赵文祥
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 杭州 311122)
随着工程建设项目的管理水平和科技水平日益提高，城市轨道交通工程建设领域正在发生翻天覆地的变化。传统的预制件线下管理方式无法实现盾构管片进度管控以及生命周期维护操作，而且不能为建设单位提供现场实时统计资料。另一方面，随着信息技术水平的不断提升，在预制管片的管理模式方面也进行了探索和研究，并取得了一定的成果。其中，解亚龙等提出铁路工程透明隧道的全域模型和透明工作面、透明地质的概念，实现透明隧道的技术架构[1]；
宋博宙等提出基于二维码技术创建地铁管片生产管理系统，从而实现对地铁管片生产、出厂和运输过程中的高效管控[2]；
田文攀等将有限元法和建筑信息模型技术相结合，通过对管片堆放层数仿真分析与管片定位研究，在此基础上提出一种基于BIM的混堆模式预制管片堆场定位新方法[3]；
陈聪等基于IFC标准模型体系、扩展方式和图形表达方法，对管片检测信息进行了表达和扩展，建立了基于IFC标准的管片检测信息模型[4]; 林晓东等将BIM与GIS技术进行集成，搭建盾构隧道的全寿命管理系统，为盾构隧道整体相关的地质勘察、结构设计、运营监测和养护维护等阶段提供标准化管理方法[5]；
李鑫等提出了基于BIM技术构建施工物料管理系统的实现方案，通过对施工进度管理与物料管理的集成，解决了物料供应、仓储管理、进度风险把控等现实问题[6]；
孟轲总结了在上海轨道17号线全生命期应用BIM技术的管理模式、总体策划、统一标准，建设交付全线数字资产的实施经验[7-8]；
朱明清等开发了地铁盾构管片生产管理系统，实现了车间级实时动态管理以及关键生产数据分析，可以有效解决进度管理、堆存管理、质量管理等现实问题[9]；
陈勇等提出通过在预制混凝土管片中植入RFID芯片，利用芯片进行数据采集及存储，实现对预制混凝土管片全生命周期的质量监控[10-11]；
胡珉等以隧道BIM运维模型为基础， 建立隧道可视化智能决策系统，帮助用户快速掌握现场情况，获取自动辅助决策结果，提高运维工作效率和质量[12]；
吴贤国等提出基于DYNAMO参数化运营隧道三维建模方案，为运营隧道结构健康监测系统设计，监测量预警分析与预警可视化方向提供思路[13]；
苏立勇等创新性地对北京地铁19号线中涉及的基础数据进行分类，确定附属一体化信息化管理过程中所需的数据种类[14]；
李益斌等研究了隧道BIM参数化快速建模方法，通过监测信息与BIM模型的关联，提高监测信息的可视化程度，并且为提高分析结果的准确性提供技术支持[15]。
综合来看，目前国内有关预制管片的研究主要集中在面向预制管片的生产、运输、堆放、拼装、监测等单个方面，而对于整个预制管片全生命周期管理方面的研究尚存在空缺。以下依托杭州至绍兴城际铁路工程，建立基于“BIM+二维码”的盾构管片全生命周期管理系统。主要创新点体现在将二维码(编码)管理信息与BIM三维建筑信息模型映射关联，使线下实物与线上模型基于编码的唯一性实现孪生一一对应，通过延续应用设计阶段的 BIM 模型，保证了设计到施工信息的延续性和完整性。
杭州至绍兴城际铁路工程线路全长20.3 km，部分地下线，部分高架桥，沿线共设9个站点，其中高架站4个，地下站5个(见图1)。图1中红色虚线部分为地下区间，绝大部分采用盾构区间的形式，盾构区间包括：姑娘桥站—衙前路站、衙前路站—杨汛桥站、鉴水路站—越州大道站、越州大道站—中国轻纺城站， 区间盾构隧道均位于淤泥质黏土层中，掘进地层天然含水量平均值为45.4%， 隧道最小埋深9.13 m，最大埋深20.61 m。区间双线总长度为16 km，盾构管片采用1.2 m宽的通用管片，总计13 400环。实线部分为地上高架、地面路基、明挖区间部分。
图1 杭州至绍兴城际铁路方案示意
2.1 研究内容及目标
基于工程数字化与信息化技术，研究管片设计生产施工全过程管理的专项解决方案，利用Bentley Microstaion设计平台，建立全线盾构区间管片BIM模型，用于指导管片生产及盾构现场施工，为每块管片建立二维码身份证，建立数字资产与实体资产联系的纽带，对管片设计、生产、出厂、运输、进场、堆放、调度下井、拼装及验收全过程进行数字化、精细化管控，以满足管片资产全生命周期管理的要求。
