数字化管控平台在过海隧道项目的应用.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:中国中铁股份有限公司重点科研项目()作者简介:王学楷()男高级工程师学士主要从事安全质量管理等方面的研究:.通讯作者:冯慧君()男正高级工程师博士主要从事地铁施工管理和技术等方面的研究:.:./.工程智能建造专栏数字化管控平台在过海隧道项目的应用王学楷冯慧君(中铁(上海)投资有限公司上海)摘要:青岛市地铁 号线工程是山东省新旧动能转换重点项目其中大洋站青岛北站区间海底隧道是国内第一条同时采用泥水盾构、矿山法全断面隧道掘进机 施工的海底隧道最大埋深为 其地质条件和建筑结构复杂、施工作业面多、施工工法多样、安全风险大 在项目管理中需要对现场施工内容、资源配置、进度计划、人员安排、安全隐患等诸多方面进行大量的沟通协调但因人员配置不完善、信息沟通不及时、设备监控不严格等原因极易引发项目进度、安全和质量问题 文章基于自主研发的“三维地理信息系统 建筑信息模型”项目信息管控平台结合青岛地铁 号线施工中的工程管理数据利用数据集成、实时监控、模拟分析、虚拟建造等模式以数字化、信息化和可视化的方式提升了项目建设管理水平顺应了工程信息化发展的需要革新了施工管理行为模式和管理模式可为类似工程的信息化应用提供借鉴关键词:过海隧道 平台研发信息化应用中图分类号:.文献标识码:文章编号:()().):.“()()”.:第 期 王学楷等:数字化管控平台在过海隧道项目的应用 引言城市轨道交通项目由于规模大、施工跨度长、技术标准高、涉及专业多、建设周期较长、参建人员多等原因容易产生工程项目管理难度大及效率低等问题 为了减少地铁施工的安全事故有必要建立一个更加高效的高科技集成管理系统全面、系统、现代 化 地 管 理 地 铁 项 目 即 以 建 筑 信 息 模 型()作为核心的安全管理模式 在建筑、水电等行业的应用较为成熟而在轨道交通行业的应用尚处起步阶段 在轨道交通工程中通过三维地理信息系统()再现和管理区域内三维场景实现地铁全线路的项目统筹、综合规划和决策辅助 由于 系统基于的是空间地理数据库具有管理和显示海量地理信息的先天优势但对建构筑物细节的显示却存在不足而 技术则具有管理和显示建构筑物细节信息的特点充分利用和集成 和 的各自优势使轨道交通建设管理更加数字化、可视化和精细化基于 和 数字化管理平台国内已经研究开发了一些工程项目管理的信息化平台和系统:范登科等利用国际互操作性联盟()组织制定的 框架核 心 工 业 基 础 类 标 准()、开放地理空间协会()组织制定的 框架核心三维模型数 据 存 储 标 准 架 构()和 应 用 领 域 扩 展()机制实现以数据格式转换为核心的 模型跨 平台集成方法并在哈尔滨北站、杭州南站新建站等铁路工程 设计项目中开展了应用吕慧玲等分析了 数据模型与 模型中所有的建筑构件类型及其关联的语义信息分别建立 数据模型到 各层级的映射模型提出了一种从 模型到多层次细节 模型的完整转换方法宋学峰提出以 和 的深度集成应用技术为核心解决不同系统之间的数据信息格式的相互转换问题实现数据交互与信息共享信息管理模式是保障智慧城市地下管网科学、高效、安全运行的有效模式张敏杰提出建立基于 和 的动态总体规划管理平台形成涵盖建筑建设全过程主要决策信息的动态管理系统为实现在多元投资主体、多主体设计、设计、监督管理及超大型项目群体环境下高品质的建设管理奠定基础基于上述研究文章利用日益成熟的 技术基于 的数据基础结合青岛地铁 号线施工中的工程管理数据利用数据集成、实时监控、模拟分析、虚拟建造等模式以数字化、信息化和可视化的方式提升项目建设管理水平达到现场规范化施工、风险管理可控及安全施工的目的为类似工程的信息化应用提供借鉴 工程概况青岛市地铁 号线是青岛市轨道交通建设的重点工程是山东省新旧动能转换首批重点项目其关键控制性工程大洋站青岛北站区间(以下简称过海隧道项目)线路全长约为.