BIM在機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道修建中的應(yīng)用

(中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，上海 200431)

1 工程概況

1.1 項目簡介

寧波市軌道交通機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道科研、設(shè)計、施工總承包項目包含寧波在建的2號線、3號線、4號線共計26座聯(lián)絡(luò)通道，全部采用機(jī)械法施工，14座采用頂管法，另外12座采用盾構(gòu)法，以其中2座聯(lián)絡(luò)通道作為實驗工程，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計研究、防水研究及施工裝備研發(fā)等工作。掘進(jìn)設(shè)備設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道設(shè)備設(shè)計模型

首個機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道試驗段項目位于在建的3號線一期工程南部商務(wù)區(qū)站至鄞州區(qū)政府站區(qū)間中，該聯(lián)絡(luò)通道頂部埋深16.94m，線間距17m，處于鄞州公園內(nèi)綠化帶下方，西側(cè)為鄞州公園，東側(cè)為天童南路。穿越地層包括：②2b淤泥質(zhì)黏土層和③2粉質(zhì)黏土層，土層軟弱。

目前正在施工的第二個機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道位于在建3號線一期工程兒童公園站至櫻花公園站區(qū)間中，該聯(lián)絡(luò)通道頂部埋深20.5m，線間距17m，處于中興路下方，西側(cè)為崇光大廈，東側(cè)為開元大酒店，地處鬧市區(qū)，交通繁忙。穿越地層包括：⑤1黏土和⑤3砂質(zhì)粉土層，土層富水軟弱，賦存承壓水，水土壓力約0.25mpa，存在搖振反應(yīng)，屬軟弱地層。

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

由于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工前國內(nèi)沒有類似先例，針對本工程設(shè)計復(fù)雜、技術(shù)難點(diǎn)多而且沒有相關(guān)施工經(jīng)驗，項目建設(shè)之初即對聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工情況在國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛調(diào)研，至項目開工前共召開技術(shù)研討會30余次，項目團(tuán)隊對每一個技術(shù)細(xì)節(jié)反復(fù)斟酌研究，開展了大量的理論分析、模型檢算和足尺試驗，為工程實施提供了充分的理論依據(jù)和技術(shù)支持。機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道作為新工法，其實施難點(diǎn)主要有：作業(yè)空間狹小受控、旁出結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、工序繁瑣銜接性強(qiáng)、新設(shè)備進(jìn)場后短期難以掌握其操作技巧。由于單個機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工工期極短，各個聯(lián)絡(luò)通道施工過程又大同小異，通過實驗工程的經(jīng)驗總結(jié)，可形成特有的快速施工管理模式，方便推廣全國范圍內(nèi)的各種旁出通道的實施。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

(1)結(jié)合機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工工期短、工序緊湊的特點(diǎn)，為實現(xiàn)全過程數(shù)字化模擬，施工可視化，深入探索各種地層盾構(gòu)始發(fā)、接收技術(shù)和試驗段數(shù)據(jù)的采集分析，尋找一套機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道在各種地層普適的成套施工技術(shù)。

(2)對主隧道結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)設(shè)備之間進(jìn)行碰撞檢查，數(shù)字化加工、深化設(shè)計、預(yù)制化加工和虛擬建造技術(shù)的應(yīng)用減少設(shè)備和結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中錯誤的出現(xiàn)，也為機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的施工過程中避免錯誤施工而造成工程質(zhì)量缺陷。

(3)提高施工階段的造價控制能力和管理精細(xì)化水平。將成本控制深入應(yīng)用過程管理，實現(xiàn)造價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享與協(xié)同、形成統(tǒng)一的造價數(shù)據(jù)積累，提高項目效益。

(4)進(jìn)行進(jìn)度管理的優(yōu)化，旨在避免進(jìn)度管理中項目信息嚴(yán)重丟失、有效發(fā)現(xiàn)施工進(jìn)度計劃中的潛在沖突、跟蹤分析工程施工進(jìn)度、整體性處理工程施工進(jìn)度偏差。

