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

生態(tài)伙伴：中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

公司簡(jiǎn)介：
　　中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)中鐵六院）隸屬于世界500強(qiáng)企業(yè)中國(guó)中鐵，總部設(shè)在天津，是以鐵路、城市軌道交通、公路、市政建設(shè)等工程勘察、設(shè)計(jì)、咨詢、監(jiān)理、項(xiàng)目管理、總承包業(yè)務(wù)為主的大型企業(yè)集團(tuán)。
　　中鐵六院技術(shù)力量雄厚，現(xiàn)有員工1900余人，作為國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，公司大力構(gòu)建“產(chǎn)學(xué)研用一體化”創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，先后組建了天津市軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)工程中心、天津市隧道設(shè)計(jì)及安全評(píng)估企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津市企業(yè)技術(shù)中心、中國(guó)中鐵智慧城市研發(fā)中心、中國(guó)中鐵地下空間研發(fā)中心、北京市院士專(zhuān)家工作站等創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，對(duì)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展拓展了極大的空間。
　　中鐵六院專(zhuān)業(yè)設(shè)置齊全，下設(shè)天津電化院、天津隧道院、中鐵通號(hào)院、中鐵西安院、中鐵合肥院、路安工程咨詢公司、檢測(cè)試驗(yàn)公司和工程設(shè)計(jì)審查咨詢公司等八家子公司；設(shè)電化分公司、隧道分公司、廣西分公司、廣東分公司、淮北分公司等五家分公司。本部有線站院、橋梁院、機(jī)環(huán)院、工經(jīng)院四家專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院，城建院、勘察院、測(cè)繪院、工程總承包事業(yè)部、國(guó)際事業(yè)部五個(gè)事業(yè)部；公司在高速鐵路、重載鐵路、城市軌道交通、隧道及地下工程、海綿城市、新型軌道交通、磁浮交通等領(lǐng)域具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，部分技術(shù)在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先水平。
　　核心團(tuán)隊(duì)具備SuperMap GIS開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，充分探索三維GIS在交通軌道施工建設(shè)、管理等方面的創(chuàng)新性應(yīng)用。目前中鐵六院正在與超圖公司積極開(kāi)展合作，探索更廣泛的應(yīng)用方向。

應(yīng)用領(lǐng)域： BIMGIS三維 （點(diǎn)擊應(yīng)用領(lǐng)域名稱(chēng)查看更多相關(guān)GIS成功案例）

案例區(qū)域：

　　某跨海段隧道工程是國(guó)內(nèi)首次大直徑穿越巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的超級(jí)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(shí)時(shí)表達(dá)盾構(gòu)掘進(jìn)與溶洞時(shí)空關(guān)系指導(dǎo)施工而引入BIM平臺(tái)應(yīng)用。

　　圖1 隧道穿越海底巖溶強(qiáng)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(tái)等，實(shí)現(xiàn)基于BIM信息化集成支撐的動(dòng)態(tài)盾構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiàng)目目標(biāo)的相關(guān)BIM模型，并負(fù)責(zé)模型維護(hù)工作。環(huán)境建模：建立地表風(fēng)險(xiǎn)源、建筑物等模型，導(dǎo)入BIM平臺(tái)，虛擬現(xiàn)實(shí)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(tái);盾構(gòu)區(qū)間建模：盾構(gòu)機(jī)、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(tái)。

　　圖3 基礎(chǔ)建模成果示意

　　基于BIM平臺(tái)，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(tái)一體化模型整合示意

　　2、數(shù)據(jù)集成

　　BIM平臺(tái)集成盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、智能監(jiān)測(cè)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(cè)報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)入及移動(dòng)巡檢上報(bào)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(tái)系統(tǒng)集成流程示意

　　3、BIM平臺(tái)研發(fā)及實(shí)施

　　BIM全生命周期管理平臺(tái)，基于超圖SuperMap GIS三維底層引擎平臺(tái)及中間轉(zhuǎn)換工具軟件，以一體化協(xié)同為理念，貫穿項(xiàng)目全生命周期，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段BIM協(xié)同設(shè)計(jì)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(yùn)維階段資產(chǎn)管理、維護(hù)管理等。

　　該項(xiàng)目以全生命周期管理框架分層實(shí)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(shí)際業(yè)務(wù)需求出發(fā)、以項(xiàng)目落地指導(dǎo)施工為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)為智慧運(yùn)維服務(wù)。

　　4、安全風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)用

　　設(shè)計(jì)方提供風(fēng)險(xiǎn)源信息、測(cè)點(diǎn)信息、監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)管理來(lái)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(dòng)APP上報(bào)數(shù)據(jù)。通過(guò)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(jì)。

　　圖6 基于BIM平臺(tái)盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊

　　5、質(zhì)量管理應(yīng)用

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

　　圖7 移動(dòng)APP質(zhì)量巡檢上報(bào)(GIS定位、掃碼關(guān)聯(lián)定位、構(gòu)件樹(shù)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(guò)施工日志、系統(tǒng)集成盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取實(shí)際進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)形象進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比(按時(shí)完成、提前完成、滯后完成)，對(duì)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(tái)進(jìn)度管理模塊

　　7、指導(dǎo)施工應(yīng)用

　　實(shí)時(shí)查看盾構(gòu)機(jī)位置與周邊巖溶發(fā)育的時(shí)空關(guān)系，提前發(fā)現(xiàn)重要安全隱患節(jié)點(diǎn)，提前處置。主要實(shí)現(xiàn)功能地質(zhì)半透/實(shí)體查看、掘進(jìn)面地質(zhì)剖切、測(cè)量盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前位置與最近三個(gè)溶洞的距離、查詢某段距離巖溶體積并與注漿數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

　　圖9 基于BIM平臺(tái)指導(dǎo)施工應(yīng)用模塊

　　二、應(yīng)用亮點(diǎn)

　　該項(xiàng)目通過(guò)BIM平臺(tái)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(wàn)元;盾構(gòu)糾偏、巖溶與盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)空關(guān)系仿真模擬，大大降低掘進(jìn)誤差、巖溶特大風(fēng)險(xiǎn)源引起的盾構(gòu)機(jī)陷落等導(dǎo)致10億多項(xiàng)目成為廢棄工程的風(fēng)險(xiǎn)。

　　該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，初步總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)、亮點(diǎn)及可供分享經(jīng)驗(yàn)如下：

　　1、多源地質(zhì)建模，指導(dǎo)施工

　　國(guó)內(nèi)首次自主開(kāi)發(fā)工具實(shí)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(shí)時(shí)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(xiǎn)數(shù)據(jù)綜合可視化管理

　　以3D GIS平臺(tái)為骨架載體，在原有盾構(gòu)機(jī)二維實(shí)時(shí)參數(shù)的基礎(chǔ)上，平臺(tái)實(shí)時(shí)集成人工監(jiān)測(cè)報(bào)表、智能監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、安全隱患系統(tǒng)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)等，以三維方式關(guān)聯(lián)周邊風(fēng)險(xiǎn)源、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

　　圖10 基于BIM平臺(tái)多源安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)綜合可視化分析

　　3、地質(zhì)預(yù)判自動(dòng)計(jì)算隧道中心點(diǎn)與溶洞距離

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

　　圖11 自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前環(huán)隧道中心點(diǎn)與溶洞距離功能示意

　　4、多碼合一的二三維關(guān)聯(lián)維護(hù)方法

　　以地鐵區(qū)間施工EBS、WBS、OBS等編碼多碼合一為前提，實(shí)現(xiàn)模型與GIS坐標(biāo)、管片、環(huán)號(hào)、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