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BIM技术在铁路隧道工程施工管理的应用

期刊目录网交通运输论文发表2019-11-18 10:53关注(1)

  结合BIM技术优势和铁路隧道工程施工管理要点,以现有铁路隧道工程施工管理领域内BIM技术应用成果为基础,研究BIM技术在铁路隧道工程施工管理中的工程实用价值及研究前景。研究表明BIM技术对铁路隧道工程施工精细化管理具有重要实用价值,有利于提高施工管理水平和管理效益。

BIM技术在铁路隧道工程施工管理的应用

  [关键词]建筑信息模型;铁路隧道;施工管理;实用价值

  BIM全称BuildingInformationModeling,即建筑信息模型,主要技术理念是利用数字建模软件把具体工程信息参数化、数字化,形成BIM多维工程信息模型,并在包括工程项目规划、设计、施工、运营维护等阶段在内的整个全生命周期支持参建各方进行实时的信息交换、共享和管理,利用BIM技术实现建筑工程全生命周期管理[1]。目前,BIM技术在建筑业应用日趋成熟,在铁路行业尚处于初级阶段,在铁路隧道工程施工管理方面的应用研究基本处于初级探索阶段。在借鉴前人研究基础上,本文结合BIM技术优势及铁路隧道工程施工管理关键技术要点,以现有铁路隧道工程施工管理领域内BIM技术初步研究成果为基础,研究两者结合的工程实用价值及技术研究前景。

  1BIM技术工程应用关键技术

  BIM技术概念最早由Autodesk公司提出,现已基本成熟,其核心技术理念为利用三维数字技术软件平台构建面向建设工程全生命周期的工程信息模型,通过信息交换、共享和管理等方式实现规划、设计、施工、运营各阶段的全过程管理[1]。BIM技术服务于工程建设全过程理念原理如图1所示[2]。图1BIM技术全过程管理理念BIM技术主要核心思想有2个方面:①通过一个综合协同的多维(至少三维)仿真数字化、可视化平台将具有完备工程信息的数字模型服务于建筑工程的规划、设计、施工、运营乃至拆除的全过程,该模型的关键在于工程信息的完备性,即包含几何属性、功能属性以及用于项目全生命周期的关键信息。②软件平台中的多维数字模型具有信息实时共享和同步更新的特点,即数字模型与相应的工程信息之间具备实时的关联属性。在实际使用中,修改了模型中的任何信息,与之相关联的地方都会实时的反映出来,使得包括业主、政府、设计单位、施工单位在内的各方都可以清楚、全面地了解项目的实时进程[3]。相比于传统的二维技术理念,具有多维仿真、信息实时共享特点的BIM技术具有如下优势(见图2)。1)可视化建筑信息模型具有高度仿真,可视化效果强的特点。使得项目在设计、建造、运营等各阶段均可根据建设管理及决策需求实现可视化效果图展示,辅助工程建设过程中的管理和决策工作[4]。2)同步协调性BIM技术信息实时共享的技术特点使得参与各方可实现针对模型的同步协调作业。即参建各方及相应各专业均可利用工程信息高度集成的BIM模型实现高效的同步协调作业[5]。3)模拟性基于多维仿真数字化技术特点,BIM模型对工程本身及施工过程均具有高度模拟性。针对设计、施工、运营性能等方面的各项专题模拟均可在BIM软件模型平台下实现。同时,BIM模型还可用于技术方案、进度控制、成本控制等技术问题快速模拟分析[6]。4)优化性BIM模型具有信息高度集成及实时共享的技术特点,参建各方均可通过模型平台实时、直观、便捷的进行方案优化[5]。5)可出图性BIM模型除满足设计院常规出图外,还可根据方案研究需要实现快速生成专题性图纸操作,满足决策需求。6)一体化性BIM模型应用贯穿工程建设全过程,数据库包含所有全过程关键信息,BIM模型具有信息高度集成和一体化特性。7)参数化性BIM模型参数设置基于系统自动维护的不可变参数和人工调整的可变参数理念,程序参数化设计有利于提高模型的生成和修改速度。8)信息完备性BIM模型具有服务于工程全生命周期的所有几何属性、功能属性及相应的全生命周期的关键信息。BIM技术使得参建各方可通过高度集成信息模型实现交互模式作业过程智能化、自动化、同步协调化。