穿越胶州湾海域宽度约为.设有施工斜井 座、通风竖井 座、泵站 处是目前国内最长的过海地铁隧道由于地质极其复杂经反复论证确定采用“盾构法矿山法”两端相向施工东侧过海段.处采用泥水盾构法施工西侧过海段.处采用矿山法双模式 平导辅助施工 以加快施工进度 海底隧道项目地质条件复杂安全风险高 项目管理中需要对施工内容、计划进度、人员设备安排、安全隐患等诸多方面进行大量的沟通联系可能会造成因为人员配置不完善、信息沟通不及时、设备监控不严格等原因发生进度、安全与质量问题 通过“项目信息管控平台”的研发逐步实现“远程管理、规范管理”的目标提高现场施工进度和规范安全质量管理 施工数字化管控.数字化管控目标传统项目信息管理存在的问题有:()项目管理体系以 循环为基础未将各管理对象的数据相互利用作为关注点往往导致数据之间互用性差()缺少以三维为主的数据展示方式无法满足不同专业不同层次管理者的应用需求()管控实施的数据基础薄弱常由于数据错漏导致决策失误因此以、技术为主的数字化管控应实现以下目标:()实现项目信息管理 通过智慧工地建设与 山 东 建 筑 大 学 学 报 年信息化技术应用等手段收集、处理、存储、传递、应用、移交项目实施过程中涉及的各种情报、资料为决策提供科学依据将施工过程的重要管理资料、竣工验收资料、重要设备数据与各阶段 模型相关联通过统一的数据分类、编码体系、存储标准实现施工项目过程数字资产移交同时维护项目安全、质量、进度关键信息保证信息的真实、及时和有效()提升管理沟通效率 利用三维数据集成和展示形成用于各参与单位沟通交流的可视化工具有效提升沟通效率和决策质量建立全生命周期 并集成整个建设阶段进度质量、工程变更、安全责任、作业人员、质检报告以及施工过程等资料提高管理效率降低管理难度()减少变更优化成本 通过地质模型、周边环境、工程 的集成提前发现潜在的设计缺陷、施工风险、管控难点减少施工变更实现不同变更方案的成本变化估算提高变更决策效率节约建设投资和施工成本有效控制投资风险()实现目标动态控制 施工项目实施过程是涉及目标分解、确定计划、执行跟踪、实际检查、偏差分析与目标调整的工作循环 用项目信息管理中收集的项目管控信息数据(包括现场采集数据)进行施工质量、进度、安全、成本的监控及时发现并解决相关问题保证工程项目目标实现 结合现场数据进行施工模拟提前预知工程情况可有效发现存在问题改进设计质量优化施工组织方案()避免信息重复录入 通过开放接口、数据抓取等方式实现与已有信息系统之间的数据传递减少施工现场日常数据多次填报、重复录入的情况开发相应的数据采集与录入工具优化数据录入模式简化录入操作增强录入数据的可用性.施工信息要素施工与管理人员的施工活动需要大量的施工信息支持这些信息在被加工处理后形成特定形式的数据成为建筑施工管控要素的呈现载体项目管控要素包括项目的组织结构、业务职能、资金流、物资流以及外在环境相互关联形成整体为决策者控制项目实施过程提供依据 根据建筑施工项目主要生产要素和实际管理需求借鉴质量管理五要素体系可将项目管控要素信息划分为测量信息、环境信息、人员信息、物料信息、机具信息、技术信息与拟建物信息如图 所示图 施工信息要素分类.