苏锡常南部高速公路太湖隧道项目BIM技术应用成果
中铁四局集团有限公司
苏锡常南部高速公路太湖隧道项目
BIM 技术应用成果
中铁四局集团管理与技术研究院
一、项目概述
1.1 工程概况
苏锡常南部高速公路常州至无锡段太湖隧道项目桩号范围K23+658~K35+040,从马山穿越太湖风景区梅梁湖水域至南泉，主要工点为陆马公路支线上跨、太湖隧道段(中间风塔)、吴杨路支线上跨。马山端洞口位于陆马公路和六里河交叉口东侧，南泉端洞口位于横大江北侧、红沙湾路西侧。太湖隧道全长10.79km，其中暗埋段10km，马山敞开段0.29km，南泉敞开段0.5km 。太湖隧道按双向六车道高速公路标准设计，全线设置紧急停车带，设计速度100km/h 。隧道采用堰筑法施工，由两端向中间逐段推进，流水作业。2017 年年底全面开工建设，2021 年年底建成通车，总工期4年。
图1-1 太湖隧道项目区位图
1.2 施工难点分析
通过对太湖隧道项目工程信息及水文地质情况进行详细梳理与分析，该项目施工过程中存在以下四大难点：
①建设规模大：隧道宽约43.6 米(净40.6 米)，是目前国内最长、最宽的水下隧道。其中浇筑砼方量210 余万方。钢板桩围堰长42000 延米。抗拔桩约26 万延米。隧道基坑开挖土方达1000 多万方，回填土方600 余万方。
②施工组织难：太湖隧道水中围堰分仓逐段流水施工，每一段都是一项系统工程。同时需要克服长距离土方调运的困难，需要解决隧道开挖与路基填筑在时间和空间上匹配难的问题。
③安全风险大：堰筑法施工集超长水中围堰、深基坑、多种支护形式于一体。施工专用船舶、大型机械设备多，水上作业量大，同时经历三个汛期。淤泥、淤泥质黏土的软弱地层对开挖和支护安全风险大。
④环保要求高：项目周边旅游资源丰富，穿越多处环境敏感区，太湖又是无锡重要的生活水源地，环保要求严格。
1.3 项目目标
- 认真贯彻交通运输部有关品质工程和“平安工地”建设的各项要求，落实标准化、信息化、绿色化、精细化，创建品质工程和“平安工地”示范项目。
- 打造新时代江苏高速公路建设新品牌，打造新时代我国领先水平品质、绿色、安全、舒适的超长超宽水下隧道示范工程。
- 根据建模指导手册建立各标段的BIM 模型，开展多应用点、多模块、系统性协同应用，提升项目信息化管理水平。
- 根据模型竣工交付标准，将BIM 模型和数据库信息无缝、无损、完整的移交运营单位，实现运营维护的信息化管理。
二、工作策划
2.1 组织机构搭建
本项目成立以项目负责人、技术负责人为领导的信息化工作小组，负责信息化组织、领导工作。信息化工作小组下面设置BIM 工作室和系统研发小组。BIM 工作室主要负责BIM 建模、GIS 模型处理、模型深化以及BIM 成果应用。系统研发小组主要负责BIM+GIS 项目管理平台的研发，物联网系统的研发及系统集成、维护、升级、培训等工作。
图1-2 人员组织架构
根据项目实施各阶段工作需要，拟在实施过程中配置如下人员：
2.2 标准建立
为统一模型标准，确保设计、施工、运维信息的准确传递及模型和WBS 编码的一一对应关系，模型建立前首先编制建模指导手册及根据WBS 拆分原则制定WBS 编码。
结合本项目特点，制定BIM 技术应用指南。为推进BIM 技术应用落地，切实可行的为项目管理提供信息化技术手段。
结合本项目特点及国内行业及地方性交付标准，编制模型交付标准，为BIM 的设计、施工、运维信息无缝无损传递提供标准性依据。
2.3 BIM 模型建立