2.2 實施方案

設(shè)計之初，課題組即召開模型設(shè)計討論會，統(tǒng)一各專業(yè)建模規(guī)則、建模標(biāo)準(zhǔn)；利用傾斜攝影和虛擬現(xiàn)實與BIM融合實現(xiàn)快速、精確建模；施工階段通過利用BIM結(jié)合有限元分析保證主隧道結(jié)構(gòu)受力的安全，優(yōu)化聯(lián)絡(luò)通道小管片的結(jié)構(gòu)和T接洞門結(jié)構(gòu)的設(shè)計；三維掃描刀盤切削軌跡，模擬主隧道管片切削過程，優(yōu)化刀盤設(shè)計。并在設(shè)計模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工工序模擬、施工信息錄入和模型優(yōu)化調(diào)整，成果反饋深化設(shè)計，形成最終模型，如圖2所示。

圖2 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道最終模型

2.3 應(yīng)用措施

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道屬于創(chuàng)新工法，工程結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)設(shè)備均需要重新設(shè)計，BIM建模復(fù)雜，信息表達(dá)傳遞、運(yùn)行難點(diǎn)較多，多源BIM信息的實施難度大，技術(shù)要求高，采取以下BIM應(yīng)用措施予以解決：

(1)硬件上采用高性能、高配置計算機(jī)；

(2)建模技術(shù)上采用參數(shù)化建模、反饋優(yōu)化的BIM建模方案；

(3)鑒于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工過程中刀盤切削主隧道管片和聯(lián)絡(luò)通道小管片結(jié)構(gòu)和T接洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，采用數(shù)字化加工小管片結(jié)構(gòu)虛擬建造和預(yù)制化生產(chǎn)等BIM技術(shù)解決了機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工中的難點(diǎn)痛點(diǎn)。

2.4 軟硬件環(huán)境

根據(jù)項目BIM應(yīng)用的實際需求配置如下軟硬件：

硬件：中心服務(wù)器：處理器：CPU：Inter Xeon(R)E5-2620；

顯卡：NVIDIAQuadro4000；

內(nèi)存：32G硬盤1T；

項目工作站：處理器：intel(R)Corei7-4790k；

內(nèi)存：16g硬盤1T；

顯卡：NVIDIA GeForce GTX 970M；

移動終端：iPad Pro 64G WIFI。

項目使用了如下軟件，實現(xiàn)如下功能：

CAD：設(shè)計圖紙格式，二維平面圖處理；

REVIT：結(jié)構(gòu)、建筑及機(jī)電建模、工程量計算；

Navis Works：碰撞檢查應(yīng)用；

Project：施工進(jìn)度計劃編制；

3Dmax：后期效果圖渲染。

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

(1)統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)

解決方法：召開模型設(shè)計討論會，統(tǒng)一各專業(yè)建模規(guī)則、建模標(biāo)準(zhǔn)，解決了不同專業(yè)技術(shù)人員在協(xié)同處理圖紙及模型過程中，存在認(rèn)識及理解上的偏差，導(dǎo)致模型建立存在重復(fù)建模，模型信息不全，模型有問題等缺陷。通過精確BIM模型的聯(lián)動可以快速反映出現(xiàn)場施工技術(shù)、物資材料和機(jī)械設(shè)備等存在的問題，提升各專業(yè)的協(xié)作效率，形成統(tǒng)一的、整體的、共同的工作目標(biāo)。

(2)參數(shù)化模型建立

利用Revit軟件中一切圖元可以通過改參數(shù)達(dá)到修改目的特點(diǎn)，解決了以往的因設(shè)備更改，而出圖中平剖面圖不一致的情況，做到精確控制設(shè)備，合理指導(dǎo)施工。BIM工程師建模過程中，發(fā)揮專業(yè)特長，在此過程中發(fā)現(xiàn)大量隱藏設(shè)計問題進(jìn)而反饋到模型當(dāng)中進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.2 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