2.2 重难点分析
盾构区间排版部分需要整合分析盾构区间周边环境、盾构设备等要素，以后形成较为合理的盾构排版数据用于指导生产及现场实施，杭绍线区间盾构隧道全线位于淤泥质黏土层中，掘进地层含水量高，自然环境较为复杂，时常需在现场条件发生变化的情况下及时快速重新计算排版。既需要形成比较可靠的排版用于指导生产及施工，也需要实现排版实时化，为应对现场变化。应对上述重难点，一方面在排版软件中考虑现场多方位情况，引入定量分析理念，力求排版软件能够适应现场多维度变化；
另一方面，集成定制排版成果输出成果，一键输出排版成果用于指导生产、储运及施工。
管片是承担隧道结构安全和防水功能的重要混凝土预制构件，已经在工厂内形成了标准的作业流程。传统的管片厂设立有专职的资料管理员，负责对管片的生产履历进行记录，这种记录多为事后补录，信息录入不及时且容易出错，另外，管片的水养和堆存信息也需要专人进行实时维护和更新。对于杭绍线项目的大型管片厂而言，上述数据录入和处理的工作十分繁重，当管片出现质量问题时，这种手工记录的方式也不利于快速定位。管片生产、储运、安装全过程管理部分需要实现全过程管理的平台化和集成化，应在一个数据平台上实现生产、储运、吊装、施工以及后期运维管理的全过程管控体系。因此，提出一种以二维码管理为轴线，以BIM模型为信息载体，以管片全生命周期管控为目标，充分考量各方实际应用场景及权责分工，打造全生命周期管控平台模块，制定与之相匹配的盾构管片管理办法，系统性地解决在管片生产储运施工过程中遇到的问题。
2.3 关键技术路线
技术路线描述由4部分组成，分别是PC端模型初始化、Web端信息初始化、移动端二维码跟踪管片、Web端操作与应用，见图2。
图2 管片设计生产施工全过程管理技术路线
(1)PC端模型初始化
PC端模型初始化，即进行盾构管片BIM模型创建，赋予模型属性信息后轻量化发布。
(2)Web端信息初始化
Web端信息初始化，即收集二维码跟踪管片的信息字段、字段的管理和维护等工作。
(3)移动端二维码管片跟踪
移动端二维码跟踪管片，即二维码线下跟踪管片的信息录入流程。
(4)Web端操作与应用
Web端操作与应用，即因线下条件受限需要在平台补录信息的过程和Web端对管片的全生命周期可视化管理。
3.1 系统架构
实现盾构管片全生命周期管理可分为3个层面，见图3。
图3 盾构管片全生命周期管理系统架构
(1)终端数据层
充分利用物联网技术和移动应用提高现场管控能力，通过传感器、摄像头、手机等终端设备，实现对盾构区间建设过程的实时监控、智能感知、数据采集和高效协同，提高作业现场的管理能力。
(2)平台层
各系统中处理的复杂业务，产生的大模型和大数据对服务器提供高性能的计算能力和低成本的海量数据存储能力产生了巨大需求。通过云平台进行高效计算、存储及提供服务。让项目参建各方更便捷的访问数据，协同工作，使得建造过程更加集约、灵活和高效。
(3)应用层
应用层核心内容应始终围绕提升盾构生产、养护、运输、拼装等过程要素的管控。
3.2 盾构管片BIM模型创建
利用Bentley Microstaion设计平台进行盾构管片参数化建模，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，(见图4)；
实现各种控制条件下(如偏差、优选点位)沿线路拟合优选排版设计、计算及建模(见图5)。
图4 单环管片参数化设计示意
图5 沿线路拟合优选排版设计计算及建模示意
排版完成的盾构管片模型将被批量赋予编码，编码由“标段+区间+管片编号+左/右线+管片类型+环号”组成，如某一管片编码可写为SG6-HJ1-00114-L-B1-50。赋予编码后，BIM模型将以轻量化模型的方式导入盾构管片全生命周期管理系统，用于二维码的申请生成、加工信息统计、管片状态动态拼接展示等。
3.3 管片生产施工全过程管理流程
管片生命周期中的状态包括生产中、运输中、修复中、已交付、已废弃、已拼装以及已验收，见图6。不考虑管片重复修补的情况，管片共有3条生命周期路线。
图6 管片生产施工全过程管理流程
(1)生产中-运输中-已交付-已拼装-已验收
