饒丹 成蕾 余達峰 高楊

摘要：依托龍泉山二號隧道為工程背景，通過對BIM理論的廣泛調研，提出了BIM技術在城市山嶺隧道的工程應用的定義，并研究分析了城市山嶺隧道全生命周期BIM技術應用的解決方案。研究成果如下：基于Bentley技術，創(chuàng)建了項目綜合管理BIM平臺，優(yōu)化了項目設計管理、技術管理、造價管理、質量管理、安全管理、進度管理及投資管理。同時，BIM技術在城市山嶺隧道工程中的應用，提升了設計的深細度、實現(xiàn)了施工的動態(tài)模擬以及運營維護資產(chǎn)管理的信息化。將三維可視化建模、信息融入等BIM技術成功運用于隧道全生命周期各階段中，突破了傳統(tǒng)2D設計的局限性，解決了隧道建設各階段信息傳遞不及時、信息滯后等難題，降低施工風險。

關鍵詞：Bentley平臺； 城市山嶺隧道； 全生命周期； BIM技術

中圖分類號：U457文獻標志碼：A

近幾年來，我國隧道里程正快速增長，截至2020年年底，我國公路隧道總里程達到2 000萬m，特長隧道隧道達到600多萬m，同比增長19.5%［1-2］。隨著技術的完善和創(chuàng)新，國內長大隧道越來越多，但伴隨而來的是地質情況更加復雜，需要克服的難題越來越多。而現(xiàn)如今隧道建設與運維信息化嚴重不足，掌子面前方地質信息預測困難、預測信息傳遞不及時、各部門信息實時共享性差等給隧道工程帶來了嚴重的安全隱患。在此情形下，迎來了全新的BIM技術，可實現(xiàn)信息資源的實時共享、可視化建模等，同時也彌補了傳統(tǒng)2D設計的不足，廣泛用于各類工程的建設中，為新時代隧道工程建設帶來了一片曙光［3-5］。

由此，國內外眾多學者對BIM技術在隧道中的應用展開了大量研究。馬騰［6］在基于Bentley平臺上采用C#/C++混合編程技術研發(fā)了隧道洞口設計軟件，完成了隧道洞口位置的選擇及洞門的選型，解決了傳統(tǒng)二維設計過程中的諸多不足；高瑋等［7］介紹了一種基于Revit平臺的礦山法隧道的BIM建模方法，可對礦山法隧道進行全生命周期建立可視化三維模型；張孝俊［8］將BIM技術應用于隧道超前地質預報中，通過將TSP數(shù)據(jù)導入三維地質模型，實現(xiàn)了超前地質預報信息的即時共享，提高了隧道建設的安全性；Song等［9］提出了隧道工程BIM技術的基本軟硬件配置要求，介紹了BIM技術的基本架構及BIM技術在隧道工程中應用的一般原則和基本流程，最后提出了隧道工程協(xié)同管理的施工方案；王璐瑋［10］采用Civil 3D建立了隧址區(qū)三維地質模型，并模擬了隧址區(qū)滲流場，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)模型與實際滲流量基本相等；吳冬等［11-13］介紹了BIM可視化建模技術在隧道規(guī)劃、設計、施工、運維中的應用。

綜上，BIM技術在我國隧道建設中的運用取得了顯著的成果。而目前城市山嶺隧道的工程項目建設仍以傳統(tǒng)建設模式為主，管理離散性高，難以實現(xiàn)工程建設成果前置優(yōu)化的建設要求，推廣應用BIM技術是當前城市山嶺隧道工程建設的迫切需要，也是推動建設行業(yè)由“二維 CAD時代”向“三維信息化時代”重大轉型的需要。本文依托龍泉山二號隧道為工程背景，通過對BIM理論的廣泛調研，提出了BIM技術在城市山嶺隧道的工程的定義并總結其特點，同時基于Bentley技術構建了項目綜合管理BIM平臺，研究分析了城市山嶺隧道全生命周期BIM技術應用的解決方案，而目前城市山嶺隧道工程國內尚無完整采用BIM技術進行全方位管理的先例，本文的研究將對未來相關工程的BIM應用具有巨大的指導意義。

1基本概述

BIM技術是建筑信息模型（Building Information Mdeling）、建筑信息管理 （Building Information Management）、建筑信息模型化 （Building Information Modeling）功能的集合 ［14-15］，能夠用于一個項目規(guī)劃、設計、施工、運維全生命周期的設計管理，可實時掌控項目全生命周期不同階段的準確信息，正逐步成為建筑設計的主流方向。