根据设计单位提供的设计蓝图和WBS 拆分原则，建立隧道主体结构和临时工程LOD300 模型，并将几何、非几何信息与模型关联。
2.4 GIS 模型建立
利用无人机倾斜摄影技术，采集施工现场及周边环境的三维点云信息，通过专业软件处理形成实景模型，为下一步平台的使用做好准备。
2.5 BIM 技术应用点
结合本项目特点及土建施工阶段的模型要求，针对BIM 模型的原生态应用，策划在本项目开展场地布置、大临规划、VR 安全培训、深化设计、进度模拟、施工交底、3D 作业指导书、无人机土方算量、电子沙盘等。
2.6 BIM+GIS 项目管理平台搭建
本项目以“提升工程质量、保证施工工期、减少变更风险、提升沟通效率、提高责任可溯性、提升运维管理水平”为目标，以“先进性、兼容性、安全性、可扩展性、可靠性、经济性、易用性、共享性”为原则搭建项目级BIM+GIS 项目管理平台，以“模型管理、进度管理、质量管理、安全管理”为核心的BIM+GIS 项目管理平台搭建，有助于提升项目信息化管理水平，降低各方的协同管理成本。
同时将既有成熟的业务系统与BIM+GIS 项目管理平台进行深度集成，前段采用目前市面上较为成熟的物联网技术进行数据采集，后端系统通过大数据分析、汇总，将现场管理结果数据及信息向项目决策管理层展现，有助于项目整体管理水平的提升。
三、项目实施成果
3.1 BIM 技术应用应用点
3.1.1场地布置
利用BIM 技术和无人机倾斜摄影技术对项目驻地及构件预制场、混凝土拌合站、钢筋加工厂场等进行合理规划布置，以更加形象直观的方式展现项目施工整体部署方案，有效提高生产效率。
3.1.2 大临规划
利用无人机倾斜摄影技术生成的实景模型对标段内地形、地貌和既有结构物等全面了解，提前筛选项目驻地、钢筋棚、拌合站等建筑位置，减少现场调查时间，降低调查劳动强度，随时调阅现场环境情况，周边信息掌握更加透彻。
3.1.3 VR 安全培训
通过虚拟现实技术模拟施工环境内存在的如基坑临边无防护、高处坠落、施工触电等各项危险源，使体验者以第一视角感受危险邻近的恐惧，提高安全保护意识，加深对项目危险源的敬畏之心，以此达到安全教育的目的。
3.1.4 深化设计
通过建立并整合各专业BIM 模型，利用BIM 技术的可视化及碰撞检查功能进行关键施工节点深化设计、管线优化及永临结合构筑物合理布局等工作。减少设计变更、降低施工返工率、节约成本。
3.1.5 进度模拟
运用BIM 模型结合工期计划虚拟推演施工方案，以空间三维角度验证方案实施可行性，优化调整施工顺序，关键时间节点以及资源配置，确保最终施工方案安全、合理、经济，提高施工效率，降低资源损耗。同时施工期间可根据资源配置表配备现场的人料机，提高资源利用效率，降低施工成本。
3.1.6 施工交底
建立细部结构的钢筋模型，结合二维技术交底文档，通过三维可视化向施工作业人员进行交底。
3.1.7 3D 作业指导书
为避免作业人员对工程重点、难点部位理解不清，将BIM 技术与传统二维纸质版作业指导书结合，制作BIM 模型与技术文本相对应的3D 作业指导书，以达到可视化指导现场施工、易于学习掌握及方便使用的目的，避免作业人员对二维图纸及文档资料理解错误造成返工浪费。
3.1.8 无人机土方算量
利用无人机上安装的激光雷达通过精确定位激光束打在目标物上而获取物体的高精度三维点云信息，形成点云图像。利用图像处理软件对点云图像中的数据进行计算，高效、精确、便捷的得出目标物的体积、面积、长宽高等信息。
3.1.9 电子沙盘
