BIM技术在隧道与地下空间技术中的应用

 

建筑、工程和建筑（AEC）行业正在经历一场由蓬勃发展的数字化和自动化驱动的技术革命。信息技术和计算机科学研究领域的进展，如建筑信息建模（BIM）、机器学习和计算机视觉，因其有用的应用而越来越受到关注。与此同时，人口驱动的地下发展加快，数字化转型成为战略当务之急。城市地下框架结构是宝贵的资产，因此需要有效的规划、建设和维护。BIM、机器学习和计算机视觉在地下施工中的应用，在提高地下施工过程和子系统的可视性和可靠性的同时，代表了其在地上施工中的不同机遇和挑战。因此，本文旨在介绍BIM、机器学习、计算机视觉及其相关技术的最新发展和未来趋势，以促进隧道施工和地下施工的数字化转型。第1节介绍了采用这些技术的全球需求。第2节介绍了相关的术语、标准和基本原理。第3节回顾了传统隧道施工和机械化隧道施工中的BIM，并强调了将三维地质建模和地理信息系统（GIS）数据库与BIM相结合的重要性。第4节考察了机器学习和计算机视觉在地下施工不同阶段的关键应用。第5节讨论了利用这些新兴技术在整个地下项目生命周期内升级数字化、自动化和信息集成的现有研究的挑战和前景。第6节总结了当前的发展状况、确定的差距和未来的方向。

 

 

 

 

 

 

 

地下地铁站作为缓解过度拥挤的城市表面交通拥堵的重要大型基础设施，应进行彻底的设计、建设和维护。建筑信息建模（BIM）越来越多地用于项目设计创作、施工监控和运营管理，以促进数字工程的发展。运用数值模拟技术进行岩土工程设计是地下工程建设不可或缺的过程。这些采用异构应用程序的跨学科流程尚未以有效的方式进行协调，因此改进的互操作性可以简化流程并优化工程设计。本文提出了对开放式BIM数据交换的主要标准——工业基础类（IFC）的扩展，以促进BIM在地下基础设施设计、施工和管理中的广泛应用。然后，引入了多细节层次（LOD）地铁站BIM模型，以表示不同应用场景所需的不同几何和语义层次的信息。最后，我们提出了一种以启发式技术为基础的工作流程，作为一种中间解决方案，以增强BIM创作工具和岩土工程分析数值建模程序之间的互操作性，并以墨尔本国家图书馆站为例说明了该工作流程。所提出的工作流程提供了一种自动化的、无错误的、从设计到设计的解决方案，因此能够在岩土建模软件采用IFC之前有效地探索设计方案和进行施工优化。

 

 

 

 

 

 

随着地下越来越多地用于容纳基础设施和交通网络，项目整个生命周期的建设可持续性越来越受到关注。具体而言，为了实现脱碳目标，在早期设计和施工阶段有两种策略：优化材料使用和使用低碳材料进行设计，以实现智能建筑；利用低碳建筑技术，最大限度地减少浪费，以提高建筑效率。考虑环境影响和施工可行性的综合解决方案变得越来越重要。本文结合了建筑信息建模（BIM）来评估温室气体（GHG）排放和建筑实用性，同时实现设计调整。实现了一种具有可变几何形状的地下车站自适应设计的解决方案，该解决方案共同探索了碳核算和建筑可行性。在新兴的现代设计和模块化施工方法下，开发了一个多细节层次（多LoD）预制站来验证所提出的框架。我们专注于根据EN 15978:2011计算预制站在产品和施工阶段的内含碳。然后，通过可视化编程在BIM中进行数据/参数分配和处理，实现模型中所有元素的自动数量提取。通过五个固定宽度的参数自适应来比较成分对碳排放的贡献比例。改变钢筋比例对碳足迹的影响最大。进一步评估了两个用例的建设可行性，并调查了大规模地铁网络扩展集成解决方案的有益潜力。第一个案例验证了多LoD BIM模型与已知地面条件下施工阶段车站的数值建模之间的互操作性。第二个案例展示了基于BIM的现场施工模拟，并为规划地铁线路上的一个车站选择了碳解决方案。本文探讨了信息建模的实施，并增强了可持续地下基础设施规划和建设的互操作性。

 

 

 

 

 

 

最近，建筑信息建模（BIM）设计方法已进入基础设施领域，赋予I-BIM生命，即基础设施的BIM，包括隧道等岩土地下工程。在这个框架中，本文展示了基于BIM的地下线路设计方法在岩土工程领域的应用。这是一条采用传统方法开挖的隧道，目前正在施工中。该项目在中央BIM模型中定义了一个详细的隧道结构模型，该模型与地质岩土信息相结合，用于定义底土三维模型。一旦完全定义了所研究隧道段的BIM模型，就将其导入有限元模型中进行变形分析。因此，利用BIM到FEM到BIM的互操作性来验证BIM方法在岩土基础设施应用领域的成熟度。最后，BIM第四维度（4D）也在中心模型中实现，用于隧道开挖过程的时间管理，与数值模型同步。本工作中提出的基于BIM的程序可以被视为隧道I-BIM技术文献中的一个案例研究，证明了其局限性和优势：I）基础设施领域尚未实现高水平的BIM成熟度；ii）BIM到FEM的互操作性似乎并不完全有效，许多操作仍然需要手动干预；iii）FEM到BIM的互操作性将所有岩土工程选择和假设带回中央BIM模型，将模型连接到一个连续的互操作电路中；iv）民用基础设施设计的一个重要部分是解决岩土问题，因此，将地面条件和岩土数据纳入BIM模型可以提高模型的质量和实用性，不仅在设计阶段，而且在基础设施的施工和生命周期管理期间，作为决策过程的支持，尤其是在城市环境中。

 

 

 

 

 

地下公用工程隧道对于人口密度和建筑数量都很高的城市地区至关重要，因为它们可以极大地提高土地资源的利用率。然而，由于缺乏有效的信息技术来促进公用工程隧道的运营和维护，此类地下隧道的运营与维护是乏味和具有挑战性的。尽管建筑信息建模（BIM）技术被认为可以提供一种改变游戏规则的解决方案，以应对AEC行业中遇到的挑战，但在现有文献中，很少探索使用BIM高效运营和管理公用设施。为了解决这一差距，本研究提出了一种新的框架，以在BIM的支持下促进公用工程隧道的可持续运营和维护。具体来说，该框架包括三个模块，即BIM模型、运维数据库和监控系统。本文详细描述了所提出的框架的每个组件，以及初步的用户界面设计。给出了一个实施实例，对所提出的框架进行了验证。初步结果表明，所提出的框架在促进公用工程隧道的信息集成和通信方面是可行的。本研究提出了一个通用的BIM框架，用于公用工程隧道的可持续运营和维护，并正式化了数据要求以及公用工程隧道运营和维护的管理工作流程，从而为知识的主体做出了贡献。