管控平台研发及关键技术.管控平台研发基于施工信息要素搭建项目信息管控平台大致可分为数据集成、平台搭建、管控实施 个方面()数据集成 以 数据与倾斜摄影模拟周边环境建立地质模型反应地勘情况根据场地布置图建立施工场地 模型根据施工图设计并建立 模型通过上述数据的集成与融合以及在构件中附加设计资料、技术文档、施工照片等数据共同形成标准统一的三维施工信息模型通过录入进度填报记录、抓取施工监测数据、导入项目管理资料、设定超前地质预报与施工危险源等形成施工基础数据库再集成海底隧道项目中已接入的视频监控系统、人员定位系统、盾构机监测系统数据补充实时的施工动态数据最终建立供各参与方共享的施工信息数据库以达到数据的交互应用 第 期 王学楷等:数字化管控平台在过海隧道项目的应用 ()平台开发 在施工信息数据库的基础上梳理数据相互应用关系解决各数据间分析与展示的问题基于成熟的三维显示引擎开发基于 技术的施工信息管控系统平台从信息快速查看、数据整合分析、多维度信息呈现等方面为项目管控提供平台与工具支撑()管控实施 基于 项目信息管控平台进行项目管控即利用信息技术辅助项目数据收集、处理和展示过程主要目的为减少沟通难度增加数据获取效率具体功能如图 所示图 信息管控平台功能分类图.技术路线基于“一条管理线、一张监管网、一个数据库”指导原则构建 数字化项目管控平台以 和 数据为基础利用底层引擎的三维显示和数据承载能力以轨道交通工程施工总包管理需求为例建立数字孪生模型与应用平台 利用物联网传感器等信息技术实现对施工现场人员、机械、物料运转过程的实时掌控通过对数据相互关系的整合应用建立多源异构数据集合进行工程管理过程的模拟与仿真指导管理决策减少管理人员现场查看投入时间 管控平台研发的技术路线如图 所示图 管控平台研究技术路线图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年.三维模型轻量化轨道交通工程项目的 模型对象具有特殊性、复杂性、异面多等特点满足应用需求的 模型信息数据量大内存占用比较大因此需要对三维模型进行轻量化处理平衡显示效果与加载速度文章模型轻量化的整体技术路线如图 所示分为数据提取、压缩传递、模型渲染几个部分其中模型几何数据提取主要基于导出插件实现采用三角面优化对 模型与三维场景轻量化通过减面处理来降低 模型的数据量利用三维引擎的瓦片化工具处理 数据数据传递通过 压缩保障效率实现优化后的模型及时向服务器数据库传递渲染采用多细节层次()技术优化 数据并根据工程项目的工作分解结构 拆分 模型将原来的 模型按照工作分解结构()中的节点进行拆分减少平台在不需要加载整体 模型时根据选择的 节点加载对应的模型减少内存与加载时间消耗图 模型轻量化技术路线图 管控平台应用实施项目建立了青岛地铁 号线大洋站、大青区间、青岛北站车站、区间隧道及场地设施模型包括附属设施与临时设施模型达到施工图精度 同时采集车站与区间周边 数据建立地质数据模型区间地理信息采集、处理、地质模型建模采用.遥感影像按 计场地周边既有建筑建模按.计算.碰撞检查基于 三维模型开展碰撞检查与设计优化工作有效减少了设计成果“错、漏、碰、缺”等问题对青岛地铁 号线大洋站及青岛北站管道密集区域进行综合排布建模设计提前发现施工现场存在的碰撞和冲突减少了设计变更及工程施工成本提高了设计效率、设计质量以及施工现场的工作效率大洋站模型碰撞检查如图 所示.