0 引言

　　BIM技术在我国建筑行业的应用起步较晚，距多专业、全周期、普遍性应用存在一定距离^[1]。相对而言，铁路行业BIM技术发展快速^[2]，取得一定研究成果，如朱江^[3]提出在铁路工程中分阶段、分步骤实现BIM设计;卢祝清^[4]提出在铁路工程全生命周期中应用BIM技术;刘鹏^[5]针对铁路工程特点，实现各专业在同个全线真实三维场景模型下的协同设计。通过调研可知，BIM技术在铁路行业中的应用多集中于可行性设计^[6,7]及碰撞检测^[8]、工程量统计阶段^[9]，随着整个社会对信息化要求的提高，隧道工程与BIM技术的结合将是大势所趋^[10]。

　　众所周知，隧道工程不同于工业、民用建筑工程，常呈带状分布^[5]，且位于地下，与地质条件关系密切。同时，编码分类与工业、民用建筑工程不同，因此不能直接照搬BIM技术路线^[11]。在隧道工程进度管理中，BIM技术多应用于4D模拟^[12,13]，在其他方面的应用较少。因此，本研究深入探索隧道工程进度管理，提出参数化建模思路和方法，研发BIM4D进度管理平台，实现模型与进度管理的结合，完成参数化掘进、进度分析、任务分派等，并在黑山共和国南北高速公路项目Mosman隧道中进行具体应用。

　　1 工程概况

　　黑山共和国南北高速公路项目Mosman隧道(K26+647.000—K29+171.900)左线2 518m、右线2 493m，为分离式双向4车道，以Ⅳ级围岩为主，如图1所示。

　　图1 Mosman隧道  

　　应用BIM技术时，隧道工程(特别是采用新奥法施工的特长隧道)既有别于建筑、桥梁等有明显构件划分的工程，又不同于道路等简单线性工程，有独特的工程特性和管理模式。如隧道施工与地质条件关系密切，而地质条件依据地质勘察资料无法准确预估，即施工进度、质量管理等在一定程度上受未知因素控制;随着围岩等级、施工工艺的变化，隧道断面形式、开挖方式、机械配置、材料用量均相应改变;BIM模型在设计阶段无法准确切分，并在施工阶段不断变更等。

　　隧道工程特点决定管理系统研发思路，采用以WBS为数据主线的模式，随着轴线和截面变化自动生成模型，即实现参数化建模及相应管理模式更新。

　　2 总体设计

　　2.1 设计原则

　　1)构件切分以里程桩号为基准特长隧道属于线性工程，无法按结构特性切分构件;隧道断面复杂多变，无法按既定长度切分构件;仅按不同设计断面对应的长度切分构件无法满足施工管理精度要求。因此，需按里程桩号切分构件。

　　2)切分构件实现动态调整由于隧道开挖进尺受围岩条件限制，每个时间单元(施工周期)对应的模型单元不确定，无法在实际施工结束前进行准确切分。因此，构件切分须实现动态调整或实时生成施工模型，以满足现场施工要求。

　　3)进度计划实现动态调整正常隧道施工管理一般采用倒排进度计划(控制总工期)与实际进度进行对比分析，每隔一段时间(一般为每月)根据实际情况更新倒排进度计划。在BIM平台中，需自动计算施工完成的每种围岩等级(对应断面形式)下施工进尺长度及所用时间平均值，从施工完成的里程桩号向后，根据设计断面情况，实时生成正排进度计划。

　　4)进度计划与施工调度实现关联根据正排进度计划，实现派工功能，尽可能自动生成下个施工周期工作任务、班组安排、工程量统计、材料使用计划、机械调度等信息，并推送给相关人员。

　　5)施工信息集成以里程导向为主进度、质量、安全及其他资料信息尽可能归到里程桩号或以里程桩号为基础生成的构件中，实现以里程导向为主的施工信息集成。

　　2.2 应用流程

　　将BIM技术应用于Mosman隧道工程进度管理中，主要涉及需求调研、BIM数据库建立、系统研发、实际应用及总结验收，如图2所示。

　　图2 应用流程 

　　1)需求调研通过与业主方、施工单位人员进行交流和调查，了解项目概况、设计、施工情况，分析BIM技术应用需求和特点，确定需要解决的重点技术问题。

　　2)BIM数据库建立基于关系数据库建立施工BIM数据库，将BIM模型通过BIM4D系统数据集成接口导入数据库，并导入Microsoft Project进度计划。在BIM4D系统中建立构件、进度关联关系，存储于BIM数据库中。

　　3)系统研发针对本工程施工特点和实际需求，通过需求分析、系统架构设计和详细功能设计，在已有BIM4D系统的基础上进行研发。

　　4)实际应用将基于BIM技术的管理平台分阶段应用于本工程施工管理中。

　　5)总结验收包括系统及BIM数据交付、编制用户手册，按工程进度对BIM技术实际应用情况进行验收。

　　3 参数化建模

　　针对上述总体设计原则和隧道施工中面临的问题，为模拟施工过程，本研究通过以下步骤进行参数化建模。

　　1)研发插件自动提取BIM模型中隧道断面形式和轴线(里程桩号)信息。

　　2)根据设计文件补充其他可能变更的断面形式，形成项目断面形式和轴线信息库。

　　3)根据每个施工周期结束填报的实际进度和断面形式自动生成动态施工过程模型，以每道工序每次填报的里程段为1个构件。

　　4 BIM4D进度管理

　　通过BIM4D进度管理(见图3)及参数化建模，实现施工进度整体把控及可视化管理。通过项目模型查看实时施工进度，研发施工进度计划任务管理和任务分派管理功能，可采用微信端、网页端对实时施工进度进行填报和描述。通过可视化、便捷化管理对整个施工过程进行检查、对照、分析，及时发现施工偏差，调整施工进度计划，排除干扰，保证完成工期目标。

