BIM虛擬技術在鐵路隧道施工管理中的應用

王瀟瀟， 姬付全， 盧海軍， 陳富強， 陳培帥

(1. 中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武漢　430012；

2. 中交第二航務工程局有限公司技術中心， 湖北 武漢　430040)

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BIM虛擬技術在鐵路隧道施工管理中的應用

王瀟瀟1， 姬付全2， 盧海軍1， 陳富強2， 陳培帥2

(1. 中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武漢430012；

2. 中交第二航務工程局有限公司技術中心， 湖北 武漢430040)

摘要：針對鐵路礦山法隧道施工中的進度和技術管理現(xiàn)狀，利用建筑信息模型(BIM)可視化技術，研究面向工程結構化對象的施工BIM模型創(chuàng)建方法，包括結構化的構件命名規(guī)則和建模精度要求，同時探索施工技術方案的3D模型可視化設計的方法及優(yōu)勢。利用BIM虛擬仿真技術，研究施工方案的4D模型虛擬施工推演及優(yōu)化的方法和流程。最后，建立基于BIM軟件的自動核算階段工程量的方法和流程。依托項目進行具體的技術和方案示范，結果表明，BIM虛擬技術有益于提高隧道施工進度和技術管理水平，提供施工組織設計和項目管理決策的可視化技術手段。

關鍵詞：建筑信息模型(BIM)； 礦山法隧道； 4D虛擬施工； 可視化交底； 工程量核算

0引言

鐵路隧道施工是高度動態(tài)的過程，尤其是礦山法施工的復合式襯砌隧道作業(yè)面多、工序轉換復雜、交錯施工，對現(xiàn)場進度管理、工程量核算、技術交底質(zhì)量要求高。目前現(xiàn)場進度管理的技術手段相對落后，仍多采用二維的橫道圖展示形象進度，無法真實呈現(xiàn)現(xiàn)場施工工序的空間關系，難以準確表達多個作業(yè)面的施工動態(tài)過程。同時，現(xiàn)場技術交底一般是用二維CAD圖紙，現(xiàn)場施工人員的識圖能力參差不齊，現(xiàn)場技術交底困難。

BIM可視化虛擬仿真技術，是以三維可視化數(shù)字模型為基礎，利用數(shù)字仿真，模擬模型的三維幾何信息和非幾何信息(如進度、材質(zhì)、體量)[1]。通過創(chuàng)建面向工程結構化對象的施工建筑信息模型(BIM)，可視化展示工程結構的體量以及施工方案難點。同時模型中加入時間維度，模擬施工工序，實現(xiàn)工程虛擬施工[2-3]?；贐IM的可視化虛擬仿真技術，為隧道施工創(chuàng)新發(fā)展提供了突破口。

本文將研究施工BIM創(chuàng)建方法，技術方案的3D模型可視化設計方法，施工方案的4D模型虛擬施工推演及優(yōu)化的方法和流程，以及利用BIM模型自動核算階段工程量的方法和流程，以輔助施工組織設計和項目管理決策。

1隧道施工BIM模型創(chuàng)建

根據(jù)鐵路礦山法施工的復合式襯砌隧道結構設計及施工方法、工序等，開發(fā)面向?qū)ο蟮乃淼朗┕IM模型構件庫。所謂面向?qū)ο蟮慕７椒╗4]，即按照隧道結構空間關系，劃分不同的構件，定義構件的空間形狀和信息屬性，最后通過組裝構件形成模型。隧道施工BIM模型如圖1所示。

圖1　隧道施工BIM模型

復合式襯砌隧道BIM模型的構件可劃分為超前支護、初期支護、二次襯砌、仰拱填充、防排水、溝槽等6大類別。模型構件命名規(guī)則使用“構件類別+構件類型(圍巖級別、襯砌類型)”。隧道圍巖級別劃分為Ⅰ—Ⅵ 6個等級，在每一圍巖級別下，又劃分為不同的襯砌類型，以英文字母表達。限于篇幅，定義了Ⅴ級圍巖和a、b襯砌類型的構件命名示例，如表1所示。