(1)數(shù)字化加工、預(yù)制化加工和深化設(shè)計

以基礎(chǔ)模型作為參考，基于BIM的數(shù)字化加工將包含在機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道整體模型中的管片、螺栓、機(jī)械設(shè)備等構(gòu)件信息準(zhǔn)確的、不遺漏地傳遞給構(gòu)件加工單位。利用BIM技術(shù)建立三維可視化整個機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的模型，在碰撞發(fā)生處可以實時變換角度進(jìn)行全方位、多角度的觀察，便于討論修改，各專業(yè)在統(tǒng)一的模型上進(jìn)行修改，各專業(yè)的調(diào)整實時實現(xiàn)，實時反饋。將整體模型按照各專業(yè)導(dǎo)出，模型導(dǎo)出格式為DWF或NWC的文件。在Navisworks軟件里面將各專業(yè)模型疊加成各個模型進(jìn)行碰撞檢測，根據(jù)碰撞結(jié)果回到Revit軟件里對模型進(jìn)行調(diào)整。將調(diào)整后的結(jié)果反饋給深化設(shè)計單位，深化設(shè)計員調(diào)整深化設(shè)計圖，然后將圖紙返回給BIM設(shè)計員，最后BIM設(shè)計員將三維模型按深化設(shè)計圖進(jìn)行調(diào)整，碰撞檢測，如此反復(fù)，直至碰撞檢測結(jié)果為零碰撞為止。主隧道待切削管片和聯(lián)絡(luò)通道小管片的預(yù)制化加工分別如圖3、圖4所示。

(2)虛擬建造-復(fù)雜工序模擬和施工過程整體模擬、三維掃描

在預(yù)制化加工構(gòu)件加工完成后在相關(guān)的實際數(shù)據(jù)需要反饋到BIM模型中，對預(yù)制化構(gòu)件的BIM模型進(jìn)行修正，在出廠前需要對修正的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行虛擬拼裝，檢查生產(chǎn)中的細(xì)微偏差對安裝精度的影響，若經(jīng)虛擬拼裝顯示對安裝精度影響在可控范圍內(nèi)，則可出廠進(jìn)行現(xiàn)場安裝。盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備的3D打印施工方案微縮模型，可以輔助施工人員更為直觀地理解方案內(nèi)容。通過對刀盤切削軌跡進(jìn)行三維激光掃描，模擬刀盤的切削能力，將根據(jù)掃描得出的點(diǎn)云模型與依據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙建立的模型進(jìn)行比對,修改竣工圖紙與現(xiàn)場存在誤差的地方，減少了模型在信息傳遞中的問題。對刀盤切削鋼混復(fù)合管片試驗形成的切削面進(jìn)行3D掃描，對比設(shè)計切削軌跡，為刀具配置優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)所提供的施工組織材料，制作整個聯(lián)絡(luò)通道項目施工階段，從籌備到組織施工再到最后竣工的全過程模擬，包含所涉及到的多個板塊施工工藝、場地、機(jī)械、人員配置等模擬。運(yùn)用BIM技術(shù)，可虛擬化呈現(xiàn)整個施工過程，能有針對性地規(guī)避不必要的返工帶來的人力物力消耗，極大降低管理成本和安全風(fēng)險。3D打印如圖5所示。刀盤切削模擬如圖6所示。

