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摘要：建筑信息模型應用于建筑工程已比較成熟，但隧道工程的典型案例仍相對較少?？偨Y了國內bim技術在建筑與隧道工程中應用的經驗，分析了BIM技術在隧道工程應用中的主要任務。
關鍵詞：BIM；信息化；隧道應用
0引言
BIM之父查克•伊斯曼教授于1975年在喬治理工大學提出建筑描述系統，并在該模式初次實現設計參數化、由模型自動生成二維圖紙、數據分析可視化、計劃施工組織與材料等功能[1]。1987年在一篇荷蘭語的論文中第一次有了建筑信息模型的概念[2]，Autodesk公司在2002年將BIM概念商業化，BIM技術革命便在全球范圍席卷開來。2011年5月，住房城鄉建設部印發《2011-2015建筑業信息化發展綱要》，開始了BIM在中國應用。
1BIM技術在我國隧道工程中的應用研究
隧道的隱蔽性及其狹長的特點，決定了研究隧道必須研究地質，必須將隧道的地質模型與結構主體模型相結合[3]，這種設計理念對隧道工程的建設有了巨大的推動。在BIM快速發展的新時代，BIM在勘察中的應用將會越來越廣泛，勘察專業進入三維時代已是大勢所趨[4]。
1.1隧道勘察設計階段
2014年任曉春提出利用BIM與GIS融合的技術路線，為選線設計提供數據支持和決策分析，然后進行工點設計[5]；2015年戴林發寶等結合三維工程地質，模擬洞口邊仰坡開挖確定隧道進口位置并采取合理隧道洞門形式，利用三維模型開挖直接計算土方量，再利用BIM4D技術進行動態施工模擬、漫游項目[6]。鄭楠基于本特利平臺建立了地形地質模型和隧道主體模型，然后優化結構設計，優化場地布置和合理施工機械選型，結合通風軟件完成風井和洞口定位；地形地質模型與隧道模型耦合切取剖面，根據掌子面地質變化調整施工方案；在設計上自動生成工程量統計，使用鋼筋插件自動配筋；完善結構模型進行碰撞檢測；集成工程數據，優化細部結構構件，方便查詢及管理各類信息和資料。伍尚前基于歐特克采用BIM模型及周邊GIS數據分析隧道圍巖地質特征并進行圍巖分級判別，再建立隧道結構模型，根據隧道模型在地質模型中的位置進行受力分析；連接模型得出重點處理的結構要點及綜合設計[7]。陳詩艾利用CIVIL3D構建三維地質模型，引入隧道模型后剖切獲得隧道縱斷剖面圖，由隧道周圍地層狀況優化設計[8]。當前正處于BIM技術研究的初期，模型設計基本以翻模為主，2018年徐博提出BIM正向設計流程，在地形地質模型上進行線路設計和工點設計，包括隧道標準斷面庫、隧道洞身設計、隧道洞口設計、隧道結構設計、工程量統計。
1.2隧道施工管理階段
2013年劉小方在越江隧道應用AUTODESK與NAVISWORKS進行道路翻交與管線排布，排除了施工風險，提高了協調效率[10]。裴作君在某隧道施工中應用BIM技術做臨建工程及工程量統計，將監控量測、超前地質預報和檢驗資料載入模型，將復雜施工方法工藝制成動畫實現可視化交底[11]。李延在寶蘭客專石鼓山隧道建立基于BIM的地質模型和結構模型，進行標準創建、管理體系、交底模式、工程量統計、工法模擬、地質模型等施工組織管理研究，將施工資料與管理人員信息等導入BIM協同管理平臺[12]。趙璐等在鐵路隧道施工方面進行了4D虛擬施工及進度動態管理、質量監控和安全風險評估預警管理、施工資料信息集成管理及可視化交底應用，并采用三級架構平臺，為設計施工一體化和施工現場精細管理提供技術平臺[13]。裴非飛以精細化管理為目的，明確系統框架體系及應用組織體系進行全生命周期管理平臺建設。