本文在基于廣泛調研的基礎上，提出了BIM技術在城市山嶺隧道工程應用的定義：利用信息模型對城市山嶺隧道進行全生命周期規(guī)劃設計管理。模型包含整個隧道項目所有幾何尺寸、空間關系、結構功能等信息，在隧道全生命周期內，各階段信息實時記錄共享，各部門基于信息共享的基礎上積極展開協(xié)同工作。

2軟件平臺

如圖1所示，施工深化快速建模軟件是基于Bentley基礎建模平臺Microstation（以下簡稱 MS）和路線建模軟件OpenRoads Designer（以下簡稱 ORD）進行二次開發(fā)出來的，構件參數(shù)化主要提托底層平臺MS的參數(shù)化功能。施工深化快速建模軟件的構件主要包含兩條技術路線，一是通過剝離設計移交模型的幾何信息和非幾何信息，讀取幾何信息根據(jù)施工要求自動深化為施工模型，再附上移交模型的非幾何信息;二是翻模，通過錄入設計圖紙的幾何和非幾何信息，結合施工管理要求實現(xiàn)自動深化。

如圖2所示，施工管理平臺板塊包含應用平臺C/S端、B/S端和移動端。應用平臺C/S端同樣基于MS和ORD，包含施工屬性標準，C/S端重點實現(xiàn)建模過程中的構件層級關系與工程分部分項劃分標準，以及工程量清單之間的自定映射關系。無縫讀取Bentley的DGN文件，上傳到服務器，在B/S端和移動端呈現(xiàn)模型樹和相應構件信息，并進行信息的查詢和錄入，實現(xiàn)信息的匯總分析和傳遞。

3可行性研究分析

3.1施工深化建模工具可行性分析

在技術層面上，程序化的建模流程是可行的，基于路線的構件，程序更容易實現(xiàn)，可更高效處理復雜的邏輯關系程序，同時所掌握的圖形接口也能滿足橋隧施工深化工具研發(fā)的需求。結合以往工程案列對BIM施工模型的需求進行了詳細調研，保證了施工深化工具的通用性。

現(xiàn)階段交通土建工程BIM建模和應用大部分單位由于技術的不成熟，BIM工作和業(yè)務自身是割裂的，對企業(yè)提升BIM應用水平不明顯，研發(fā)“橋隧施工模型深化建模工具”是一條經(jīng)濟、合理的路線，有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和差異化發(fā)展。

3.2管理平臺可行性分析

平臺建設有兩個難點需要解決，一是必須依靠模型深化工具才能實現(xiàn)自動統(tǒng)計的功能，如果通過手動錄入的方式跟傳統(tǒng)工作方式區(qū)別不大，且容易出錯；二是必須有Bentley基礎圖形平臺MS和路線建模軟件ORD的接口。本文研究在基于Bentley平臺的基礎上進行軟了件二次開發(fā)，解決了橋隧施工深化工具的問題，也能提供相應的接口。對于B/S端和移動端應用，市場技術相對成熟，暫時沒有技術需要攻破，在技術上是可行的。

巖土工程與地下工程饒丹， 成蕾， 余達峰， 等： 基于Bentley平臺的城市山嶺隧道工程全生命周期BIM技術應用研究

4項目綜合管理BIM平臺

4.1項目綜合管理BIM平臺的創(chuàng)建

項目綜合管理BIM平臺集云技術、GIS技術、物聯(lián)網(wǎng)技術及LoT技術于一體，主要為各參建方服務，構建項目級平臺，以項目為管理單元。平臺主要包括PC端、Web端和移動App端。

PC端：施工電子沙盤作為平臺的子系統(tǒng)，主要為用戶提供三維模型的可視化顯示和相關操作，包括對構件進行選中、顯隱、隔離、提取無素ID、綁定和清除IFC、查看圖元、輸出obj文件、導出Project可識別的XML文件、一鍵發(fā)布模型等功能。電子沙盤是以Bentely的MicroStation CE為平臺，支持Net和C++開發(fā)，能方便的實現(xiàn)各種所需功能，利用該平臺實現(xiàn)對設計模型的深化處理，實施施工BIM模型的生成、屬性關聯(lián)、錯誤檢查等。

Web端：基于瀏覽器端的項目管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)系統(tǒng)設置、項目管理、設計管理、技術管理、造價管理、質量管理、安全管理、進度管理、投資管理、施工日志等功能。