圖3 主隧道待切削管片預(yù)制化加工

圖4 聯(lián)絡(luò)通道小管片預(yù)制化加工

圖5 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)3D打印模型

圖6 刀盤切削模擬

(3)施工現(xiàn)場臨時設(shè)施規(guī)劃

項目工點(diǎn)處于鬧市區(qū)，現(xiàn)場臨時施工用地場地嚴(yán)重受限，臨時場地不能達(dá)到最大的使用率，利用無人機(jī)對場地進(jìn)行全景掃描得出精準(zhǔn)的場地數(shù)據(jù)，對整個項目的施工現(xiàn)場進(jìn)行合理的場地布置。要盡可能地減少將來大型機(jī)械和臨時設(shè)施反復(fù)的調(diào)整平面位置，最大程度地利用大型機(jī)械設(shè)施的性能。以往做臨時場地布置是將一張張平面圖疊起來看，考慮的因素難免有所缺漏，往往施工開始了才知道影響了施工安排，利用數(shù)字化管控平臺(BIM5D)管理實現(xiàn)場地最優(yōu)規(guī)劃，同時能動態(tài)管理修改調(diào)整施工現(xiàn)場的實施布置。場地布置圖如圖7所示。

圖7 場地布置圖

(4)工程造價管理

BIM的自動化工程量計算提高了算量工作的效率，將機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計方案中的成本反饋給設(shè)計院，便于在設(shè)計前期對成本進(jìn)行控制。利用BIM技術(shù)造價信息與三維模型進(jìn)行一致關(guān)聯(lián)，當(dāng)發(fā)生變更時修改模型。BIM系統(tǒng)將自動檢測哪些內(nèi)容發(fā)生變更，并直接顯示變更結(jié)果，統(tǒng)計變更工程量，將結(jié)果反饋給施工人員，使他們能直觀地了解設(shè)計圖紙的變化對造價的影響。使用BIM軟件快速建立工程實體的三維模型，通過數(shù)字化工程量計算功能計算實體工程量，進(jìn)而結(jié)合BIM數(shù)據(jù)庫中的人工、材料、機(jī)械等價格信息，分析任意部位、任何時間段的造價。設(shè)計交底階段和圖紙會審階段通過BIM可以從設(shè)計、施工監(jiān)理從不同的角度審核圖紙，利用BIM的可視化模擬功能，進(jìn)行各專業(yè)碰撞檢查，及時發(fā)現(xiàn)不合實際之處，降低設(shè)計錯誤數(shù)量，極大地減少理解錯誤導(dǎo)致的返工費(fèi)用，避免工程實施中可能發(fā)生的各類變更，做到成本的事前控制。施工過程中通過BIM的多維模擬施工計算，快速準(zhǔn)確地拆分匯總并輸出任意工作的消耗量標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)限額領(lǐng)料，做到成本的過程控制。對BIM模型各構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一的編碼，在統(tǒng)一的三維模型數(shù)據(jù)庫的支持下，從最開始進(jìn)行模型、造價、流水段工序和時間等不同維度信息的關(guān)聯(lián)和綁定，在過程中，能夠以最少的時間實現(xiàn)任意維度的統(tǒng)計、分析、決策，保證成本分析的高效性和準(zhǔn)確性，以及成本的有效性和針對性。成型隧道三維模型如圖8所示。

圖8 成型隧道三維模型

(5)基于BIM的施工進(jìn)度管理

將三維模型與施工進(jìn)度進(jìn)行集成，實現(xiàn)對施工順序的可視化表達(dá)，可以任意選取模型組件，將其與具體施工活動關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)模型和進(jìn)度關(guān)聯(lián)，自動生成仿真文件，可協(xié)助項目管理人員高效地完成工程進(jìn)度計劃和管理工作。利用BIM實現(xiàn)“先試后建”提前發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工程設(shè)計方案以及擬定的工程施工組織設(shè)計方案在時間、空間存在的潛在沖突和缺陷，將被動管理轉(zhuǎn)化為主動管理，實現(xiàn)精簡管理隊伍，降低管理成本，降低項目風(fēng)險的目標(biāo)。同時為工程參建主體提供有效的進(jìn)度信息共享與協(xié)作環(huán)境。所有參建方都在一個與現(xiàn)實施工環(huán)境相仿的可視化的環(huán)境下進(jìn)行施工組織及各項業(yè)務(wù)活動，創(chuàng)造出一個直觀高效的協(xié)同工作環(huán)境，有利于參建方直接進(jìn)行直觀順暢的施工方案探討與協(xié)調(diào)，支持工程施工進(jìn)度問題的協(xié)同解決。支持工程進(jìn)度管理于資源的有機(jī)集成，基于BIM的施工進(jìn)度管理支持管理者實現(xiàn)工作階段所需的人員材料和機(jī)械用量的精確計算，從而調(diào)高工作時間估計的精確度，保障資源分配的合理化。對項目整體進(jìn)度和和局部進(jìn)度進(jìn)行4D反復(fù)模擬機(jī)動態(tài)優(yōu)化分析，調(diào)整施工順序，配置足夠資源，編制更加科學(xué)可行的施工進(jìn)度計劃。始發(fā)鋼套筒安裝施工進(jìn)度如圖9所示。