  2铁路隧道工程施工管理要点

  隧道工程属高风险工程,条件多样,工序繁杂,施工管理难度大。为满足隧道安全,高质量、快速地施工需要,针对铁路隧道工程施工管理要点,加强隧道施工过程中的精细化管理和信息化施工管理具有重要意义。隧道施工管理的要点内容主要包括以下几个方面。1)安全管理安全生产是施工现场的第一目标,安全管理是铁路隧道工程施工管理的核心内容。安全管理实质上是风险管理,即事前根据隧道工程结构特点、地质、水文及作业环境等因素预测可能发生的风险,采取降低施工风险的对策措施,将风险控制在允许范围内,实现安全管理目标[6]。2)技术(作业)管理铁路隧道工程技术管理核心是开挖和支护技术的管理。针对开挖和支护过程中开挖、喷混凝土、锚杆、衬砌等环节的技术特点,明确技术管理目标参数,信息化施工指导现场,勤观察、勤量测、早修正,确保技术参数指标达标,工程质量到位[6]。3)质量管理铁路隧道工程属于隐蔽结构物,质量管理是结构物满足耐久性及使用阶段安全性的关键。质量管理的重点包括严格控制施工质量参数,确保施工作业落实到位,消除结构物可能存在的潜在的、显现的缺陷,确保隧道工程满足质量要求[6]。4)进度管理铁路隧道工程一般具有施工工期长、影响因素多、施工进度变化大的特点,随时都会受到各种未知风险的影响,计划进度与实际进度基本不一致,变化较大时还会导致整个隧道的施组方案调整。铁路隧道工程进度指标随动性强,进度管理是保证铁路隧道工程如期贯通的关键[6]。5)成本管理铁路隧道工程具有风险高、施工难度大、不确定性强的特点。因此,相比于其他工程,措施费用一般较高,变化也较大,工程造价不确定性强。在确保安全、质量的前提下,根据隧道工程具体风险特点,加强成本管理是降低工程造价重要手段[7]。6)环境管理隧道工程施工一般会存在地下水流失,地层位移等情况,严重的会导致地下水位降低、井水枯竭、地表下沉甚至会影响周边建筑物正常使用等工程事故。施工作业过程中的噪声、振动也会对周边环境造成不利影响。加强铁路隧道工程施工过程中的环境管理,减少因为施工过程中的环境影响带来的施工阻力和工程损失,对隧道施工管理的其他要点控制具有重要促进作用[7]。

  3BIM技术在铁路隧道工程施工应用

  铁路隧道施工具有施工过程高度动态、开挖作业面多、施工工序转换复杂、各部位交错施工、现场管理难度大等特点,对现场进度管理、工程量核算、技术交底质量等要求高。在铁路隧道施工管理中引进BIM技术,充分发挥其三维可视、信息实时共享和同步协同技术优势,提高管理水平,助力铁路隧道施工精细化管理具有较强的实用价值。目前,应用BIM技术在铁路隧道施工中进行虚拟施工、可视化交底、工程量快速自动动态核算等方面取得了一定的应用成效。

  3.1虚拟施工

  利用BIM平台软件的虚拟仿真环境,通过设置虚拟施工起始时间、设计工法、围岩类别、进度指标等参数,以时间为变量,按照设定参数实时的进行过程交互,实现施工方案的虚拟推演,通过监控形象的虚拟过程检查施工方案可行性及可能存在的问题,优化施工装备及施工工艺等,通过虚拟推演优化和完善实际施工过程[6]。通过虚拟施工可检查设计方案及施工方案的合理性,及早纠正错误,有利于优化设计及施工方案,减少损失,实现工期和成本控制。

  3.2可视化交底

  通过三维的BIM数字模型真实表达工程结构节点的空间几何形状、位置与功能关系,将复杂空间的设计变得直观展示,避免了传统二维图纸多个剖面图展示带来的难以理解、易出错等弊端。降低了施工作业人员理解图纸的难度,有效避免了因对图纸理解不清而产生的施工错误。同时,通过虚拟仿真环境展现模型的施工工法,进行可视化交底[8]。

  3.3工程量快速自动动态核算

  采用传统的二维图纸计算工程量具有工作繁琐、耗时、耗工、精度不高、工程计量影响大等缺点。BIM信息模型具有精准的三维体量,可以根据工程数量统计清单需要快速获取阶段工程量。借助BIM技术平台接口开发工程数量统计功能模块,根据用户输入的里程范围、材料种类,快速统计该段落的工程数量,并将统计数据依照报表的形式展示给用户。通过BIM技术可轻松实现隧道工程工程量快速自动动态核算功能。工程量快速自动动态核算功能能快速获取实时所需工程量,便于管理者决策和过程控制[8]。

  3.4实时工程数据的采集和分析

  基于BIM平台,利用物联网技术理念实现铁路隧道工程施工管理中工程数据的实时采集和分析。铁路隧道工程施工管理物联网技术可定义为通过红外感应器、激光扫描器、射频识别等信息传感设备,按工程管理需要将铁路隧道工程施工管理过程中的关键信息与互联网相连接,通过实时的信息交换和通讯实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术[9]。根据BIM技术特点,以BIM模型为基础平台,结合无线射频识别技术、GPS技术、GPRS技术构建实时的物联网控制体系,实现工程数据的实时采集和分析,提供给工程管理者进行决策和修订管理计划。

  3.5三维形象进度管理

  基于二次开发的BIM技术应用管理平台,实现三维形象进度管理功能,包括计划与实际进度形象对比和工期预警。根据施工单位录入的实际进度数据,自动生成BIM模型实际进度,通过控制显示BIM模型,实现计划与实际对比模型的展示。根据预警阈值,估算实际进度数据与计划进度数据,当两者之间差距大于预警阈值时,发出工期预警信息及预警段落信息[10]。BIM技术应用下的三维形象进度管理相比于传统的进度管理具有进度模型生成快、形象生动、与工程关联性强、不耗人力的优点。

