郑利龙
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江省杭州市 310000；2.浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心，浙江省杭州市 310000
摘要：本研究通过探讨轨道交通BIM全生命周期应用框架和思路，以盾构管片全生命周期管理为例，从设计、施工和运维阶段分别讨论BIM及数字化应用，验证轨道交通全生命周期应用的可行性，为后续轨道交通车站和区间的全生命周期应用提供参考案例。
关键词：盾构、BIM、全生命周期、轨道交通
Abstract: This research discusses the application framework and ideas of the full life cycle of rail transit BIM, taking the full life cycle management of shield tunnel segments as an example, discussing BIM and digital applications from the design, construction, and operation and maintenance stages to verify the application of rail transit throughout the life cycle Feasibility, to provide a reference case for the full life cycle application of the subsequent rail transit stations and sections.
Key words：Shield、BIM、The full life cycle、Rail transit
1.引言
据最新数据统计，我国轨道交通在建里程和运营里程均位列世界前列。国家大力推动轨道交通建设，大规模建设和运营，必将带来很多问题，急需引入新兴技术，来提高建设和运营维护效率。轨道交通作为重要的城市公共交通方式，具有集约、环保、高效和节能等优点，随着计算机技术、通信技术等的发展与应用，对轨道交通建设和运营的数字化、信息化管理提出了更高的要求。凭借信息化技术提高轨道交通信息化建设水平和运营能力是大势所趋。
盾构隧道作为城市轨道交通的重要组成部分，大规模盾构隧道建设产生的海量数据的存储、共享和分析等问题给工程勘察、设计、施工、检测、维护等带来了挑战。鉴于盾构隧道在城市轨道交通的代表性，本研究以盾构隧道为例研究轨道交通全生命周期信息化数字化应用的可行性。
BIM技术作为有效的数字化建设管理手段已在轨道交通工程领域得到广泛应用，目前也逐步应用到区间隧道工程的建设、施工、维护等领域[1]。在设计阶段，可通过BIM进行盾构管片参数化设计；随后在施工阶段，基于二维码对预制拼装的管片进行管理[2]，并通过物联网全过程自动化监测盾构掘进状态[3]；在运营期则采用图像识别等技术开展盾构隧道病害管理。
2.BIM技术简介
BIM（Building information Modeling，即：建筑信息模型）是利用数字模型对项目进行设计、施工、运维的过程。BIM模型包含了工程几何、物理、功能和性能等信息，项目不同的参与方在项目的各个阶段可以基于同一模型，利用和维护这些信息进行协同工作，对项目进行各种分析和模拟。基于BIM的设计模式被业界奉为继手工制图到计算机辅助制图的“第一次技术革命”后，颠覆行业工作模式的“第二次技术革命”。通过以BIM为基础，可使工程在设计、施工、运维的全生命周期，实现信息共享和无损传递，提高工程建设的质量和效率，节约项目成本，提升科学决策和管理水平[4]。
3.技术路线
本研究以城市轨道交通全生命周期的应用为目标，在国内大兴土木的城市轨道交通建设中展现科研技术的发展实力，以盾构管片管理为例，建构城市轨道交通盾构管片全生命周期一体化管理平台，运用BIM的可视化与数据优势，整合3DGIS进行宏观的大面积线型管理，布置传感器IoT进行实时数据回传，以云计算的方式反馈至预测与决策应用，在互动层面采用VR与AR进行使用端的直观理解。此一体化管理平台在设计阶段通过二次开发实现盾构管片参数化设计；在施工阶段对盾构管片生产、运输、接收、调度、拼装施工等全过程进行信息化管理，有效地规范了各参与方根据管片BIM排版优化结果组织管片生产储运与拼装实施的各环节的行为，提高了生产建造效率，并通过IOT实时连接盾构机数据实现盾构掘进状态的远程实时监控；在运维阶段我们利用巡检机器人、灰度图识别、深度学习等技术手段，对隧道病害进行动态跟踪，再根据每一环每一块的BIM二维码履历和健康档案。智能评估病害发展态势，去指导隧道运营防护。
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图1 盾构全生命周期BIM应用
4.研究内容
4.1 设计阶段
在设计阶段，利用设计平台，完成从盾构隧道线路→管片→配筋→槽道→支架→排版的全专业参数化设计，成果发布至BIM建管平台。