移動APP端：移動端應用，主要用于施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)錄入、信息查看等，提供基本的模型操作及施工管理功能。

4.2項目綜合管理BIM平臺的應用

（1）系統(tǒng)設置：系統(tǒng)具有強大的權限自定義配置功能，滿足不同角色用戶的訪問權限設置。平臺也支持建設單位、施工單位、設計單位、監(jiān)理單位等參建方按照業(yè)務流程、職責自定義權限和工作流，基礎數(shù)據(jù)配置靈活，可以在線維護APP的自動更新功能等。

（2）項目管理：該模塊主要幫助用戶進行項目基礎信息維護、切換、在線發(fā)布消息，配置GIS和BIM模型的配置信息，并且可以使用BIM模型融合進度管理進行三維可視化進度查看，對比計劃和實際進度的差異以不同顏色顯示，還有基礎的模型構件顯隱、隔離控制、對地形和實景模型顯隱控制等。

（3）設計管理：該模塊設置設計文件及變更歸檔目錄，并將設計文件與BIM構件相關聯(lián)，模型空間隨時可查看設計文件，手機APP端可按構件瀏覽設計文件。

（4）技術管理：該模塊設置技術文件歸檔目錄，并將技術文件與BIM構件相關聯(lián)，模型空間可隨時查看技術文件，提供技術文件清單管理及智能化提醒功能。項目開始前，梳理項目所需上報的技術方案，建立電子清單，并設置預警閥值，超過計劃上報時間系統(tǒng)自動預警上報方案。

（5）造價管理：通過模型構件和對應的結構樹進行工程量屬性的維護，方便用戶在三維可視化的BIM上點擊查詢對應的工程量屬性信息，也可以將數(shù)據(jù)導出為本地數(shù)據(jù)文件進行保存。

（6）質量管理：借助BIM模型及互聯(lián)網(wǎng)技術，分部分項構件報驗按工序準備、工序檢驗的雙管控方式實現(xiàn)數(shù)字化質檢方法。構件相關質量文件、技術交底、專項方案、圖紙等技術文件與構件掛接，實現(xiàn)檔案數(shù)字化、信息化，隨時隨地方便查詢。每類構件設置工序流程及質量管控要點，現(xiàn)場人員按照工序流程逐項檢查并上傳圖片及檢查結果，避免傳統(tǒng)檢查時疏漏及不規(guī)范。質量人員也可以通過移動端APP對施工現(xiàn)場的質量問題進行現(xiàn)場拍照和文字記錄，并且指派推送給相應人員進行整改，整改完畢之后，由確認人核實現(xiàn)場情況并拍照記錄，將檢查問題進行閉環(huán)。

（7）安全管理：對定期檢查的安全生產(chǎn)相關的人員、檢查記錄、巡檢圖片上傳至管理平臺。移動端APP現(xiàn)場安全隱患排查/問題超期預警（移動端現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、匯報、整改）；安全專項方案及技術交底；安全問題統(tǒng)計報表/分析圖表（現(xiàn)場問題匯總、整改記錄、審批、存檔）；按隱患類型統(tǒng)計、隱患趨勢分析。

（8）進度管理：通過傳入項目信息，從Web端項目管理模塊中獲取到項目進度計劃和實際進度對于正常、滯后、超前進度不同顏色表達，一目了然。同時，系統(tǒng)平臺提供總體進度計劃、年度、季度、月度計劃模擬及進度對比分析功能，分析進度計劃編制的合理性，偏差分析功能提醒管理人員進度滯后的工程部位、滯后時間、以便及時分析偏差原因。

（9）投資管理：系統(tǒng)平臺搭建產(chǎn)值或計量數(shù)據(jù)接口，供第三方軟件提供的產(chǎn)值或計量數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)平臺。同時系統(tǒng)平臺對計劃產(chǎn)值和實際產(chǎn)值的數(shù)據(jù)進行管理，以線上的形式進行數(shù)據(jù)錄入和后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

（10）二次開發(fā)：基于系統(tǒng)平臺標準版的功能，結合本項目實際特點，定制開發(fā)基于BIM的隧道進度監(jiān)控、基于BIM的隧道變形監(jiān)控預警、基于BIM的隧道瓦斯監(jiān)控預警功能。

