BIM技術在隧道建設中的應用

李揚

（甘肅路橋公路投資有限公司，蘭州 730000）

1 項目背景

武都至九寨溝高速公路項目位于甘肅省隴南市境內，是省內及國內率先在公路工程勘察、設計、建設和運營養(yǎng)護全生命周期過程中全面推廣應用BIM 技術的特大型工程，目的在于利用BIM 技術對項目建設過程中的工程信息進行收集、溝通和協(xié)調，推動信息化技術在本工程建設中的充分應用，保證工程建設質量，減少投資成本。

2 BIM技術對于隧道工程建設的意義

在隧道工程建設中，可以通過OpenRoads Designer 軟件中的GINT civil tools 地質建模插件，結合設計圖以及地質鉆孔數據建立隧道地質三維模型，再通過相關專業(yè)BIM 軟件建立隧道的洞門、洞身、防排水、人行及車行橫通洞、輔助坑道、附屬設施構件等高精度BIM 模型。三維地質模型組成可支持剖切查看，便于在隧道等重要結構施工時掌握周邊圍巖情況，降低施工風險，實現對多工點鉆孔數據的管理；通過創(chuàng)建包含項目所有地質信息的三維地質BIM 模型，可生成任意地質剖面圖，幫助設計人員更加清楚地了解工程地質情況，提高設計方案的合理性；高精度的BIM 隧道模型可以直觀地展現設計意圖，并可在施工過程中提前檢查設計問題，規(guī)避因施工圖存在問題而造成返工、設計變更等問題，同時，提高施工效率，縮短施工周期，節(jié)約施工成本。

3 BIM技術在隧道工程中的應用

由于該隧道地質情況復雜，僅主洞就含有7 種襯砌類型，基于現場勘察信息建立工程區(qū)三維精細地質結構模型，構建隧道BIM 精細結構模型，實現三維地質與隧道BIM 模型融合；研發(fā)面向Web 的隧道BIM 云平臺，實現移動端（手機、Pad等）、PC 機等的無縫兼容及跨平臺功能，可實現現場信息采集（圖片、文字）及安全隱患管理[1]。

3.1 BIM技術在設計階段的應用

在隧道設計階段，充分利用BIM 可視化技術，可以將隧道模型與周圍環(huán)境相融合，結合周邊地形環(huán)境與山體走向等進行方案論證。在各專業(yè)建模過程中，對設計文件中存在的錯、漏、碰、缺進行進一步復核，并及時優(yōu)化方案設計。

同時，通過WBS 字典，本項目組將隧道的單位工程按照隧道左右幅的不同，將豎井和斜井劃分為單獨的單位工程，同時，將隧道按照路線左右幅拆分為2 個單位工程。1 個單位工程為1 個DGN 模型文件，里面包含了表達該單位工程“形象”的所有構件或單元，里面的構件或單元按照圖層來區(qū)分不同的分項工程，單個構件表達對應的1 個工程實體部位，為后期出圖算量等提供完整、精確的三維模型數據及依據。

3.1.1 BIM 三維地質模型

建立復雜的三維地質結構模型，是確保工程構筑物信息模型準確性的重要的環(huán)境要素，對于合理分析和預測隧道施工過程所遇到的工程地質問題具有重要意義。本項目以三維地質模型為基礎，建立地質三維地層的網格曲面（mesh 面）后，可以迅速得出勘探線位置工程地質剖面圖；其他非勘探線區(qū)域也可便捷地編輯出工程地質剖面圖；可讀取數據庫鉆孔數據快速出鉆孔柱狀圖；可出工程地質平切圖等地質圖件。

利用測繪專業(yè)提供的傾斜攝影數據生成地形面，建立地質三維地層mesh 面后嚴格穿過所有等高線數據點，形成的地形面非常貼合實際地形。利用鉆孔的土層分層數據建立不同土層分層mesh 面，使用80 多個鉆孔的土層分層數據和添加的一些地質工程師判斷的地質數據建立土層分層mesh 面，生成的土層分層mesh 面穿過所有數據點且所有數據點之間的連接方式為光滑過度連接，使生成的土層分層面更符合實際土層分層走向。項目建立的地質三維模型共建立了碎石土、泥盆系砂質板巖、炭質板巖、灰?guī)r、片巖、板巖、變質砂巖等8 個大的土層分層面和透鏡體與夾層，建立的地質三維模型中的每個地質層都具有相應的屬性數據，并且可生成相應的剖面圖、鉆孔柱狀圖等，同時，將建立的地質三維模型（見圖1）和相應圖紙?zhí)峁┙o下游設計專業(yè)進行設計，可進一步提高設計數據的準確性[2]。

圖1 三維地質模型

3.1.2 BIM 算量技術

BIM 技術不僅可以提供項目的三維可視化效果，還可以對隧道的材料使用量、成本進行計算。具體過程為：通過專業(yè)BIM 軟件得到的隧道模型，對隧道的結構、材料、體積、數量等做大致估算，既可以在施工前為施工方提供大致的數據信息，也可以在施工后對實際施工情況進行評估比較。