表1復合式襯砌隧道BIM模型構件命名

Table 1Components of BIM model of composite tunnel lining structure

構件類別 構件類型命名示例1命名示例2超前支護超前小導管超前小導管-Ⅴa超前小導管-Ⅴb管棚管棚-Va管棚-Vb初期支護噴射混凝土噴射混凝土-Ⅴa噴射混凝土-Ⅴb中空錨桿中空錨桿-Ⅴa中空錨桿-Ⅴb砂漿錨桿砂漿錨桿-Ⅴa砂漿錨桿-Ⅴb鋼筋網(wǎng)鋼筋網(wǎng)-Ⅴa鋼筋網(wǎng)-Ⅴb型鋼鋼架型鋼鋼架-Ⅴa型鋼鋼架-Ⅴb格柵鋼架格柵鋼架-Ⅲa格柵鋼架-Ⅲb二次襯砌拱墻拱墻-Ⅴa拱墻-Ⅴb仰拱仰拱-Ⅴa仰拱-Ⅴb底板底板-Ⅱa底板-Ⅱb仰拱填充仰拱填充仰拱填充-Ⅴa仰拱填充-Ⅴb防排水防水板防水板-Ⅴa防水板-Ⅴb止水帶止水帶排水板排水板溝槽中心溝槽身溝槽身中心溝蓋板蓋板側溝槽身側溝槽身側溝蓋板側蓋板

針對構件的細部構造，建模時需考慮進一步結構化分解，從而設計標準化構件。細部構造的命名也宜使用“構造類別+構造類型”規(guī)則，而構造類型一般宜使用“規(guī)格”參數(shù)。以下以格柵鋼架為例，進行詳細的細部構造分解，如表2所示。

表2　格柵鋼架結構化分解

BIM模型建模的關鍵是開發(fā)構件資源庫，構件定義的內(nèi)容主要包括構件命名、構件編碼、建模精度和信息粒度4方面，其中信息粒度包括幾何信息和非幾何信息[5]。建模精度是指構件在模型中的單元大小，隧道施工BIM模型中各構件的建模精度需滿足施工工序管理的要求，具體如下。

1)超前小導管、管棚、中空錨桿、砂漿錨桿的構件單元，宜按1環(huán)的組件形式，相鄰2環(huán)呈梅花狀布置。

2)鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、格柵鋼架的構件單元，宜按1環(huán)的組件形式。

3)噴射混凝土的構件單元，宜按開挖步縱向長度。不同圍巖級別差別較大，一般為0.5～3.5 m。

4)仰拱填充、底板、仰拱及仰拱部防水板構件單元，宜采用施工模板的模筑長度，一般為6～8 m。

5)拱墻構件單元，宜按模筑縱向長度，一般為 10～12 m。

2BIM在隧道施工中的應用

2.14D虛擬施工

4D虛擬施工是用Autodesk Navisworks的虛擬仿真環(huán)境，對3D幾何空間模型添加時間維度，虛擬推演實際施工過程[6-7]。具體來說，是將BIM模型與施工組織進度計劃相關聯(lián)，以進度驅(qū)動模型的虛擬仿真。

具體技術路線如下： 1)用Autodesk Revit建立3D數(shù)字模型，賦予每一構件施工工序?qū)傩詤?shù)；2)用project編制工序的時間任務項數(shù)據(jù)源；3)用Navisworks集成模型和工序時間數(shù)據(jù)源，在虛擬仿真環(huán)境中實現(xiàn)模型的虛擬建造。同時進行實時的過程交互，虛擬推演施工方案，動態(tài)檢查方案可行性及存在的問題，優(yōu)化調(diào)整施工裝備、工藝等[8-9]。基于BIM的虛擬施工方案流程見圖2。

圖2　基于BIM的虛擬施工方案流程

圖3(a)展示了隧道4D虛擬施工過程，對超前支護、初期支護、仰拱填充和二次襯砌所有結構節(jié)點進行動態(tài)施工模擬。圖3(b)展示了施工進度信息和橫道圖，對每個構件進行施工流水段、時間的定義。

從圖3可清晰查看所有構件的施工順序和時間節(jié)點，通過對比分析施工計劃和實際施工進度的狀態(tài)，便于項目管理者實時動態(tài)掌控施工進度，確定最好的施工順序和時間節(jié)點，快速調(diào)整施工資源，隨時為制定物資采購計劃提供及時、準確的數(shù)據(jù)支撐，對項目成本管控提供技術支持，以實現(xiàn)項目精細化施工管理。

(a) 剖視圖

(b) 施工進度橫道圖

2.2方案與工法可視化交底

傳統(tǒng)的二維CAD圖紙表達工程結構節(jié)點設計時，往往需要平面圖結合多個剖面圖才能表達清楚，而BIM以三維數(shù)字模型為基礎，真實表達工程結構節(jié)點的空間幾何形狀、位置與功能關系，將復雜空間的設計變得更加直觀，實現(xiàn)模型“所見即所得”的效果，且可以進行360°視角的空間可視化[10]，降低了施工作業(yè)人員理解圖紙的難度，有效避免了因?qū)D紙理解不清而產(chǎn)生的施工錯誤。