利用BIM 软件将实景模型与施工BIM 模型整合，在触摸屏进行三维展示，真实反映施工现场进度情况，同时查看施工信息，使管理人员能够及时了解现场的进度完成情况，对下一步的施工部署提供直观的现场蓝图。
3.2BIM+GIS 项目管理平台搭建
3.2.1总体框架
以建筑信息模型和互联网的数字化远程同步功能为基础，以项目建设过程中采集的工程进度、质量、安全等动态数据为驱动，结合固化了项目建设各参与方管理流程和职责的相关平台产品进行项目协同管理的过程。范围涵盖建设、设计、施工、监理等参与方的管理业务，做到用户、设计、施工、监理单位协同监督四者统一。
该平台主要包括BIM 数据中心、云服务平台、多应用模式和综合应用平台。
3.2.2 系统架构
以GIS+BIM 为工程数据中心，纵向打通工程各阶段内部的有机联系，以及技术和专业限制;横向打通设计、施工及后期运维三大阶段的隔墙壁垒，建立工程资产全生命周期的动态数字化。
1)平台根据各种使用场景及用途，考虑网页端、桌面端及移动端应用模式。
2)考虑模型调用的及时性，配备相应的软件设施与网络构架，并制定详细的数据安全保障措施和安全协议，以确保文件与数据的存储与传输安全，为各参与方之间的信息访问提供安全保障。
3)制定统一的协同标准作为基本准则，规范具体应用行为。明确规定协同管理平台存储文件的文件夹结构、格式要求、命名规则、数据容量等，便于实施逐级分层的管理。
4)平台设定不同权限，允许使用各方在自身责权范围内应用各项功能，同时保证信息数据能在各方之间进行横向无障碍完整传递，为行业内外的用户和第三方系统提供标准的协议接口和后续开发接口。
3.2.3 系统集成
本项目系统数据交换网关采用国际标准通讯协议，数据交换网关是一个Web Server 数据处理平台，通过对请求指令的处理实现对其他系统实现程序的访问。
图4-7 系统数据交换图
⑴、与工程项目管理系统、平安守护系统的集成
根据系统集成需求说明书要求，将建设单位既有的项目管理系统和平安守护系统中部分可以对接的数据按照接口方式打通，实现建设单位既有系统中的管理数据可以实时展现再BIM+GIS 项目管理平台。
⑵、与施工物联系统的集成
深基坑监测、环境监测(水质监测、噪音粉尘监测)、视频监控、人员管理、机械设备管理、拌合站系统、试验室系统、混凝土温湿度监控等物联网设备通过互联网传输接口主动向施工单位BIM+GIS 项目管理平台推送数据，并提供打开查询详细数据的链接。
3.2.4 系统功能
3.2.4.1 BIM 和GIS 综合应用
1)三维漫游
构建太湖隧道项目的BIM 模型与施工场边周边三维地理信息场景，以三维可视化动态交互方式达到身临其境的全方位审视效果，从任意角度、距离和精细程度观察场景。
- 飞行视角浏览
- 车载视角浏览
2)GIS 分析
系统提供了包括测距、测高、面积测量、地表挖开、开启高程、模型隐藏、改变地形透明度等功能在内的常用GIS 分析技术。
- 距离测量
- 面积测量
- 地表挖开
3)模型检索
通过重点工区、WBS 构件树等多种方式快速定位和检索模型,并可以查看任意模型的设计属性、施工属性以及相关的文件资料。
- 通过重点工区快速定位
- 通过WBS 构件树快速定位
4)构件属性
- 点击任意构件，系统将显示构的实时信息供使用者查询，属性信息根据构件类型分别显示。
5)二维码应用
系统为每个构件自动生成唯一的二维码信息，用户通过手机、PAD 等移动设备扫描现场的二维码，追溯该构件在设计阶段、施工阶段的详细信息，包括相关图纸、砼等级、尺寸、环境等级、模型工程量、实际开工日期、实际完工日期、质量报验资料等信息，实现对工程部位的信息追溯。