场地模拟与优化施工现场临建设施是为工程建设服务的布置是否合理将影响到施工的安全和生产效率临时设施布置仿真模拟可以帮助施工单位准确估算所需要的资源评估临建设施的安全性 青岛地铁 号线大青区间过海隧道施工临建设施多依靠传统二维 对现场的大临、道路、龙门吊等进行布置不仅效率低而且由于场地大小及周边环境影响造成场地布置不能满足现场实际施工需要 项目结合 技术对现场的道路、生产设施、管片堆场、龙门吊等现场设施设备进行合理的布置(如图 所示)模拟大型设备(如 起重吊车)进场作业与周边环境进行适应性比对通过漫游模拟提前反应场地布置问题从而实现场地布置调整及优化更贴切于现场的施工生产提高设备作业效率提升了过海隧道项目现场的安全管理水平.地质风险隐患管理对于施工中出现的安全质量问题现场很难做到事前预防、提前预警、及时发现过海隧道项目需要穿越 条断裂带根据地质详勘资料建立三维地质模型将风险较高的地段进行标识利用三维模型直观显示沿线隧道穿越风险隐患的具体情况施工过程可以根据地质条件及时进行工法转换合理调整支护参数确保施工安全如图 所示 第 期 王学楷等:数字化管控平台在过海隧道项目的应用 图 大洋站模型碰撞检查图图 场地布置模拟与优化图图 地质风险隐患管理图.施工进度管理在项目进度管理过程中存在问题有:()由于对项目实际进度掌握不全面、计划不合理常常导致资金计划、供货商材料供应计划与施工进度、实际发生成本不匹配()由于建设项目工期较长、数据量大、收集复杂且收集速度较慢常规方法不能及时收集和处理施工过程中的大量数据信息导致成本分析困难、效率低不能及时采取有效措施控制成本利用 结构化优势对过海隧道项目单位工程做 分解建立与时间维度之间的相互关系附加生产组织关系 根据项目总体工筹计划编制年、季、月计划及重要节点计划开展三维施工进度管理实现工筹、年计划、月计划与实际进度对比分析与模拟快速统计分析计划实物量与已完工程量、产值、成本并生成报表达到对成本的准确掌握 实现对施工进度的查看分析、关键节点预警、工效预警与数据统计分析 解决了以往项目管理中数据收集量大、进度计划可实施性差、进度报表虚瞒等问题提升了对过海隧道项目施工进度的管理水平施工进度管理模拟对比如图 所示图 施工进度管理模拟对比图.监控量测管理监控量测数据关系到施工安全利用信息管控平台进行过海隧道项目施工范围三维监测点位置、环境监测、沉降变形等监测数据与曲线图查看与分析实现对多测点的数据对比空间关系多数据查询利用监测结果数据来指导施工如图 所示 利用平台的录入预警、实时报警与二次预警等功能确保监测点安全隐患信息及时获取提高施工安全可控程度 录入预警是指在数据日常录入过程中系统自动检查当次已录入数据对于不合理数据作出判断与提示便于用户及时修改减少错录导致的返 山 东 建 筑 大 学 学 报 年工实时报警指对超过预警值或控制值的数据进行预警提示以便能够及时了解现场实际情况二次预警是指在红色预警或二次预警处理完成后如果再次发生预警采用的特殊处理方式图 信息管控平台监控量测管理图.人员和设备定位管理过海隧道矿山法独头开挖深度为.施工机械设备、人员众多施工风险高因此必须加强人员和车辆的安全管理 在施工过程中管理机械车辆更好地掌握车辆位置信息及时调度车辆实现车辆会车提前预警避免现场拥堵对施工人员进行定位管理可及时掌握人员位置信息确保人员的安全 定位管理模块由区域划设管理、进出区域判定、信息显示、运动轨迹显示、实时统计、应急数据 部分组成区域划设管理分割车辆人员定位覆盖区域区分施工区域、生活区域等用于统计各位置的设备、人员实现对作业工点车辆和人员的精确统计进出区域判定功能对车辆人员进入区域或离开区域进行判断并记录相应时间戳信息显示是通过 平台上的信息联动在三维图上呈现车辆人员具体方位车辆定位系统显示如图 