張渤龍等利用模型進行施工管理，在質量管理中抓住材料質量管理與施工過程質量管理兩個方面，施工進度管理涉及可視化的工程進度安排、項目施工全過程模擬及施工工藝模擬，此外還有施工成本管理和施工安全管理[14]。張穩濤根據工程量進行精細化實體結構碰撞檢查避免返工，通過建立地質構造和超前地質預報對比分析隧道圍巖情況，適時調整施工方案，建立超、欠挖模型分析統計[15]。王秀林等采用基本模型+參考模型的方式組合拼裝，將BIM模型與施工資料和信息集成應用，根據工作分解結構模擬和優化進度計劃，實現了進度展示、分析和調整，模擬施工工藝，開發隧道質量安全標準樣板區，搭建了項目的網絡協同平臺，通過網頁端和移動端及時解決現場出現的各類狀況[16]。2017年劉洪瑞根據TSP實際預報結果，將破碎帶信息添加到隧道的三維地質模型中[17]。錢七虎介紹我國復雜不良地質隧道超前地質預報的方法和隧道巖爆監測預警方法、安全風險監控最新進展，指出建設隧道應基于大數據向智慧隧道發展[18]。劉思佳等基于Revit模型，以陶家夼隧道為例，結合全站儀、3D激光掃描技術、地質雷達等設備將隧道施工的監控量測數據、圍巖狀況信息、圍巖支護信息、襯砌空洞信息以標簽形式導入BIM模型中，實現病害信息在施工期間的動態采集及病害區域的三維可視化[19]。
1.3隧道運營監測階段
龔佳琦等將隧道監測及維護數據與數據庫相結合，并用時空數據挖掘技術和高維時空關聯分析方法，分析各組件以及病害之間的關系，評估病害的危險等級、成因，制定決策方案，通過漫游功能代替人工巡檢與BIM模型和用戶界面聯動設置進行可視化展示[20]。李明博等得到病害的坐標后，通過病害展布圖CAD文檔提取病害的位置信息，用弧長公式和坐標轉換公式換算得到三維坐標，提高了隧道養護效率。運用BIM技術結合3D激光掃描技術和線形相機掃描技術等新檢測技術，可以快速高效進行隧道病害檢測[21]。黃廷等人構建了基于BIM技術的公路隧道運營維護管理平臺，通過可視化管理減少運維管理應急反應時間，提高運維階段的信息化管理水平[22]。胡珉提出利用BIM模型與可視化的空間信息融合、監測信息與控制信息融合，實現基于BIM的隧道空氣質量控制與照明控制。同年胡珉等圍繞全生命周期信息，從信息規范、采集、組織和分析展開設計系統，優化系統構架，結合網聯網技術、移動互聯技術，將模型數據整體有序呈現出來，為隧道的信息查詢、多因素分析、快速有效的評估和決策提供新的手段[23]。
2BIM在隧道工程中應用的主要任務
隧道模型的用途決定了隧道模型的細節和精度，應根據工程項目現有條件建立符合用途的地質及結構模型。隧道數據庫平臺中，所涉及的數據資料主要包括隧道結構本身、地質圍巖、環境資源、隧道管理人員、指導性施工方案。隧道信息數據庫包括隧道結構數據庫與地質模型數據庫，主要存儲屬性信息、結構構件等，可以直觀高效展現隧道模型信息；隧道3D模型數據庫是利用三維建模平臺完成的模型，主要含有圖片、文本、表格等信息；GIS地理信息數據庫是整個項目相關的各類地理信息數據，主要包括地形地質、土地利用規劃等環境信息；隧道時序數據庫是基于時間的數據集合在時間坐標系中，可展示隧道趨勢規律，實現預測預警，發揮指導施工的作用。不斷完善工程造價數據庫，例如工程種類、投資規劃、結構分布等工程造價指標，將以往的工程應用進行分析和選用，再進行相應的調整和計算，然后調用隧道的各項相關信息，可更精確地計算出預算。
2.1BIM在隧道工程決策設計階段的任務