3.2.4.2 进度管理
进度管理模块包括形象进度、进度预警、形象进度统计、进度模拟。
1)形象进度
在平台中给主体模型构件中添加时间信息，利用计划工期和实际工期的对比以及质保资料的挂接，通过不同颜色来区分未完工程、已完工程、第一次计量、最终计量。
2)进度预警
计划进度和实际进度的对比分析，红色表示进度滞后，绿色表示进度超前。若实际进度发生偏差(包括进度滞后和进度超前)，将针对进度滞后的部位进行警示。
3)进度统计
根据构件的属性对已完工构件进行统计分析。通过当月各类构件的完成量及单价统计每月现场完成产值，将计划产值和实际产值进行对比分析，为管理决策层提供现场最直观的进度数据。
4)进度模拟
建立构件工法库，收集不同工法下构件生产所需工、料、机等资源的经验数据。构件BIM 模型与工法库挂接，结合横道图，在时间维度上进行模拟展示。验证施工计划可行性，施工生产自动提供资源计划。
3.2.4.3 质量管理
1)拌合站系统
为严格把控拌合站混凝土的质量，在搅拌站部署拌合站系统，对拌合楼开关机时间、产能分析、生产量核算、超标统计、拌合站预警信息等查询功能。实时记录拌合站各项生产指标数据以及对超标混凝土的处理措施。
2)试验检测系统
通过现场智能化检测设备与BIM 平台的接口对接，实现将现场使用的钢筋、水泥、混凝土试块检测数据实时自动传输到BIM 平台中。实现数据的自动化分析，避免了人为因素对数据的干扰。
3)质量巡检
利用手机APP 对现场发现的质量隐患及问题随手拍、随时传、即时推送，整改责任人收到信息后立即按照整改要求进行整改，整改完毕后将整改照片上传至平台，由巡检人员对整改情况进行复核，形成质量问题整改闭环。
4)混凝土温、湿度监控
大体积混凝土的养护是一项重点工作，由于养护措施不到位导致内外温差大，最终混凝土出现裂缝，影响工程质量，也导致水下混凝土出现渗水现象。通过传感设备，对混凝土养护表里温度和湿度的自动量测，数据实时传输至后台系统进行自动分析，通过混凝土表里温差值控制设备自动启动喷淋养护。
5)钢筋加工系统
从钢筋原材进场，通过二维码枪扫描料牌，获取原材的原始信息，现场加工人员领取原材时，通过扫描二维码填报领取的数量以及半成品信息，加工过程中通过智能加工设备获取半成品加工信息，领料单位领取半成品时通过二维码填报半成品领取数量和使用部位。最终实现原材进场到生产任务排程、半成品加工、半成品出库、构筑物浇筑完成进行全过程的钢筋信息追溯以及加工设备、加工人员的质量信息追溯。
优点：
①钢筋料单优化组合，节省原材。
②原材、半成品出库、入库数量清晰，数量信息一览无余。
③任务安排科学管理，随时掌握加工进展情况。
④质量追溯信息可靠，人、机、料质量信息全方位掌控。
3.2.4.4 安全管理
1)人员实名制管理
通过和建设单位既有的平安守护系统做数据接口对接，实时调取查询现场作业人员的进场培训交底情况以及进场、退场情况。为做好在场人员的实名制管理工作，在每一名作业人员的安全帽上安装GPS 定位芯片，通过电子围栏及定位信息实时了解作业人员所在位置及作业情况，通过对作业人员在场施工时长进行统计，作为月度劳务人员工资结算依据。
2)深基坑监测
将监测平台中的监测数据和BIM 平台中的模型进行关联，通过模型可是实时查询对应部位监测点的监测数据变化情况，监测数据和测点部位综合分析更加有利于数据结论的研判。
3)机械设备管理