所示 点击相应标签即可获得相关车辆人员的具体信息包括车辆位置、车牌号、车辆状态人员信息包括人员姓名、年龄、照片、工号及联系方式人员车辆运动轨迹显示通过坐标信息可以查看车辆和人员运动轨迹包括实时轨迹和历史轨迹实时轨迹直接在三维图上呈现当前车辆人员的运动轨迹即通过选择起止时间可获得车辆人员的历史轨迹并将其呈现在三维图上应急数据功能可以在遇到应急情况时快速统计各区域内车辆人员详情并了解掌握在危险区域中的车辆、人数并及时采取紧急应对措施实现车辆人员的快速撤离通过对过海隧道项目现场车辆与作业人员的定位管理及时反馈现场施工动态实时展示车辆在隧道的运行轨迹实现精准调度避免现场拥堵提高过海隧道施工作业效率 根据现场车辆人员位置信息提升了现场车辆人员安全管理水平图 车辆定位系统显示图 第 期 王学楷等:数字化管控平台在过海隧道项目的应用 .视频监控安全管理通过 技术建模模拟过海隧道全过程分解整个施工过程使项目管理人员能清楚每一步施工流程管理过程思路更加清晰能够及时发现问题做到开工前的风险进行辨识和事前的有效控制 端提供现场视频监控摄像头位置与 模型的挂接功能管理人员可以实时监控现场施工情况视频监控系统显示如图 所示 提供动态可视化施工空间该空间随着工程进展会不断地变化通过可视化模拟工作人员施工状况可以形象地显示施工工作面、施工机械状态并评估其安全性过海隧道项目通过将施工现场视频监控和 模拟联动结合及时反映现场施工生产情况方便管理者及时发现现场不安全的因素和状态及时采取措施消除风险源实现动态安全施工图 视频监控系统显示图.盾构机掘进管理盾构机管理模块可以显示盾构机的工作状态包括当前位置、盾构姿态、掘进系统中的掘进速度与掘进压力铰接系统中的铰接位移与铰接压力、刀盘土压力、管片环号、统计分析、风险预警等(盾构掘进管理系统显示如图 所示)系统接入了过海隧道项目大青区间超前导洞、大青区间盾构机盾构类型包括土压平衡及泥水盾构盾构型号包括、盾构位置功能实时展示盾构机的位置、计划掘进路线和实际掘进路线查看盾构机的掘进状态运行参数实时显示盾构在掘进过程中的参数包括当前掘进里程、掘进环、总环数、掘进速度掘进压力、铰接系统等参数 盾构姿态功能实时监视盾构机位置偏差展示详情包括俯仰角、滚动角、导向系统、水平与垂直偏差等 统计分析功能实时显示盾构机在掘进过程中各类材料消耗包括泡沫原液、泡沫工业水、泡沫混合液、密封油脂、润滑油脂、盾尾密封、膨润土等风险预警功能及时提示风险源包括掘进速度、掘进状态、重大风险源提示重大风险源包括超前地质预报与破碎带提示并通过预设的盾构机路线可以在三维地图上展示盾构机的实际与计划进度路线图 盾构掘进管理系统显示图 结语青岛市地铁 号线“项目信息管控平台”的研发和应用主要解决了项目管理者对管理数据的快速获取、分析和决策支持难题 利用日益成熟的 技术基于 的数据基础结合施工中的工程管理数据形成可供项目各管理阶段查询的数据载体并针对进度、资料、安全、数据查询等方面开发了具体的功能模块 结合平台进行施工过程管控减少项目管理时间成本减少工作安排和现场沟通的难度 统一数据管理加快信息传递进行技术资料和安全施工标准化信息共享提高工作效率提升了整个项目管理水平 项目管控实现了“一个数据库、一张监管网、一条管理线”并取得了良好的经济和社会效益该平台实现了 的集成应用对过海隧道项目进行了场地优化设计减少了工作安排与现场沟通的难度通过监测预警 次预判施工风险 次确保了施工安全进行进度优化和安全管理缩短工期 节约建设成本.万元节约项目管理成本.