■林瑞慧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

近年来，随着信息化建模技术的快速发展，BIM技术在建筑施工项目中的应用逐渐普及，对于施工的成本控制、生产效率、工作安全方面都起到重要作用。三维设计BIM 技术是未来设计的趋势[1]。BIM技术在隧道工程项目中的应用是多方面的，对于项目设计是一次技术突破，同时也改变了传统的施工方法与运营模式[2]。 隧道工程项目涉及专业众多，应用BIM 技术可以建立集成交互平台，精简各专业之间的项目沟通流程，便于各专业同步完成工作目标[3]。BIM 技术对设计变更内容的反馈效率高， 对模型设计变量的修改能够快速得到工程量变化反馈结果， 节省了传统可视化过程中重建模型的时间和成本[4]。对于复杂工程项目的施工，传统平面设计图纸所传递的信息往往不够直观，无法为后期的施工管理提供足够的工程信息。采用BIM 技术建立的模型可以较为直观地指导施工，其先进的信息共享也便于施工管理[5]。BIM 技术有效促进社会各方、各专业工作人员之间的协作，从而改变中国建设工程项目风险管理模式。利用BIM 技术生成的模型可以直观地反映项目现场施工情况，提高施工精度，减少工程材料浪费。 本研究以厦门海沧隧道工程为对象，通过BIM 技术解决传统隧道工程施工过程中存在的问题，总结归纳BIM 技术在隧道工程中的使用优势。

1 基于BIM 建模的碰撞检查

根据业主提供的各专业图纸为海沧隧道工程项目建立BIM 模型，包括地质模型、隧道模型、施工设备模型及施工场地模型等。 根据设计单位及施工单位提供的构件产品信息进行数据集成，这些信息包括但不限于构件尺寸信息、施工进度信息、造价成本信息、监测数据信息、设备制造及维护信息。 依据BIM 模型在本项目的设计、施工阶段进行的碰撞检测等措施，配合施工方及设计单位进行教学设计优化。海沧隧道BIM 中的碰撞检测分为硬碰撞和软碰撞。 硬碰撞指的是项目设计在施工中会出现的结构冲突问题，软碰撞指的施工条件不满足设计要求或施工时间节点存在冲突的情况。

针对厦门海沧海底隧道选择某一段预应力钢筋和普通钢筋进行碰撞检测，预应力钢束在对预应力构件十分重要，一旦发生结构冲突有两种情况时常发生。 一种是发现问题后和设计单位及时沟通修改，可能会耽误工期；另一种是施工单位发现钢筋碰撞问题后既不上报问题， 也不与设计单位沟通，直接剪切钢筋或调动预应力钢束的位置，导致结构受力情况改变，为后期运营埋下了很大的质量安全隐患。 在预制构件内部提取普通钢筋和预应力钢筋模型（图1）进行碰撞检测。

图1 碰撞结构

碰撞检测完之后会产出碰撞检测报告， 报告以excel 表格形式呈现（图2），表中每一行代表一处碰撞， 在这一行中会说明是哪两个构件发生了碰撞、碰撞位置等等，使得结构冲突位置一目了然，节省了大量查阅图纸复核的时间。

图2 碰撞检测报告excel 表格信息

图2 碰撞检测报告excel 表格信息显示厦门海沧海底隧道的横洞下方有服务洞，一旦服务洞与横洞交叉发生碰撞则必须要更改项目的设计方案，一旦工程发生变更那么将带来巨大的经济、 时间损失。 在检测过程中发现1 号行车横洞与衬砌结构发生了碰撞（图3～4）。 从图4 的标圈位置可以看出，1 号行车横洞与衬砌结构发生了交叉， 如果不及时更改设计方案，施工时会造成更大的损失。

图3 碰撞效果图

图4 碰撞结构图

设计阶段采用BIM 技术结合传统设计，有效控制了图纸中的各类错漏。 通过后续的现场反馈，减少了70%以上的现场变更，降低了30%以上的现场协调工作，工作数据查找效率提高了300%。三维协同数字化设计，使设计过程更直观易懂，提高了约20%的出图效率。 基于统一数据开展以BIM 模型为载体的数字化移交，对于本项目意义重大。 探测数据三维化， 为设计提供了准确的三维探测数据，及时总结和分析并对现有方案作出相应的修改，积极地应对复杂的现场环境及地质构造。 后续的模型在施工管理中发挥了作用，真正做到了一套模型从设计应用到施工。

