复杂条件下盾构施工BIM管理平台研发及应用——以大连地铁5号线海底隧道工程为例.pdf
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1、18 SHI Z,ZHOU Y,SUN Z,et al.Fatigue Performance of Orthotropic Steel Decks in a Wide Steel-box GirderJ.Journal of Constructional Steel Research,2022,190:203-214.19 中华人民共和国交通运输部.公路钢结构桥梁设计规范:JTG D642015S.北京:人民交通出版社,2015.20 葛俊颖.桥梁工程(上)M.北京:中国铁道出版社,2013:85-86.21 林伟峰.基于桥梁健康监测数据的钢桥面板疲劳寿命分析D.重庆:重庆交通大学,2021
2、.LIN Weifeng.Fatigue Analysis of Steel Bridge Decks Based on Bridge Health Monitoring DataD.Chongqing:Chongqing Jiaotong Univer-sity,2021.收稿日期:20220614;修回日期:20220629基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(K2023S008-C(JB);中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(2020-引导-183);中铁第六勘察设计院集团有限公司科技开发课题(KY-2020-13)作者简介:付功云(1981),男,高级工程师,2003
3、年毕业于福州大学水利水电工程专业,工学学士,主要从事 BIM 平台研发及实施工作,E-mail:31184 。第 67 卷 第 11 期2023 年 11 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.11Nov.2023文章编号:10042954(2023)11011308复杂条件下盾构施工 BIM 管理平台研发及应用 以大连地铁 5 号线海底隧道工程为例付功云1,王立彬2,青舟1,高俊峰3,董晓龙4,孙国文1(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308;2.大连地铁集团有限公司,大连 116000;3.中铁大连地铁五号线有限公司,大连
4、 116011;4.中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司,江苏无锡 214000)摘 要:为解决在地质条件差、周边风险源高度敏感、施工工艺复杂、安全隐患探知难且处理难等复杂条件下存在的盾构隧道施工风险大、施工进度慢、前期处置费用高等问题,从 BIM 模型、生产管理信息等以 GIS 为骨架,多源异构的静动态数据融合形成时空整体,盾构机 PLC、智能监测仪器等多源安全风险数据集成,二三维关联快速定位,实际进度与形象进度实时对比综合分析进度异常原因并辅助决策,材料用量异常结合地质状况分析等方面进行关键技术研究。采用 WebGL 三维引擎、Spring Cloud 微服务架构、AVUE 前端、Redi
5、s 数据缓存,自研一键转换发布工具、系统集成综合框架、快速开发平台等研发盾构施工 BIM 管理平台,并在国内首例大直径穿越岩溶强烈发育区的“超级穿海”工程 大连地铁 5 号线火梭区间海底盾构隧道工程中成功实践应用,实现了盾构施工安全风险管控、质量巡检定位与二三维关联跟踪处理、进度对比辅助决策、成本异常溯源与分析等目标,保障了盾构施工安全洞通,提升了工程质量,缩短工期 72 d,节省成本 5%,有效提升了盾构隧道施工的数字化、信息化、可视化管理水平,为复杂条件下盾构隧道施工管理探索出可行的数字技术路线。关键词:地铁;盾构隧道;海底隧道;岩溶;BIM;WebGL中图分类号:U455.43;U231
6、 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202206140007Development and Application of BIM Management Platform for Shield Construction under Complex Conditions Relying on the submarine tunnel project of Dalian Metro Line 5FU Gongyun1,WANG Libin2,QING Zhou1,GAO Junfeng3,DONG Xiaolong4,SUN Guowen1(1.China
7、Railway Liuyuan Group Co.,Ltd.,Tianjin 300308,China;2.Dalian Metro Group Co.,Ltd.,Dalian 116000,China;3.China Railway Dalian Metro Line 5 Co.,Ltd.,Dalian 116011,China;4.Urban Rail Transit Engineering Co.,Ltd.of China Railway First Group Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)Abstract:To solve the problems of hi
8、gh construction risk,slow construction progress,and high pre-treatment costs of shield tunnels under complex conditions such as poor geological conditions,high sensitivity to surrounding risk sources,complex construction techniques,and difficulty in detecting potential safety hazards,the BIM model,M