復合式襯砌隧道的環(huán)向施工縫需設置中埋式橡膠止水帶，縱向施工縫需設置中埋式鋼邊橡膠止水帶。圖4(a)是CAD圖，圖4(b)是BIM模型。通過兩者對比可知，利用三維模型對現(xiàn)場施工員和班組進行技術交底的效果顯著。

環(huán)向施工縫防水圖縱向施工縫防水圖

(a) CAD平面圖

(b) 三維模型

利用BIM虛擬仿真技術，進行結構節(jié)點施工工法的三維展示，將結構設計和施工方案變得更加直觀，方便施工作業(yè)人員的理解運用。通過Autodesk Revit軟件創(chuàng)建施工BIM模型，并定義構件“階段化”施工順序，將模型導入Autodesk Navisworks軟件，搭建虛擬仿真環(huán)境，以展現(xiàn)模型的施工工法，進行可視化交底。圖5是Ⅴ級圍巖隧道采用的三臺階七步開挖工法，圖6是橋臺進洞段采用的CD法開挖工法。

2.3工程量動態(tài)核算

在施工過程中，根據(jù)二維圖紙計算工程量十分繁瑣、重復冗余，浪費了大量的人力物力，且精度普遍不高，對工程計量影響很大；而BIM數(shù)字信息模型具有精準的三維體量，結合施工進度，可以快速獲取階段工程量[11]。具體方法是： 1)用Revit建立分部分項工程BIM模型，賦予模型構件的體量、施工階段屬性信息；2)根據(jù)實際施工狀態(tài)，統(tǒng)計當前施工階段的分部分項模型體量明細表； 3)參照工程量計算量綱公式規(guī)則，由模型體量生成分部分項工程量。

例如，圖7是Ⅳb型隧道開挖步模型，其中初期支護、仰拱及仰拱填充軸向長度是6 m，拱墻軸向長度是12 m。表3是Revit自動統(tǒng)計出的模型構件體量，按照工程量量綱公式規(guī)則，最終得到開挖步的工程量(見表4)。經(jīng)比對，模型輸出的工程量與二維施工圖工程量清單一致。

圖5　三臺階七步開挖模擬

圖6　橋臺進洞段CD法開挖模擬

圖7?、鬮型復合式襯砌隧道模型

3結論與討論

1)目前，BIM技術在隧道工程中的應用尚處于探索階段。按照工程結構化的構件命名規(guī)則，以及工序管理的精度要求，利用面向工程實體對象的三維建模方法，創(chuàng)建了鐵路礦山法隧道復合式襯砌施工BIM模型，可輔助隧道工程施工組織3D可視化設計和4D虛擬施工管理。

表3　模型構件體量

表4　模型工程量統(tǒng)計

2)利用BIM可視化虛擬仿真技術，建立了隧道施工技術方案的3D模型可視化設計與交底、施工方案的4D模型虛擬施工推演與優(yōu)化，以及自動核算階段工程量的方法和流程，可為隧道工程BIM技術的實踐和推廣提供應用參考。

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Application of BIM Technology in Construction Management of Railway Tunnel

WANG Xiaoxiao1, JI Fuquan2, LU Haijun1, CHEN Fuqiang2, CHEN Peishuai2

(1.No.5BranchofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430012,Hubei,China;2.TechnicalCenterofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China)

Abstract:The building information modeling(BIM) methods for construction management of railway tunnel, including naming rules of structuralized components and modeling precision requirements, are studied by means of BIM technology. The methods for and advantages of visualized design of 3D model of construction technologies for railway tunnel are explored. The methods for deducing and optimizing 4D model of construction of railway tunnel are studied. The automatic construction quantity calculating method based on BIM software is established. The construction practice shows that the BIM technology can improve the construction scheme and technology management, and can provide visualized version for construction organization and management decision.

Keywords:building information modeling(BIM); mined tunnel; 4D virtual construction; visualized programming; construction quantity calculation

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)02-0228-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.016

作者簡介：第一 王瀟瀟(1983—)，男，海南樂東人，2005年畢業(yè)于北京科技大學，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道施工技術工作。E-mail:82711106@qq.com。

收稿日期：2015-10-22; 修回日期: 2015-12-20