2 基于BIM 技术的施工管理

2.1 可视化技术交底

隧道工程的施工交底通常采用设计图纸配合文字说明。 如果施工人员不能够准确理解图纸表达意思而导致施工出现差错，容易工期延误或工程返工。 BIM 模型具有直观、可视化等优点，可以更加具体地指导项目施工，施工人员能够通过三维模型快速掌握施工内容， 提高了施工技术人员的交底效率。 采用BIM 相关软件建立海沧隧道模型（图5），模型的不同颜色段代表不同的围岩等级。

图5 海沧隧道三维BIM 整体模型

通过展示BIM 模型，技术人员在与施工人员进行技术交底时，可以快速查看施工细节部位，加深施工人员对现场情况的掌握程度，提高了相互沟通的效率。 在海沧隧道项目过程中，通过BIM 模型查看隧道IV 级围岩的支护细节部分（图6），避免因为理解偏差导致工期延误等问题发生。

图6 海沧隧道IV 级围岩BIM 模型支护细节部分

2.2 施工成本控制

运用BIM 技术可以解决传统模式无法管控工程成本的问题， 可对施工项目进行多方位的成本管理。

2.2.1 优化施工方式

传统的工程项目进行分包施工时，各个专业分包得到的图纸往往仅涉及自身专业的相关内容，很难发现与其他专业施工冲突的地方，如果施工冲突严重则很有可能耽误工期、 提高施工成本。 基于BIM 的图纸优化则会很好地减少甚至避免这种情况的产生。基于BIM 的图纸优化环节首先进行碰撞检查，最大程度上避免碰撞点的出现，合理调整各分包专业的施工方式，增强团队的协作能力。

2.2.2 计算工程量准确

从管理施工成本的角度考虑，工程量的相关信息与工程款结算挂钩， 需要统计大量施工数据，对传统的计算方式造成一定困难。 BIM 模型中包含了大量的项目部件及构件信息，可以快速计算工程设计用量， 解决了图纸统计工程量的不确定性问题，方便项目成本管理工作的开展。

2.2.3 成本管理精细化

施工技术人员可以通过采集BIM 模型提供的施工时间、 工作区域及工程完成情况来评估工程量。 由于材料费用占据约工程总造价的50%～60%，因此施工材料的管控工作十分重要。通过BIM 技术创建工程材料关联数据库，能够对各类材料的需求用量进行精准统计，便于施工管理者实行进行限额领料政策。图7 为海沧隧道项目利用BIM 管理平台制作的材料管控表，项目相关单位的工作人员均有权限调取该项目的材料使用记录，减少了工程材料的浪费现象，实现了成本的精细化管理。

图7 海沧隧道材料管控图

BIM 的理念和技术融入传统工作流程，才能保证基于BIM 技术的施工阶段成本管理工作顺利进行。 因此，要将主要的成本管理工作具体化、精细化，完善成本管理工作流程，最终实现如图8 所示的阶段性成本管理流程。 与通常施工成本控制分为事前成本计划、 过程成本控制和阶段性成本分析3 个阶段一样，基于BIM 的施工阶段成本管理也分为3 个阶段， 在具体实施中以传统流程为主，BIM技术为辅助手段，并明确成本管理工作分解及任务分工。

图8 阶段性成本管理流程

工程成本的控制中单位的施工效益、材料的进价成本及消耗都是决定因素。 在广联达BIM5D 软件中可以统计隧道材料工程量，以及材料成本和资源消耗，指导编制物资供应和采购计划。 项目部相关人员可以随时查看统计隧道工程用量，使得审核过程有效可靠，实现真正的限额领料，方便实现项目管理过程的实时三算对比。 在软件视口属性中选择需要查询的时间段， 根据匹配好的构件属性，选择资源、资金曲线，自动生成折线图。 在本次项目应用过程中统计了混凝土用量及消耗成本，并且对混凝土消耗成本作出实际与计划的对比，统计查看了2018 年8 月初至2018 年9 月底隧道工程量的数据（图9～10），与实际材料进行对比参考。

图9 混凝土实际与计划用量资源曲线

根据模拟结果显示，从2017 年3 月起至2018 年1 月，混凝土的用量计划8 380 m3左右，实际用量6 075 m3左右， 比计划用量少2 000 m3。 计划资金消费7 000 万元左右， 实际消费金额4 000 万元左右。 数据显示混凝土材料消耗实际比预算金额消耗更少。 再根据图10 显示进度，工程施工建设进度严重落后，说明项目管理方人员在这个时间段对建设进度及资金消耗的把控欠佳， 需要及时调整计划。BIM 技术对项目管理方控制资金成本起到了一定的作用。