基于NB-IoT 无线广域物联技术的大数据系统，通过在工程机械设备上安装集成有车载北斗定位、油料监控及九轴姿态分析等一整套终端感知硬件设备。实现对施工现场工程机械设备的油料消耗、运行状态、里程及轨迹进行实时监控、报警等功能，可清晰的反映和记录车辆运行全过程状态。
4)安全巡检记录
利用手机APP 对现场发现的安全隐患及问题随手拍、随时传、即时推送，整改责任人收到信息后立即按照整改要求进行整改，整改完毕后将整改照片上传至平台，由巡检人员对整改情况进行复核，形成安全问题整改闭环。
3.2.4.5 环保管理
1)水质监测
在临时围堰站房内安装水质监测设备对太湖水体COD 、总磷、总氮、氨氮进行连续实时监测，随时掌握水质状况，对水源保护提供早期预警，做到早发现早治理，避免施工污染进一步扩大。
2)噪音、扬尘监测
对施工现场环境进行24 小时不间断的实时监测，监测数据传入后台系统进行分析，在粉尘超标时联动各处喷雾设备进行除尘，保证项目周边空气环境清洁、干净。移动气象站与摄像头进行联动，对恶劣天气施工现场违规施工进行自动抓拍，实时报警。针对现场重大或较大风险实现人工语音播报，提高现场应急反应能力。
四、项目总结
4.1实施难点
4.1.1WBS 拆分
1)分部分项工程拆分时，各标段要明确统一的拆分细则，约定WBS 编码后期修改原则，例如模型变更时如何在原有WBS 编码基础上增加而不会影响其他未变更模型的编码顺序。
2)每次模型变更后，编码增加、减少或者调整内容要有明确的记录，确保模型与编码的对应关系以及模型挂接信息的对应关系。
3)WBS 拆分要综合考虑模型应用需求，对于一些临时设施构件和非永久结构构件，可以考虑简化拆分细度。
4.1.2 模型建立
1)如果由设计单位提供模型，因为设计单位和施工单位对模型的使用需求不同，因此需要根据施工工艺等对模型进行拆分。
2)现场土建施工阶段临时工程建模工作量大，分部分项工程采用分仓段划分，因此无法做到单个构件对应一个编码，考虑到进度管理需要又需要按照单个构件拆分，因此临时工程模型要根据施工步序建立。主体结构模型在曲线段存在相邻模型内外侧重叠以及分开状况，本项目采用Dynamo+revit 参数化编程建模。
3)土建施工阶段的模型能否满足机电阶段的应用需求，否则到下一个施工阶段又要重新建立模型。需要土建阶段的建模团队对机电以及其余施工阶段的施工有一定程度的了解。
4.1.3 施工模拟
1)施工模拟需要施工计划横道图按照构件级别划分，这个对于项目上的难度很大，尤其是细化到单个构件的具体施工日期。本项目综合考虑各种因素，采用重主体轻临时工程的原则，结合项目施工经验数据(定量的人机料配备情况下单构件的完成工时消耗量)，主体结构按照单个构件挂接计划工期，临时工程按照单天可完成量挂接，存在多个构件共用一个编码挂接一个计划工期。
2)施工模拟不能完全依赖项目上的计划工期挂接模型，按照施工步序去模拟施工，这种方式是无法检验资源配备和工期计划的合理性。需要按照现场既有的人机料资源，结合以往类似工程该工法完成某一构件的耗时时间去虚拟推演。
4.1.4 3D 作业指导书
1)作业指导书制作人员需在项目技术人员的配合下建模，否则模型建立的细度满足不了作业指导书展示要求。
2)3D 作业指导书的制作对技术人员技术水平有较高要求，需要技术人员能否熟练掌握该施工方法的注意要点，否则按照套模板方式制作的3D 作业指导书不具有可实施性，一线作业人员无法通过三维可视化的方式掌握该工序的施工要点。