BIM與GIS結合進行線路規劃，結合氣象水文、地形地貌，為選線設計提供數據支持與決策適應性分析、工程場地適應性評價、風險預測，分析隧道進出口穩定性，確定洞門選址及洞門形式；準確掌握隧道的地形地質情況有利于優化隧道設計、指導施工及運營維護的查詢和分析評估，從而做出合理規劃、優化選線布局，避免穿越嚴重不良地質區域；創建地形地質模型與隧道結構模型，進行洞口設計、襯砌結構設計、主要建筑材料種類及技術要求、特殊地質的設計等可視化BIM模型設計，在隧道設計階段建立結構獨有構件，Revit二次開發集成化，設計智能化，提高建模精度和效率；很多巖石力學問題是空間問題，將三維的隧道模型結合地質模型導入有限元軟件進行結構受力分析，利用三維網絡模擬分析圍巖塊體在三維地質模型中的穩定性優化設計方案，再結合隧道結構模型進行綜合優化設計；結合隧道建筑限界、內輪廓在隧道內設置與交通量、環境相適應的通風照明等運營管理監控設施，在規劃建設時應考慮使各設施系統具有可擴充性和可升級性；根據襯砌結構受力特性、工程造價與機電協同設計，在土建設計時及時溝通預留機電斷面所需洞口。
2.2BIM在隧道工程施工管理階段的任務
基于IFC進行BIM數據集成管理和精細化管理。質量方面有材料質量管理和施工過程質量管理，施工階段在超前地質預報及監控量測、檢驗資料和管理人員信息載入模型等質量監控和安全風險評估、安全預警管理、結合地質模型對比分析圍巖情況適時調整施工方案，復雜施工方法工藝制成動畫實現可視化交底等；施工中及時準確整合開挖資料及超前地質預報結果完成地質編錄，進行圍巖分類和地質評價，為后期運營養護及改擴建提供全面完整的地質資料模型等；進度管理實現工程進度可視化、項目4D虛擬施工全過程模擬、進度預警和輔助偏差分析，進度計劃調整，優化施工組織方案的編制實現進度跟蹤檢查；利用BIM結合RFID進行物料的跟蹤，更好地優化資源、工期配置，進行數字信息化項目管理；搭建項目的網絡協調平臺，支持網頁和移動端的協調平臺幫助解決現場問題；實現隧道全生命周期協同工作和信息數據交互應用，將數據資料在竣工模型中一并交付。
2.3BIM在隧道工程運營維護階段的任務
構建基于BIM技術的隧道運營維護管理平臺，在運維階段可以及時查詢地質資料，方便隧道維修；通過漫游功能代替人工巡檢，與BIM模型和用戶界面聯動設置進行可視化展示，方便制定維修計劃，實現空間管理及災害應急模擬；BIM技術結合3D激光掃描技術和線形相機等檢測技術進行隧道病害檢測；利用BIM模型與可視化的空間信息融合、監測信息與控制間隙融合，實現基于BIM的隧道空氣質量控制與照明控制；BIM技術結合大數據、云計算、互聯網技術、移動互聯技術進行隧道的信息查詢、多因素分析、評估和決策。
3結語
雖然BIM技術在隧道工程中的應用處于初步階段，但是BIM技術必然是實現隧道工程全壽命周期數據、信息管理的有力武器。（1）隧道工程的建設應從全生命周期的應用出發進行頂層設計，業主應在建模之初統籌協調規劃設計、施工、運營各單位面臨的問題，從而實現數據信息交互應用的開放管理。（2）BIM模型與專業的隧道軟件無法無縫對接，需要不斷提高軟件二次開發水平，真正實現隧道信息模型的傳遞共享；隧道圍巖的滑移、垮落，巖質邊坡的崩塌，可以通過確定巖質邊坡的破壞面，利用三維網絡模擬分析圍巖塊體在三維地質中的穩定性解決空間問題。（3）通過BIM模型解決隧道施工中的問題是BIM理念落實的關鍵，應該提高施工精細化、安全智能化水平，不斷提高運營管理智慧化水平，優化隧道養護實現低碳化，實現數字隧道向智慧隧道的轉變。
作者:傅志超 李明田 周小鵬 單位:山東交通學院交通土建工程學院