（1）区间线路设计。开发参数化的线路平纵设计、站台及渡线的模板化添加、内业及外业断链智能设置、纵断面智能添加、线路信息检测等功能，满足国内轨道交通线路三维设计及出图要求。三维线路通过与地理信息、地质信息模型一体化融合，并整合传统二维线路软件基础功能，使限界检查与线路优化更高效。
（2）参数化设计。管片参数化设计包括几何分块设计、接缝设计、细部构造设计。通过自主研发盾构管片三维参数化设计系统，适用于不同半径、环宽、分块模式、厚度、接缝、连接的管片设计。利用自主开发的软件一键导出钢筋报表和精准下料功能，配合数控钢筋加工设备，对管片钢筋按预先设定好的程序进行加工，确保钢筋的定尺、调直、切断、弯箍精度，确保一次弯制合格。
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图2 管片参数化设计/配筋
（3）设计优化。综合分析管片在不同旋转点位下的优化可能性，利用智能化排版工具输入控制参数，推荐旋转点位并重点控制接触网环姿态，输出排版计算报告（排版表、优化统计、制造统计），并沿线路生成排版模型，从而优化控制预埋槽道的用量，节省投资。进一步的，整合常规设计排版算法与预埋槽用量优化智能算法，进行管片智能排版，可视化的排版数据能够指导生产、制造与安装。
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图3 预埋槽优化设计
4.2 施工阶段
在施工阶段，各方利用WEB和移动APP开展，基于二维码的管片生产、运输、调度、下井拼装、验收全过程管理，利用物联网技术实时监察盾构施工的进度、轴线偏差、成型质量。
（1）盾构管片施工全生命周期管理
基于二维码的管片管理。采用二维码技术记录每一管片的基本信息，包括盾构管片生产、运输、接收、调度、拼装施工等全过程产生的所有信息，使每一管片拥有唯一“身份证”。信息的连贯性和完整性有效地规范了各参与方根据管片BIM排版优化结果，组织管片生产储运与拼装实施的各环节的行为，提高了生产建造效率，也为后续隧道运维奠定基础。
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图5 管片全生命周期管理平台
（2）盾构掘进远程可视化监控
盾构掘进全过程自动化监测预警与安全管理。通过自动化采集全线盾构机状态信息并上传平台进行集中管理，实时监控掘进参数、掘进进度、盾构与周边监测测量信息并对数据进行自动分析，来进行风险管理，当数据经运算与设定标准出现偏差时会进行预报警。平台能够提供成型隧道的缺陷信息修复全过程管理记录，并对成型隧道轴线偏差数据的入库及偏量进行统计分析与超限预警。
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图6 盾构参数集成及预报警
另外，平台结合BIM+3DGIS技术，通过物联网采集的盾构机数据，根据盾构刀盘掘进里程，计算盾构管片拼装环数，实时在三维电子沙盘里展示其实际进度，并可查看盾构机信息[5]。
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图7 盾构掘进进度可视化展示
4.3 运维阶段
到运维阶段，我们利用巡检机器人、灰度图识别、深度学习等技术手段，对隧道病害进行动态跟踪，再根据每一环每一块的BIM二维码履历和健康档案。智能评估病害发展态势，去指导隧道运营防护。
盾构运维期隧道病害管理。首先，应用三维激光快速扫描技术，对隧道内部病害信息进行高效采集、分析处理与展示，隧道巡查人员通过移动端开展巡检工作，并及时反馈更新现场实际情况与病害治理情况。然后，应用BIM仿真建模技术，将激光扫描成果和病害信息与BIM模型关联，为病害治理提供更直观的数据依据。
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图8 盾构管片病害识别
5.总结
城市轨道交通全生命周期信息化、数字化应用是必然趋势，本研究通过探讨轨道交通BIM全生命周期应用框架和思路，以盾构管片全生命周期管理为例，从设计、施工和运维阶段分别讨论BIM及数字化应用，验证了轨道交通全生命周期应用的可行性，为后续轨道交通车站和区间的全生命周期应用提供参考案例。
参考文献
[1] 孙超.BIM技术在城市城市轨道交通中的应用[J].交通世界,2019(25):164-167.
[2] 吴建成, 孙庆. 基于Web的地铁盾构施工数据管理平台[J]. 软件, 2018, 39(2):120-124.
[3] 祥波, 徐受天, 马强．基于互联网的盾构远程实时监控系统开发[J]. 隧道建设, 2012(2):256-260．
[4] 辛业洪.BIM在建筑全生命周期中的经典应用[J].住宅与房地产,2020(02):46-57.
[5] 肖薄, 羊权, 等. 荣机远程监控系统在GIS+BIM平台中的集成开发及应用[J]. 铁道建筑技术, 2019(08).
项目基金：本论文受中电建成都建设投资有限公司科技项目经费资助。
作者简介：郑利龙，男，硕士，研究方向：轨道交通全生命周期BIM应用