4.3與智慧工地平臺的互聯(lián)互通

系統(tǒng)平臺與智慧工地監(jiān)控對接，現(xiàn)場視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)實時傳輸顯示、勞務人員考勤管理數(shù)據(jù)接入、重大安全風險監(jiān)測設備數(shù)據(jù)接入、隧道掘進監(jiān)控等，便于結合BIM模型與現(xiàn)場實際情況進行比對和管理。

5工程實例

5.1工程概況

龍泉山二號隧道位于四川省成都市龍泉驛區(qū)龍泉山，隧道進口端臨龍泉山茶興路，出口端臨013鄉(xiāng)道。隧道設計為雙向分離式隧道（雙向8車道），左線長度2 083 m，右線長度2 098 m。隧道穿越的地層巖性主要為砂泥巖互層，綜合工期、地質條件考慮后，龍泉山二號隧道采用礦山法施工，隧道襯砌采用復合襯砌結構形式，結構創(chuàng)新、工藝復雜。

5.2設計階段的應用

在設計階段，基于設計提供的二維圖紙，建立不同精細化程度、滿足不同應用需求的BIM模型，完成施工圖紙會審、深化設計、技術交底、施工模擬及項目展示。在隧道建設期，設計資料可根據(jù)施工方案實時變更、實時共享。

借助三維地質軟件，根據(jù)測繪信息數(shù)據(jù)、推測的地層分界點、地質勘察剖面數(shù)據(jù)、地層分界面跡線等數(shù)據(jù)建立地形地質模型。再根據(jù)現(xiàn)場施工設計圖洞門結構尺寸、隧道與路線模型相互聯(lián)系，采用采用全參數(shù)化建模的方式構建隧道三維可視化模型，如圖3所示。

5.3施工階段的應用

（1）工程量計算：由BIM模型輸出工程量報告，精準計算材料數(shù)量并且可以快速輸出施工預組件的數(shù)量報表，實現(xiàn)施工的成本效益估算。

（2）施工模擬：通過BIM施工模型，根據(jù)規(guī)劃的施工順序，模擬施工工藝動畫，強化施工人員作業(yè)能力，提高施工效率。

（3）數(shù)字加工：由BIM施工模型輸出鋼筋（鋼材）的下料表及材料數(shù)量表，對接鋼筋（鋼材）加工廠，實現(xiàn)數(shù)字化半成品加工，降低人為制造的誤差值并提高生產(chǎn)效率。

（4）碰撞檢測與沖突分析：在3D可視化模擬的空間內，通過3D軟件進行沖突檢測，以減少變更設計的產(chǎn)生，同時校核構造設計的合理性，借以提升施工效率與施工質量。

（5）實時監(jiān)測：通過BIM施工模型漫游動畫，用動態(tài)交互的方式對未來的隧道項目進行身臨其境的全方位的審視，同時可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景。

5.4運營階段的應用

運營階段可對BIM模型作輕量化展示，將BIM模型中包含的空間位置信息和結構、裝修、設備、設施等物理信息顯示、處理、儲存，為運營階段日常管理工作提供技術支持。如在隧道病害檢測中，通過對隧道病害進行三維可視化建模，可清楚明了的展示隧道發(fā)生病害的位置及病害程度，便于采取針對性補救措施。

在隧道運營階段還可以通過BIM技術研究分析隧道發(fā)生火災等緊急情況下應急措施的模擬，根據(jù)客流密度，模擬通風措施，找到不同客流密度下對應的最小通風量，可在保證人員安全的同時節(jié)約經(jīng)濟。

6結束語

本文依托龍泉山二號隧道為工程背景，通過對BIM理論的廣泛調研，提出了BIM技術在城市山嶺隧道的工程的定義，同時基于Bentley技術構建了項目綜合管理BIM平臺，研究分析了城市山嶺隧道全生命周期BIM技術應用的解決方案，主要研究結果：

（1）借助Bentley技術，創(chuàng)建了項目綜合管理BIM平臺，優(yōu)化了項目設計管理、技術管理、造價管理、質量管理、安全管理、進度管理及投資管理。

（2）BIM技術在城市山嶺隧道工程中的應用，提升了設計的深細度、實現(xiàn)了施工的動態(tài)模擬及運營維護資產(chǎn)管理的信息化。

（3）將三維可視化建模、信息融入等BIM技術成功運用于隧道全生命周期各階段中，突破了傳統(tǒng)2D設計的局限性，解決了隧道建設各階段信息傳遞不及時、信息滯后等難題，降低施工風險。

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［作者簡介］饒丹（1977—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑工程技術工作。