万元进行安全标准化信息共享提高了工作效率同时该平台以地铁工程建设安全管理为目标以标准化、规范化管理为抓手以 为主要技术框架节省了建设管理成本顺应了工程信息化发展的需要形成了特色的规范化的操作管理体系革新了施工管理行为模式和管理模式提高了施工管理水平为类似工程提供了重要借鉴 在施工领域的应用有利于工程建设项目精细化管理水平提高 青岛地铁 号线大青区间过海隧道已经在 年 月 日顺利实现贯通 山 东 建 筑 大 学 学 报 年参考文献:毕湘利.技术在上海轨道交通工程中的应用.交通与运输():.闫立忠.技术标准在青连铁路四电工程中的应用.山东建筑大学学报():.戴林发宝.隧道工程 应用现状与存在问题综述.铁道标准设计():.邓波李云程广仁.技术在施工企业中应用方式的探究.山东建筑大学学报():.杨书生.信息化协同管理系统在济青高铁项目中的应用.山东建筑大学学报():.王潇潇姬付全卢海军等.虚拟技术在铁路隧道施工管理中的应用.隧道建设():.翟超贺灵童.技术助力工程项目精细化管理.测绘科学.():.徐骏李安洪刘厚强等.在铁路行业的应用及其风险分析.铁道工程学报():.吴清平时伟戚铧钟等.超大深基坑 施工全过程模拟与分析研究.工程建设():.岳荷.基于 协作平台的工程监理信息管理研究.兰州交通大学学报():.李方雨.基于 的市政工程施工进度管理研究.绿色环保建材():.范登科韩祖杰李华良等.面向铁路信息化建设的 与 融合标准与技术研究.铁路技术创新():.吕慧玲李佩瑶汤圣君等.模型到多细节层次 模型转换方法.地理信息世界():.宋学峰.以 和 深度集成应用技术为核心的城市地下管网信息管理模式探讨.土木建筑工程信息技术():.张敏杰.基于 和 的动态总体规划管理平台应用研究.绿色建筑():.王中琴.建筑工程管理应用 技术的效率提高方法分析.信息记录材料():.刘晓逸苗凤敏.技术在施工项目管理中应用研究.价值工程():.包毅.在建筑工程管理中的应用研究.江西建材():.程建华王辉.项目管理中 技术的应用与推广.商业经济():.路耀邦高军伟刘东亮.技术在地铁暗挖车站施工中的应用.施工技术():.李多贵.在地铁工程的应用初探.工程质量():.张为和.基于 的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究.铁道标准设计():.尹龙王启光路耀邦.基于 技术的仿真模拟在地铁暗挖隧道施工中的应用.土木建筑工程信息技术():.柯尉.技术在地铁车站工程中的应用初探.铁道勘测与设计():.秦振烨.建筑施工安全管理中 技术的应用探讨.山西建筑():.(学科责编:赵成龙)(上接第 页)王雅慧.基于精细化管理的房地产项目施工阶段成本动态控制研究.南宁:广西大学.谭毅飞.计算机视觉与传感技术下全新劳务计酬模式探究.山西建筑 ():.谢存仁 徐峰 阮敏浩.基于 与遗传算法的建筑工程施工进度多目标优化研究.工程管理学报 ():.原媛 谢开云 吴双飞.基于 技术的高桩码头施工进度优化.水运工程():.鲁振川.基于计算机视觉的建筑工程形象进度识别方法研究.武汉:华中科技大学.何敏杰 徐立丰 王强强 等.基于模糊算法的施工进度动态分析模型与进度预警机制.土木工程与管理学报():.:.():.:.:.:.李佩琪 綦春明 韦春昌 等.基于 和物联网技术的建筑项目智慧工地施工安全管理的研究.项目管理技术():.闫海生.城市轨道交通工程基于 定位的人机防碰撞技术研究.机械与电子 ():.何光辉.基于随机游走算法的建筑工地人员施工通道安全优化设计.建筑施工 ():.(学科责编:赵成龙)