　　图3 进度管理  

　　4.1 基于参数化建模的WBS管理

　　以断面为基本单元，根据主要可见结构将隧道划分为初期支护、二次衬砌、仰拱、路面和附属设施5道工序。按里程桩号线性、连续生成具有计划施工时间属性的计划进度信息模型，每段模型作为1个构件与计划任务自动关联。

　　1)线性参数化管理以断面为基准，以1个进尺为最小单元(进尺长度根据施工要求确定)，以里程桩号为刻度，根据施工管理需要灵活掌握计划细度，日计划、周计划、月计划、标准断面计划均可自由选择。

　　2)WBS任务与模型构件自动关联因进度模型以里程桩号为基准生成，每节WBS任务与生成模型自动关联，避免原设计模型根据WBS任务进行切分。

　　4.2 形象进度展示

　　常规形象进度展示将切分好的构件用不同颜色表示不同完成百分比，而线性参数化BIM平台中，则按WBS划分不同工序固定色彩，以实际填报生成的模型为进度模型，以半透明化的设计模型为参照，形象直观。

　　1)实时生成进度模型平台研发插件，可从设计模型中提取隧道控制轴线，显示不同围岩等级对应的断面形式。实际施工时填报每个时间段(根据管理需求可为日、周、月等)完成的里程桩号和对应断面编号，系统自动生成进度模型。目前进度模型包括初期支护、二次衬砌、仰拱、路面等。

　　2)原设计模型作为参照原设计模型半透明化后，作为进度模型参照。同时，锚杆、拱架等非线性构件仍在原设计模型上操作。

　　4.3 进度对比

　　进度对比分析主要包括倒排进度计划、动态正排进度计划和实际进度对比。

　　1)倒排进度计划传统隧道施工管理均按总工期和设计围岩等级分布推算在工期内正好完成施工任务的施工计划，称为倒排进度计划。倒排进度计划可作为工程工期控制的基准参考系。

　　2)动态正排进度计划根据各围岩等级下平均进尺长度和时间，从当前完成里程桩号动态生成对应时间节点后的进度计划。

　　3)实际进度每个进尺完成后均统计该进尺长度、用时和对应围岩等级，填报生成实际进度。

　　4)对比分析当动态正排进度计划超出倒排进度计划时，表示当前施工组织不能在规定工期内完成工作任务，根据超出的程度优化施工管理，甚至增加工作面;当实际进度超出动态正排进度计划时，表示该时间段内施工组织存在问题，低于平均水平。

　　4.4 子工序填报和分析

　　掘进作为隧道施工的关键线路，施工组织质量直接影响施工进度和安全。因此，平台针对掘进和初期支护工序进行深化管理和分析。通过对各子工序进行数据统计和分析，判断某段时间节点内施工组织情况，甚至整个隧道工程施工情况。

　　1)子工序的划分初步根据2,3级以下围岩施工方法，将掘进初期支护工序细化为以下15道子工序:安装风水管等准备工作、钻孔、钻孔与装药衔接、装药爆破、通风、出渣、处理局部欠挖、开挖与支护衔接、初喷、初喷与立拱架衔接、挂网片立拱架、立拱架与喷射混凝土衔接、喷射混凝土、施工系统锚杆、初支与开挖衔接。

　　2)各子工序用时对比分析由钻孔子工序用时曲线可知，曲线基本稳定，突变处经现场检查确认，开挖时出现个别小溶洞，重新分析耽误了时间;一段时间内曲线起伏较大，经现场检查发现，新一批速凝剂使用不熟练，混凝土掉落严重。

　　4.5 任务分派

　　在BIM平台客户端中，可结合各WBS节点对施工单位各参建人员进行任务分派，在项目每个WBS节点中添加人员、材料、机械数量和配置等相关信息，并结合微信端发送给进度填报人员，填报人员根据接收到的任务工单进行下步工序施工。

　　1)派工单流程派工单可根据动态正排进度计划自动生成，也可通过平台手动生成，然后由操作人员指派流程负责人，勾选材料、机械和班组，流程自动推送到负责人手机端。施工结束后，负责人填报完成情况(以滑动百分比的形式)。

　　2)派工单与人员管理派工单勾选的负责人和班组才有进入施工场地的权限，后期可配合闸机、定位芯片等技术实现现场控制。

　　3)派工单与材料管理派工单中材料挂接数据库中材料，通过实际使用材料量对比材料出入库单据量，有效控制材料的不必要损耗。另外，还可修正得到较准确的材料需求计划。

　　4)施工备注派工单推送时，可以图片、文字、语音、视频等多种形式将技术交底、安全交底等文件推送给负责人和班组;同时，负责人填报完成情况时，也可将现场情况和遇到的问题等以附件形式推送到客户端。按项目管理格式导出任务单、日报、周报、月报等。

　　5 结语

　　针对隧道工程，根据工程特点研究基于BIM技术的参数化自动建模过程，并结合BIM4D开展进度管理研究，将基于BIM技术的隧道工程进度管理由碰撞检查、进度模拟提升至基于参数化建模的WBS、形象进度展示、进度对比分析、子工序填报和分析及具有人员、材料、机械属性的任务分派等，并在黑山共和国南北高速公路项目Mosman隧道中进行示范应用，取得显著效果。