3)3D 作业指导书的制作周期较以往传统作业指导书的制作周期较长，因此需要技术人员在该工序施工前提前做好作业指导书，便于施工前的交底。
4.1.5 BIM+GIS 项目管理平台搭建
1)目前国内对于BIM 模型的真正轻量化手段较少，很多轻量化手段易导致模型的构件信息丢失或者模型丢失，因此基于BIM 的平台运行速度受模型体量大影响，运行速度较慢。
2)目前国内基于BIM 的项目管理平台业务功能有限，多数都是做数据汇总展示使用，因此需要结合一些其他信息化业务系统管理手段来提供管理数据，部分数据需要前端的智能采集设备提供原始数据，通过一定的算法分析获得管理需要的结果。
3)BIM 项目管理平台的功能无法适应所有项目，因此前期需要做大量的调研工作，了解项目需求和管理模式。BIM 项目管理平台的搭建周期相应就会增加，对于有些项目建设周期较短的项目是个巨大的挑战。
4)如何将BIM 模型和现场管理的结果进行关联，同时将这些信息传递到运维阶段。大量的信息和模型挂接，如何保障平台的正常运转。
5)要提前策划服务器的配置标准以及使平台运转的软硬件配置标准，防止后期平台运转不畅。
4.2经济及社会效益
4.2.1经济效益
1)利用无人机倾斜摄影技术，进场前建立场区内的三维实景模型，为项目部的大临规划，道路选线提供了直观蓝图，可以直接在三维场景内规划道路的走向和三场布设，大大减少了现场前期调研所耗费的人力、财力和时间。
2)利用BIM 的可视化特征进行现场的进度管理，可有降低各方的沟通成本，更迅速、更高效的解决现场进度问题，避免因对象不统一的沟通浪费时间。
3)结合BIM 技术和物联网技术进行现场安全、质量管控，确保管理数据的真实性和时效性，大大提高了工程项目质量标准。通过大量的安全质量问题的分析汇总以及针对性的应对措施，降低了同类问题的发生频次，减少了由于安全质量问题的整改而引起的成本增加，工期延误。
4)利用BIM 模型的可模拟性，对施工计划进行优化，从源头上解决了由于施工计划编排不合理、资源准备不充分导致的工期延误和资源浪费。
5)通过BIM 模型的三维可视化交底，让现场工人从感官上对施工重点和难点部位做深层次的了解，更加有利于现场施工，减少了由于理解偏差导致的误工、返工。
4.2.2 社会效益
本项目的BIM 技术及信息化应用充分结合了项目特点及建设、施工单位的管理要求，从进度、质量、安全、技术等角度，利用现有的信息化技术和BIM 的可视化、可模拟性特征进行项目管理。
结合BIM+GIS 项目管理平台，建设单位直观查看各标段形象进度完成情况，有利于建设单位对工程整体工期进度的把控。实现了对安全、质量、环保主要关注点(深基坑、围堰等高风险结构安全以及混凝土质量、太湖水质等)的数字化监管。可提供较为完整的竣工模型和数据库，为运营阶段的资产管理和设备维护保养工作提供关键性数据和信息。“信息化管控”助推了苏锡常南部通道“品质工程”建设，推动了我国交通工程领域“智慧建造”技术的进一步落地，促进了传统施工管理理念和项目监管模式的进一步转变。
从现场施工管理角度考虑，物联网设备实时采集现场安全、环保、质量监控等数据，自动分析、预警，智能化管控、可视化查看。依托BIM+GIS 项目管理平台开展施工组织管理，资源配置高效，为施工安排提供可靠依据。
项目开工一年多时间，BIM 技术及信息化应用在各大媒体报道30 余次，接待各级领导检查、参观100 余次，受到了参建单位和各级领导的好评，提升了公司的社会形象和公众影响力，也为企业下一步升级转型提供辅助性帮助。