图10 混凝土实际与计划消耗资金曲线

2.3 施工进度控制

施工进度控制是在项目施工过程中不断调整施工速率的过程。 通过研究BIM-4D 模型结合实际项目施工进度数据， 制定合适的进度调整方案，对隧道施工项目进度进行优化。 BIM 模型可对指定的不同施工进度计划进行模拟分析， 从中选择更加合理的项目计划。 BIM 技术的引入改变了传统纸质描述施工进度的观感， 为项目施工进度控制带来新体验。

2.3.1 优化项目施工的实施进度

通过施工过程模拟可以预先判断未来的施工进度状况，通过对比实际施工与计划施工模拟进度的差距，及时调整施工速度与人员按排，施工模拟也可以检测施工项目安排任务是否存在冲突。 传统进度优化需要根据目前施工进度进行预估分析，在方案调整上较为被动，引入BIM 技术的施工进度调整具有主动性， 可以提早进行动态调整。 BIM-4D技术所展现的实际施工进度数据， 不受外界因素影响而导致数据无法收集。BIM-4D 技术能够收集大量施工信息数据， 相对于施工管理者的经验优化方式， 以BIM 技术为基础的进度优化分析更加全面精细。

2.3.2 提高人员工作的协同交流效率

通过BIM 模型传递的信息便于各专业人员相互交流，提高工作人员的协同交流效率。BIM-4D 信息集成系统建立了可供各方面工作者交流查阅的信息平台，将传统一对一的交流方式改为不受时间空间限值的网点式交流。 在信息平台上所有与项目相关的资料都是一致的，避免了各单位资料不统一的情况发生；依靠BIM 信息平台的交流沟通，保证了项目施工进度协同调整的准确性，提高了团队施工进度管理能力。

2.3.3 减少项目施工的进度损耗

BIM-4D 技术设计相对于平面图纸绘制较复杂，但是采用BIM 模型进行前期设计可提前解决施工阶段可能发生的问题，采用碰撞检测等技术能够提前预估施工过程中可能出现的施工风险事件，通过提前调整施工方案或变更设计图纸可以减少施工时间的浪费并在无形中降低了人力物力消耗。 目前我国的一线施工工人文化水平普遍不高，在隧道施工过程中存在技术交底困难的问题，通过BIM 模型可以让工人快速了解自己的工作任务和施工目标，在确保施工质量的同时也提高了施工效率。

2.3.4 实现可视化施工过程模拟。

施工进度工程管理通常采用网络计划图进行表述， 但是此类描述方法往往缺乏直观的内容表达， 大型工程项目的网络计划图往往过于复杂，很难让施工管理人员第一时间理清施工任务之间的逻辑关系。 利用BIM 技术虚拟项目施工建设，通过反复模拟施工过程，管理隧道工程施工进度，在施工阶段提前模拟可能发生的问题，逐步修改，提前制定对策，优化进度和施工方案，指导实际工程施工。 比较计划方案和实际施工进度，项目建设进度将随时调整，确保项目建设顺利完成。

海沧隧道施工进度动态模拟结果见图11，在2017 年3 月计划施工开始到2018 年5 月期间，隧道左侧开挖进尺过慢，严重影响施工进度。 红色标识里程段都属于未能如期按照计划施工的部分，黄色标识里程段表示正在施工，灰色标识里程段表示已经完工。 从施工项目整体把握施工进度节奏，分析施工延迟落后的原因，方便管理人员及时调整施工计划。

图11 隧道项目整体施工进度计划过程方案模拟

3 总结

综上所述，本项目将BIM 技术应用到海沧隧道工程之中，其应用效果如下：（1）设计阶段采用BIM技术结合传统设计，有效地控制了图纸中的各类错漏。 （2）依托本工程，项目组自主研发了“基于BIM技术的隧道安全施工三维可视化管理”，基于此平台， 可以在施工现场查看隧道各部位的细节并进行可视化交底；管理施工信息模型和资料共享，及时纠正施工时发生的错误并提高沟通效率； 模拟项目施工进度和施工工法，找出问题并及时纠正；对预制构件进行管理， 防止因构件不合格而延误工期。