9、ulti-source heterogeneous static and dynamic data such as production management information is integrated to form a Spatio-temporal whole,multi-source security risk data integration such as shield machine PLC,intelligent monitoring instruments,fast 2D and 3D correlation positioning,real-time compari
10、son between actual progress and image progress Comprehensively analyze the reasons for abnormal progress and assist decision-making,and conduct key technical research on abnormal material consumption combined with geological condition analysis.Using WebGL 3D engine,Spring Cloud micro-service archite
11、cture,AVUE front-end,Redis data cache,self-developed one-key conversion and publishing tools,system integration comprehensive framework,rapid development platform and other research and development of shield construction BIM management platform,and the first large-diameter traverse in China The“supe
12、r sea-crossing”project in the area with strong karst development has been successfully applied in the submarine shield tunnel project in the Dalian Railway Station-Suo yuwan section of Dalian Metro Line 5,realizing the safety risk management and control of shield construction,quality inspection and
13、positioning,and 2D and 3D correlation tracking processing.The goals of assisting decision-making by progress comparison,traceability,and analysis of abnormal cost,ensure the safe passage of shield tunnel construction,improve the quality of the project,save 72 days of the construction period and 5%of
14、 the cost,and effectively improve The digital,information and visual management level of shield tunnel construction,and a feasible and digital technical route has been explored for the construction management of shield tunnels under complex conditions.Key words:metro;shield tunnel;submarine tunnel;k
15、arst;Building Information Modeling;Web Graphics Library引言我国城市轨道交通工程建设是基础设施建设的重要组成部分,而地下盾构隧道建设模式在当前城市轨道交通工程区间建设中占据主流地位1,是典型高风险、高投入的系统性工程。一是周边风险源、地下地质条件等具有变化性、不可知性,导致施工工艺复杂、安全隐患探知及处置难;二是施工地点处于城市区域,对公共安全要求高,一旦发生安全、质量事故,社会及经济负面影响大;三是系统性工程,盾构区间的进度、成本与整条轨道线路的进度、成本密切相关,保障进度、降低成本是项目需考虑的关键因素。如何融合使用BIM、GIS、物联
16、网等先进技术,提高城市轨道交通盾构隧道工程建设过程中的安全风险、质量、进度、成本等的管控能力,提前发现问题、提前处置、提前消除隐患,已成为各级政府、建设单位及参建单位共同关注的重点领域。在 BIM 与盾构隧道施工结合应用方面,已有部分研究案例。吕刚等2搭建了基于 BIM、GIS 和互联网技术的隧道施工可视化管理平台,初步实现对邻近建(构)筑物危险性的实时预测预报;杨威等3基于CarsView 图形引擎、前后端分离架构,研发铁路隧道施工 BIM 管理系统,满足清华园隧道实践应用要求;陈卓等4在成都地铁 8 号线一期工程中,通过施工模型构建、VR 虚拟驾驶舱重点场景仿真、基于 BIM 的施工进度管