通過自主研發(fā)的BIM 算量插件，可以將不同構件信息及不同單位工程內所有的材料的尺寸大小、數量、名稱等信息直接進行處理與分析，然后，整合模型出具數量表。如果在設計過程中需要進行少量的設計變動，只需將要變更的內容輸入表格中，之后，其模型也會進行相應的改變（見圖2）。

圖2 BIM算量

3.1.3 碰撞檢查

利用BIM 可視化技術建立完善的模型后，可以通過Navisworks 軟件對高樓山隧道設計中的潛在結構沖突進行有效的辨別（見圖3），通過檢查發(fā)現102 處鋼筋碰撞、13 處不合理設計，并出具檢查報告，由于提前預測并發(fā)現設計錯誤大大節(jié)省了工程時間，降低了施工及設計成本。

圖3 碰撞檢查

3.2 BIM技術在施工階段的應用

3.2.1 BIM 可視化管理

BIM 可視化管理主要是從項目施工管理角度出發(fā)，參考“互聯(lián)網+”的思維模式和發(fā)展背景，依托大數據、物聯(lián)網等技術，以GIS 引擎承載傾斜攝影三維實景隧道模型，集成建設項目施工過程中的質量、進度、安全、檔案等數據，將BIM 技術與其他多種技術跨界融合，應用于工程項目的綜合管理，搭建BIM+GIS 三維可視化綜合管理平臺。平臺以三維GIS 環(huán)境及BIM 模型為數據載體，實現建設管理期間的全生命期項目應數據管控、業(yè)務數據實時更新及智能分析等需求。

基于項目區(qū)域GIS 云服務平臺和BIM+GIS 融合技術，搭建B/S 架構的三維可視化項目管理展示系統(tǒng)，使用戶無須安裝其他軟件或插件的情況下即可通過瀏覽器實現三維GIS 環(huán)境的高性能加載及渲染效果，可將場景內的高精度BIM 模型或GIS 數據作為可視化的數據載體，支持多種三維模型的輕量化展示及空間點選查詢，模型掛接對應圖紙等設計數據信息，通過大數據分布式存儲系統(tǒng)與施工業(yè)務數據掛接。開發(fā)空間量測、區(qū)域標注、屬性添加等GIS 應用（見圖4）。

圖4 BIM+GIS 云平臺

3.2.2 施工方案模擬

傳統(tǒng)的技術交底一般以文字為主，經施工管理人員學習后，用口頭傳授的方式對工人們講解，但由于是口頭傳授，會存在口音與語速等問題，這樣會使施工人員在理解時存在較大的困難，從而會對施工產生極大的安全影響甚至造成不必要的人員財產損失?；诔呔鹊乃淼廊S模型，在技術交底環(huán)節(jié)可以對重要工點及重難點施工工藝進行施工動畫模擬，生動、直觀地體現各個重難點施工工藝，方便施工工人進行理解，提高施工效率，降低施工事故的發(fā)生率。

3.2.3 隧道BIM 云平臺技術及應用

基于BIM 信息化平臺可以實現從隧道地質BIM 模型到數值計算模型的轉換，從而構建工程區(qū)及隧洞施工過程的三維高精度數值計算模型。在此基礎上，基于所研發(fā)的高性能數值計算分析方法，深入開展隧道施工過程精細化計算分析，分析隧道施工過程、圍巖與襯砌結構變形及受力特性，并與現場實際監(jiān)測數據進行對比分析，基于現場監(jiān)測數據信息開展隧道圍巖變形強度參數的反演分析研究，從而保證計算參數及分析的合理性，實現隧道變形的精細化變形預測，為施工過程及工法優(yōu)化提供可靠的參數支持，并且可以揭示隧道圍巖變形與支護結構受力、變形機制，為工程隧道施工及控制提供理論與技術支撐。

通過平臺內一系列的功能應用，可以在PC 應用終端和移動應用終端實現各種服務。云平臺可以為現場施工人員提供多種基礎服務功能，主要由五大類業(yè)務應用和一個用戶管理模塊構成，其中，業(yè)務應用功能模塊主要包括用戶管理模塊、可視化功能模塊、項目與工程信息管理模塊、現場施工管理模塊、監(jiān)測信與預警預報功能模塊（見圖5）[3]。

圖5 隧道BIM云平臺

4 結語

在新基建熱潮下，隧道建管養(yǎng)平臺也給BIM 技術的創(chuàng)新發(fā)展帶來了新的機遇，在BIM 技術運用過程中，將BIM 和隧道施工、實時監(jiān)測以及數值模擬相結合，不僅可以通過模型快速進行碰撞檢查，對設計進行理論驗證及方案的快速修改，通過模型進行隧道涌水方案模擬、超前地質預報三維模型分析檢測等，還可以使整個施工過程更加科學化，不但提高了施工管理的效率，也使得施工管理成本降低，實現了企業(yè)利益的最大化，推進隧道工程建設的穩(wěn)步發(fā)展。