  3.6施工日志管理

  基于二次开发的BIM技术应用管理平台,根据业主施工质量管理的需求,结合BIM信息模型信息共享、同步等特点,通过调研分析、数据库设计、用户界面交互设计等技术手段开展各方协同的施工日志管理功能开发,实现隧道施工过程中施工日志的便捷填报和高效管理功能[10]。

  3.7成本控制

  基于BIM技术工程量快速自动动态核算的技术优势,根据材料的单价信息以及当前的实际进度,计算实际成本,实现对成本的实时监控,合理备料和修正采购计划,有效帮助建设单位、施工单位进行成本的控制[10]。

  3.8施工过程中的问题与解答

  基于BIM技术实时信息交换、共享特点,开发问题与解答功能,实现问题的快速提交、快速解答、快速反馈、问题回溯等管理功能,建立顺畅的、自下而上的问题解决机制。消除传统纸质文件传递效率低,可追溯性差的缺点,提高工作效益,并具有完整的信息传递记录,具有可追溯性[10]。

  3.9隧道安全风险管理

  基于BIM技术,依据施工单位提供施工现场的危险源和有害因素的信息开展安全风险管理调研,将危险源与有害因素的信息分类整理,建立危险源、有害因素数据库,在BIM模型与危险源、有害因素的信息之间建立对应关系,为隧道安全风险培训、消减风险、控制风险提供指导和形象的参考[10]。

  3.10大临及施工辅助设施布置

  基于BIM模型平台,结合无人机倾斜摄影技术,将无人机倾斜摄影获取的GIS模型与BIM模型整合,为方案制定提供地形、地貌、周边建构筑物情况等重要信息,用于制定项目驻地、拌合站、梁场、实验室、钢筋加工厂等设施布置方案。相比于传统的方案制定过程,采用BIM技术更直观,展示效果好,减少人员主观差异,更有利于决策,同时减少现场调查时间,降低调查劳动强度[11]。以上为国内各机构利用BIM技术在铁路隧道工程施工管理中应用的初步探索,采用基于BIM理念的数字化建模平台,发挥BIM多维仿真、信息实时共享等技术优势,实现铁路隧道工程施工管理关键目标的综合管理。如虚拟施工应用发挥BIM技术可视化、同步协调性等技术优势,通过对铁路隧道施工过程的模拟发现施工过程中可能存在的问题,识别现场风险,优化场地布置,优化施工方案等指导现场施工管理,实现铁路隧道工程施工过程中安全、技术、质量等方面关键指标的综合管理(见图3)。

  4BIM技术在铁路隧道工程施工应用中存在的问题

  随着BIM技术在建筑领域的应用逐渐增加,软件平台技术进一步完善,为BIM技术在铁路隧道工程中的施工应用奠定了技术经验和平台基础。同时,作为一门具有革新意义的新技术,在具体铁路隧道工程施工应用方向上的应用存在着一定的问题,主要问题如下。1)BIM技术在建筑领域方面应用成果不少,在铁路隧道工程施工中的应用正处于探索的初级阶段,相应对口的技术经验较少。2)专业人员不足,普遍存在懂施工技术不懂计算机编程技术,懂计算机编程技术不懂施工技术,应用平台深度开发难度大。3)隧道工程施工管理中现场运算法则和软件程序编译固有算法习惯存在差异,需要人工二次修正磨合。

  5BIM技术在铁路隧道工程施工应用前景分析

  BIM技术在铁路隧道工程施工应用研究还处于探索状态,在工程施工过程模拟、可视化、投资速算、方案比选、过程资料管理等方面取得了一定的成果。成果表明,BIM技术对铁路隧道工程施工管理中安全、质量、工期、投资控制均有重要意义,能为铁路隧道工程精细化施工管理提供技术支撑,发展BIM技术在铁路隧道工程施工应用具有重要意义。

  6结语

  BIM技术具有三维可视、信息实时共享和同步协同等技术优势,结合铁路隧道工程施工管理安全、质量、工期、投资目标控制需要,在虚拟施工、可视化交底、工程量快速自动动态核算、成本控制等方面具体应用,成果表明,BIM技术在铁路隧道工程施工应用有利于提高铁路隧道工程施工管理水平和管理效益,为隧道施工精细化管理提供切实可行的技术途径。BIM技术在铁路隧道工程施工管理中的应用研究结论如下。1)BIM技术三维可视、信息实时共享和同步协同技术优势有利于铁路隧道工程施工管理控制目标实现,具有重要应用价值。2)铁路隧道工程施工精细化管理需要BIM技术三维可视、信息实时共享和同步协同技术优势,有利于提高管理水平和管理效益。综上所述,BIM技术对铁路隧道工程施工管理有促进作用,铁路隧道工程施工管理水平提高需要BIM技术支撑,BIM技术在铁路隧道工程施工精细化管理中具有重要实用价值。

  作者:张俊 单位:中国铁路设计集团有限公司

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