè)協(xié)同設計，可以避免和協(xié)調(diào)解決問題，在設計階段即可更改錯誤，減少或消滅在工程施工過程中發(fā)生工程碰撞的可能性，盡可能消除工程設計、建設中的各類“差、錯、漏、碰”問題，減少項目施工工程量和不必要的工程浪費，保證項目施工的正常推進（見表2）。

表2 典型碰撞類型

隧道主體結(jié)構(gòu)鋼筋碰撞數(shù)量較大，涉及鋼筋種類多，主要集中在中隔墻的頂部與底部、側(cè)墻底部。鋼筋碰撞沖突主要原因為在二維圖紙設計過程中，設計圖紙中部分鋼筋與縱向分布筋發(fā)生了重疊。本項目共完成隧道主體結(jié)構(gòu)81段主體結(jié)構(gòu)LOD400級別鋼筋模型建立，采用不同顏色標記不同類型鋼筋，進行模型交底，并以高精度鋼筋模型為基礎進行隧道全線鋼筋碰撞檢驗，共發(fā)現(xiàn)鋼筋碰撞60077處，合計1053t。

4.3 可視化進度模擬

傳統(tǒng)進度計劃通常在工程正式施工之前，憑借編制人員根據(jù)工作經(jīng)驗確定工作邏輯關(guān)系和持續(xù)時間，準確率不高，難以預測施工過程中的難點問題，對于較為復雜的工程項目進度管理會產(chǎn)生一定程度的不良影響。BIM可視化技術(shù)可以集成各類數(shù)據(jù)信息以及施工過程，本項目使用Navigator的Schedule Simulation模塊，導入Microsoft Excel或者Microsoft Proj‐ect等主流的項目進度組織計劃軟件中指定的進度計劃，以BIM構(gòu)件唯一編碼為紐帶，實現(xiàn)進度計劃與工程構(gòu)件自動映射，從而實現(xiàn)BIM施工管理平臺web端進度可視化展示，即4D（時間+3D模型）模擬（見圖1）。借助BIM建設管理平臺Web端與移動端形成“進度模擬—手機端上傳施工日志—進度匯報—進度預警—進度計劃調(diào)整”的完整管理閉環(huán)，實現(xiàn)計劃進度的模擬、進度可視化展示、進度跟蹤檢查、實際進度的動態(tài)更新與兩者之間的對比、進度預警與輔助偏差分析，輔助管理者進行施工計劃調(diào)整與決策。

圖1 進度可視化模擬

5 結(jié)語

以312國道蘇州東段改擴建工程園區(qū)段YQ312-SG1標段陽澄湖大道隧道工程項目為依托，形成了集BIM應用規(guī)劃、BIM應用標準、BIM設計協(xié)同、BIM深度施工應用、BIM云平臺為一體的項目建設全過程應用體系，竣工模型及項目管理平臺數(shù)據(jù)均可平滑交付至項目運維平臺，實現(xiàn)了LOD500級別模型工程應用，有效降低施工耗能，節(jié)省項目材料、人工、機械臺班費用16%以上，在探究BIM深度應用的基礎性，實現(xiàn)了項目管理手段由“人工式”向“信息化、智能化”的突破，為同類工程問題提供了新的解決思路。