该生命周期路线为常见情况，管片进场后施工方录入现场堆放信息；
管片下井前施工方录入组环信息；
待到管片拼装成功，由监理单位通过web端进行验收。
(2)生产中-运输中-修复中-已废弃
管片运输过程中可能会发生磕碰、断裂等意外情况，这些管片进场时会被施工方定位为不合格，扫码后录入管片不合格信息，然后返厂交回给管片厂，若判定为不可修补，即将管片设置为已废弃状态。
(3)生产中-运输中-修复中-运输中-已交付-已拼装-已验收
该过程可等同于上述两个过程的结合，唯一不同的是，修复中的管片进入管片厂之后被认定为可以修补，由管片厂修补后重新将管片置为运输中的状态，再次等待施工单位的检测。
3.4 管片生产施工全过程管理系统
基于模型的预制件(管片)管理业务功能，主要针对管片生产加工、运输吊装、拼装、验收等全过程信息进行精细化管控，采用二维码作为线下信息采集载体，将线下管片实时数据存储至数据库，为后续运营提供丰富的管片生命信息，对数据进行统计分析可有效指导管片生产和协调，降低管片废弃率从而减少成本损耗；
同时通过二维码所记载信息与管片环模型的属性进行唯一识别形成关联关系，实时更新现场管片拼装进度，为建设单位提供现场实时资料，有效把控管片拼装进度。
(1)管片信息模块
管片信息模块整合了二维码申请、管片信息查询以及组环信息查询功能(见图7)。该部分功能易于操作，逻辑简单易懂。模块提供了管片身份信息的初始化以及管片、组环信息查看功能，有助于用户对自己标段的管片、组环情况的了解。处于废弃状态的管片，考虑到是管片实物质量问题，而设计模型无误，故将保留其管片编码，废弃其过程信息，管片模型无需操作，只需在平台中重新生成二维码，即可用于后续过程操作。
图7 管片生命周期查询页面
(2)管片跟踪模块
管片跟踪功能整合了生产信息、进场信息、组环信息以及验收信息。管片跟踪功能除了能完成各状态管片信息查询功能，还配合移动端完善了管片的生命周期管理功能。通过点击查看按钮查看组环信息，可以展示组环验收人、管片间隙、拼装点位、轴线等信息，见图8。
图8 组环详情展示页面
(3)统计分析
通过统计分析页面可查看管片的统计信息，展示内容包含管片的总量以及分布于各个状态下的管片数量，见图9。
图9 系统统计分析页面
若管片不合格，通过数据统计功能也可以看到废弃和修复的管片信息。
由于各标段独立进行施工，各个标段施工进度不尽相同，为了统计各标段管片使用情况以反映施工进度，统计分析提供标段管片总数以及管片拼装数量统计对比等功能。
(4)移动APP
移动端包括管片管理和批量扫描功能。通过扫描管片二维码，系统会根据管片状态以及用户信息判断对当前管片的操作权限，仅具备“查看”权限的用户不可获取上传、提交与编辑操作。移动端用户界面见图10。
图10 移动端用户界面
依托杭州至绍兴城际铁路工程，盾构管片全生命周期管理系统运用二维码作为线下信息采集载体，将线下管片实时数据存储至数据库，对数据进行统计分析有效指导管片生产和协调，降低管片废弃率从而减少成本损耗，通过折算成减少的人工、材料及设备使用率/量，减少了盾构区间土建造价的1%；
同时通过二维码所记载信息与管片环模型的属性进行唯一识别形成关联关系，实时更新现场管片拼装进度，为建设单位提供现场实时资料，有效把控管片拼装进度，人工日计划达成率提高5%以上。
研究关于盾构管片全生命周期管理的专项解决方案，提出了基于“BIM+二维码”的管片设计生产施工全过程管理，构建了盾构专项设计与施工全过程管控的技术平台，并将研究成果应用于杭绍线盾构管片生产与施工全过程，实现了管片出厂、运输、进场、堆放、调度下井、拼装及验收全过程管控，降低了工程成本，加强了对工程进度、质量、安全、成本的全面管控和精细化管理。在项目建设期结束后，通过数字化移交的手段将盾构管片所有信息和数据植入运维管理平台，为项目运维阶段提供无损、丰富的有效数据，包括原管片施工质量、病害监测数据、养护记录、服役状态等，从而打通盾构管片的生产到运维全生命周期，为管片运维期间确定巡检的频次、强度以及巡检重点部位等常规运维决策提供数据依托，通过对特定管片追根溯源，从而为管片漏水、破损等紧急事故的应对方案提供数据支撑。
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