BIM + 3D GIS在巖溶強發(fā)育區(qū)跨海盾構(gòu)隧道施工中的實踐應(yīng)用

生態(tài)伙伴：中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司

公司簡介：
　　中鐵六院擁有專業(yè)BIM團隊120余人，其中BIM設(shè)計與實施90余人、BIM平臺研發(fā)與實施20余人、BIM總體咨詢10余人。以BIM項目全生命周期管理為理念，形成BIM總體咨詢、BIM建模及應(yīng)用、BIM協(xié)同設(shè)計、BIM全生命周期管理平臺應(yīng)用四項業(yè)務(wù)體系。BIM服務(wù)體系建設(shè)過程中，已取得軟件著作權(quán)7項、已申報發(fā)明專利11項、已獲得國家及省部級獎項8個。
　　中鐵六院BIM項目涉及北京、江蘇、大連、紹興、廣州、南通、武漢、成都、沈陽等地，服務(wù)跨江跨海盾構(gòu)隧道、建筑、市政、大型地下洞室、城市軌道交通、鐵路、橋梁、公路、國土資源、水利、園區(qū)建設(shè)等領(lǐng)域的咨詢、設(shè)計、施工、運維等階段。

應(yīng)用領(lǐng)域： BIM地下管線信息平臺移動端 （點擊應(yīng)用領(lǐng)域名稱查看更多相關(guān)GIS成功案例）

案例區(qū)域：華北

　　某跨海段隧道工程是國內(nèi)首次大直徑穿越巖溶強烈發(fā)育區(qū)的超級穿海工程，隧道需穿越馬蜂窩狀的巖溶區(qū)域，該區(qū)域線巖溶率13.7%、存在三大溶洞群、最大溶洞高29米，采用鉆孔+CT+超前鉆三種方式探明溶洞，為三維直觀、完整的查看溶洞狀況、實時表達(dá)盾構(gòu)掘進(jìn)與溶洞時空關(guān)系指導(dǎo)施工而引入BIM平臺應(yīng)用。

　　圖1 隧道穿越海底巖溶強烈發(fā)育區(qū)

　　一、應(yīng)用概況

　　中鐵六院作為BIM總體總包單位，建立標(biāo)準(zhǔn)模型、盾構(gòu)族、盾構(gòu)施工BIM管理平臺等，實現(xiàn)基于BIM信息化集成支撐的動態(tài)盾構(gòu)安全風(fēng)險管理為目標(biāo)的海底隧道盾構(gòu)環(huán)境的可視化展現(xiàn)、施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險管控，提供多源地質(zhì)建模、地質(zhì)預(yù)判、盾構(gòu)安全風(fēng)險管理、指導(dǎo)施工等應(yīng)用。

　　圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用框架

　　1、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　結(jié)合《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51235-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，創(chuàng)建滿足項目目標(biāo)的相關(guān)BIM模型，并負(fù)責(zé)模型維護工作。環(huán)境建模：建立地表風(fēng)險源、建筑物等模型，導(dǎo)入BIM平臺，虛擬現(xiàn)實的展示工程;地質(zhì)模型：根據(jù)鉆孔、CT相關(guān)物探數(shù)據(jù)，制作三維地質(zhì)模型并且導(dǎo)入BIM平臺;盾構(gòu)區(qū)間建模：盾構(gòu)機、隧道管片、軌道、管線、襯砌等建模，模型輕量化后導(dǎo)入BIM平臺。

           圖3 基礎(chǔ)建模成果示意

基于BIM平臺，以WGS 84(3D GIS)為骨架，地上地下、陸地海域?qū)哟畏置?，形成一體化整體模型。

　　圖 4 基于BIM平臺一體化模型整合示意

　　2、數(shù)據(jù)集成

　　BIM平臺集成盾構(gòu)機實時數(shù)據(jù)、攝像頭監(jiān)控數(shù)據(jù)、智能監(jiān)測數(shù)據(jù)(沉降、變形、位移、應(yīng)力、壓力、地下水位等)、提供人工監(jiān)測報表數(shù)據(jù)導(dǎo)入及移動巡檢上報接口、集成第三方安全隱患系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)等。綜合多方數(shù)據(jù)綜合可視化分析，避免信息孤島，更可靠地保障施工安全。

　　圖5 基于BIM平臺系統(tǒng)集成流程示意

　　3、BIM平臺研發(fā)及實施

　　BIM全生命周期管理平臺，基于超圖SuperMap GIS三維底層引擎平臺及中間轉(zhuǎn)換工具軟件，以一體化協(xié)同為理念，貫穿項目全生命周期，實現(xiàn)設(shè)計階段BIM協(xié)同設(shè)計成果管理，施工階段安全管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、成本管理，運維階段資產(chǎn)管理、維護管理等。

　　該項目以全生命周期管理框架分層實施、基于WebGL引擎的全環(huán)境的BIM+3D GIS線網(wǎng)應(yīng)用、兼容多種建模軟件并輕量化處理、創(chuàng)新的多碼合一的二三維一體化關(guān)聯(lián)管理、系統(tǒng)集成多種數(shù)據(jù)綜合分析、從實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)、以項目落地指導(dǎo)施工為目標(biāo)，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)為智慧運維服務(wù)。