17、理、基于 BIM 的工程动态移动 APP、盾构机实时状态监测及现场量测数据管理等应用,满足了现场管理需求;马少雄等5依托太焦铁路武乡隧道工程,构建铁路建设项目数字化协同管理体系,包含模型、权限、工序、围岩等级、报表等功能;魏林春等6归纳了盾构隧道施工的信息类型,分别建立子模型,并将信息集成为盾构施工信息模型,开发了 B/S 架构的盾构施工信息管理系统;林晓东等7在分析 GIS 数据管理和BIM 数据标准基础上,建立集成 GIS/BIM 的盾构隧道全寿命期管理系统。文献检索结果表明,已有多位专家开展 BIM 平台在盾构隧道施工中的应用研究,但存在部分技术路线瓶颈导致适用性较低、部分功能不全、不能
18、覆盖盾构施工全过程等问题。依托大连地铁 5 号线火梭区间海底盾构隧道工程需求,结合大直径泥水平衡盾构施工方案,研发了一套盾构隧道施工 BIM 管理平台,集成了 BIM设计模型、环境模型、地质模型、设备模型、施工报表、监理报表、管理流程、盾构机 PLC 数据、视频监控数据、第三方监测数据、智能传感器数据、人工巡检 APP、人工填报接口等,实现了盾构施工过程安全、质量、进度、成本等管理,有效保障了盾构隧道安全施工,提高工程质量,加快施工进度并提前洞通,降低工程成本。1 工程概况大连地铁5 号线线路全长24.484 km,起于虎滩新411铁 道 标 准 设 计第 67 卷区站,止于后关村站,大致呈南
19、北走向。其中,火梭区间位于火车站站与梭鱼湾站之间,全长 2 870 m,海域段长 2 310 m,岩 溶 强 发 育 区 跨 度 1 538 m,采 用12.26 m 泥水平衡盾构机掘进,海底盾构隧道复杂条件展示见图 1。图 1 大连地铁 5 号线海底盾构隧道复杂条件展示Fig.1Display of complex conditions of submarine shield tunnel of Dalian Metro Line 5该海底隧道是国内首次大直径穿越岩溶强烈发育区的超级穿海工程8,海底溶洞呈马蜂窝状并形成三大溶洞群,最大溶洞高 29 m,线岩溶率达到 13.7%;存在军事敏感区
20、、香炉礁航道、码头等众多风险源,施工过程不能及时有效管控;存在多种安全风险监测数据无关联分析而形成信息孤岛,无法使数据价值达到最大化。传统二维信息管理系统无法保障地质复杂、风险源众多、信息孤岛等复杂条件下的顺利施工,从而引入 BIM 平台集成相关数据,综合多方数据进行三维可视化研判与指导施工。2 系统设计2.1 技术架构BIM 平台采用 3 层技术架构,分别为服务层、支撑层与应用层,BIM 平台技术架构见图 2。图 2 海底盾构隧道施工 BIM 管理平台技术架构Fig.2 Technical architecture of BIM management platform for submari
21、ne shield tunnel construction 服务层基于 WebGL 三维引擎实现三维场景构建、空间分析等,并对外输出数据服务、三维服务等接口;线性数据存储于 MySQL 数据库中,盾构点位数据经Redis 数据缓存、筛选后导入 MySQL 数据库中;BIM 模型、二维管理信息、二维设计图纸、三维坐标信息等以文件形式存储;通过一键发布轮询服务、队列服务实现多种格式 BIM 模型转换为 BIM 平台模型统一格式,并整合管理与浏览。支撑层通过 BIM 模型一键发布实现不同格式BIM 模型自动上传到 BIM 平台并成为二维管理信息的载体9;Spring Boot/Cloud 框架支撑快
22、速开发、微服务10等后端服务;AVUE 框架支撑前端页面的产品化开发模式;研发利用数据库读取权限、JavaScript 调用、API 接口、物联网设备硬件接入等系统集成综合框架11,支撑多源数据的采集分析;预留人工智能深度学习、大数据分析等接口,在 BIM 平台积累大量数据之后,对 LSTM12深度学习网络模型进行训练,通过趋势预测与实际结果对比,优化算法模型,最终实现基于BIM 平台的人工监测、智能仪器监测、盾构监测等预测功能。应用层通过梳理盾构施工业务需求,集成相关数据并定制化开发相关专业应用,在依托工程中,以盾构隧道施工过程管理为主,包含安全管理、质量管理、进度管理、成本管理等,并预留设
23、计阶段、运维阶段应用拓展接口,通过浏览器、移动端等方式对外提供服务。511第 11 期付功云,王立彬,青 舟,等复杂条件下盾构施工 BIM 管理平台研发及应用2.2 数据整理与处理依托工程中施工管理数据包含基础数据、BIM 模型数据、BIM 模型附属信息、安全风险数据、进度数据、质量数据、成本数据、设备数据、材料信息等13,不同数据采用不同的数据梳理、集成处理方式。基于 BIM平台的盾构隧道工程数据整理与处置见表 1。表 1 基于 BIM 平台的盾构隧道工程数据梳理与处置Table 1 Data sorting and disposal of shield tunnel engineering
24、 based on BIM platform类型基础数据BIM 模型模型附属信息安全数据进度数据质量管理成本管控数据处置方式工程信息BIM 平台提供工程信息录入表单,BIM 平台管理人员录入与维护参建单位、人员BIM 平台提供角色、权限管理功能,BIM 平台管理人员收集参建单位及参与人员,录入到 BIM 平台并分配角色、权限业务流程BIM 平台提供流程管理功能,实施人员收集典型业务流程,如安全管理办法、质量管理办法等,在 BIM 平台中配置业务流程,通过业务流程推动三维可视化、信息化管理几何尺寸、坐标BIM 模型通过轻量化工具上传到 BIM 平台,几何信息存储到 MySQL 数据中,坐标转换为
25、 WGS84 坐标体系14,满足三维空间应用要求材质、造价、设计过程信息材质、设计过程、造价定额等信息通过轻量化工具采集,在 BIM 平台中与 BIM 模型二三维对应关联,同时施工过程信息基于 BIM 平台实时更新维护监测点位坐标设计单位提供监测点位图纸,通过中间转换工具将图纸中如北京 54、西安 80 及各地城建系统坐标体系,转换为WGS84 坐标体系,并将监测点位 WGS84 坐标导入 BIM 平台人工监测报表BIM 平台提供人工监测报表导入接口,提取人工监测数据并与监测点位二三维关联管理智能监测数据BIM 平台通过智能监测仪器 API 接口、SDK 二次开发包等方式进行系统集成,智能监测
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