　　4、安全風(fēng)險管理應(yīng)用

　　設(shè)計方提供風(fēng)險源信息、測點信息、監(jiān)測方案，監(jiān)測管理來源于集成數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控布置在下井口、管片拼裝處、出渣口、區(qū)間其他位置，利用人工巡檢移動APP上報數(shù)據(jù)。通過多碼合一的二三維關(guān)聯(lián)定位，三維方式展示，進(jìn)行分析預(yù)警，發(fā)起處置流程并跟蹤統(tǒng)計。

　　圖6 基于BIM平臺盾構(gòu)機監(jiān)測模塊

　　5、質(zhì)量管理應(yīng)用

　　巡檢APP提交質(zhì)量問題并定位，問題列表關(guān)聯(lián)三維模型與GIS坐標(biāo)，查看質(zhì)量問題并自動發(fā)起流程、流程跟蹤、質(zhì)量問題統(tǒng)計，處置措施收集并建設(shè)質(zhì)量管理知識庫，最終達(dá)到發(fā)現(xiàn)問題自動匹配處置措施及知識輸出贏利。

　　圖7 移動APP質(zhì)量巡檢上報(GIS定位、掃碼關(guān)聯(lián)定位、構(gòu)件樹選擇定位)

　　6、進(jìn)度管理應(yīng)用

　　導(dǎo)入Project或者Excel格式形象進(jìn)度，通過施工日志、系統(tǒng)集成盾構(gòu)機實時數(shù)據(jù)獲取實際進(jìn)度，實現(xiàn)形象進(jìn)度與實際進(jìn)度對比(按時完成、提前完成、滯后完成)，對出現(xiàn)的異常情況分析并處置，保障工程按期完成。

　　圖8 基于BIM平臺進(jìn)度管理模塊

　　7、指導(dǎo)施工應(yīng)用

　　實時查看盾構(gòu)機位置與周邊巖溶發(fā)育的時空關(guān)系，提前發(fā)現(xiàn)重要安全隱患節(jié)點，提前處置。主要實現(xiàn)功能地質(zhì)半透/實體查看、掘進(jìn)面地質(zhì)剖切、測量盾構(gòu)機當(dāng)前位置與最近三個溶洞的距離、查詢某段距離巖溶體積并與注漿數(shù)據(jù)對比分析。

　　圖9 基于BIM平臺指導(dǎo)施工應(yīng)用模塊

　　應(yīng)用亮點

　　該項目通過BIM平臺應(yīng)用，效益明顯。三維可視化交底，提高效率，節(jié)約工期72天;指導(dǎo)施工，節(jié)省巖溶處置材料5%，約為1000萬元;盾構(gòu)糾偏、巖溶與盾構(gòu)掘進(jìn)時空關(guān)系仿真模擬，大大降低掘進(jìn)誤差、巖溶特大風(fēng)險源引起的盾構(gòu)機陷落等導(dǎo)致10億多項目成為廢棄工程的風(fēng)險。

　　該項目實施過程中，初步總結(jié)創(chuàng)新點、亮點及可供分享經(jīng)驗如下：

　　1、多源地質(zhì)建模，指導(dǎo)施工

　　國內(nèi)首次自主開發(fā)工具實現(xiàn)鉆孔與CT數(shù)據(jù)綜合建模，仿真模擬地質(zhì)狀況，盾構(gòu)掘進(jìn)與地質(zhì)狀況實時分析，為注漿異常、推力異常、沉降異常等分析提供依據(jù)，達(dá)到輔助決策的目的。

　　2、多源安全風(fēng)險數(shù)據(jù)綜合可視化管理

　　以3D GIS平臺為骨架載體，在原有盾構(gòu)機二維實時參數(shù)的基礎(chǔ)上，平臺實時集成人工監(jiān)測報表、智能監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、安全隱患系統(tǒng)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機參數(shù)等，以三維方式關(guān)聯(lián)周邊風(fēng)險源、監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行動態(tài)分析。

　　圖10 基于BIM平臺多源安全風(fēng)險數(shù)據(jù)綜合可視化分析

　　3、地質(zhì)預(yù)判自動計算隧道中心點與溶洞距離

　　盾構(gòu)當(dāng)前環(huán)，與周邊溶洞距離自動計算，為盾構(gòu)安全掘進(jìn)提供依據(jù)。

　　圖11 自動計算當(dāng)前環(huán)隧道中心點與溶洞距離功能示意

　　4、多碼合一的二三維關(guān)聯(lián)維護方法

　　以地鐵區(qū)間施工EBS、WBS、OBS等編碼多碼合一為前提，實現(xiàn)模型與GIS坐標(biāo)、管片、環(huán)號、構(gòu)筑物、構(gòu)件等關(guān)聯(lián)，解決BIM信息化管理中的關(guān)鍵瓶頸，具有借鑒與推廣意義。

　　圖12 多碼合一的二三維關(guān)聯(lián)功能示意