圖9 始發(fā)鋼套筒安裝進(jìn)度圖

3.3 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

(1)結(jié)合有限元分析對主隧道襯砌受力分析

通過建立BIM模型研討施工要點(diǎn)，通過BIM模型結(jié)合有限元分析，分析出主隧道結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)、聯(lián)絡(luò)通道小管片結(jié)構(gòu)設(shè)計和T接洞門設(shè)計，確定其結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析。利用Solid works、ProE、UG等三維軟件，建好BIM模型導(dǎo)入Hypermesh 軟件劃分網(wǎng)格，然后用ansys, abaqus或者ls-dyna進(jìn)行模態(tài)分析，靜動態(tài)分析。將模型接觸、連接、位移耦合，如果模型不能收斂，要檢查單元大小，各部分之間的接觸，調(diào)整邊界條件。結(jié)合有限元分別進(jìn)行設(shè)計情況位移變形、卸載工況位移變形和超載工況位移變形的主隧道襯砌模型受力分析。分析結(jié)論在各工況下，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在油缸安裝板的焊縫處或開孔處，設(shè)計工況下可以滿足管片設(shè)計強(qiáng)度要求。而且施加重力可以減輕其轉(zhuǎn)動趨勢，但對各力學(xué)量的影響不超過5%，有效地保證了主隧道襯砌的安全。主隧道受力有限元分析如圖10所示。T接洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計分析如圖11所示。

(2)集約化設(shè)備設(shè)計模擬

利用三維激光掃描對刀盤切削軌跡精確測量，采用能夠貼合主隧道管片的弧形刀盤設(shè)計，設(shè)計具備切削混凝土能力的刀盤；因為切削管片非平面，為凹凸空間曲面，刀盤無法與切削面密貼，通過弧面到盤點(diǎn)的設(shè)計和各種撕裂刀刮刀、滾刀的具體布置，使鋼混管片切削部分更容易通過。通過擬合主隧道內(nèi)徑，反復(fù)推敲模擬主隧道受力和始發(fā)接收套筒定位情況，集約化設(shè)計始發(fā)、接收頂撐系統(tǒng)。對主隧道待切削管片進(jìn)行預(yù)制化加工，模擬刀盤切削過程，對鋼混管片各種材料強(qiáng)度均進(jìn)行設(shè)計模擬反饋，深化設(shè)計，實現(xiàn)了狹小空間的全機(jī)械化施工。集約化設(shè)備設(shè)計模擬如圖12所示。

4 應(yīng)用效果

(1)通過利用BIM工程質(zhì)量得到提高，通過反復(fù)的施工模擬，深化設(shè)計，使得隧道一次性成型成功率100%；

(2)成本控制，對施工安排及人員材料的控制，節(jié)約了成本，單個項目經(jīng)濟(jì)效益提高約30%；

(3)縮短了工期，施工BIM技術(shù)，施工進(jìn)度優(yōu)化后，項目工期縮短了40天；

(4)通過利用BIM技術(shù)提高了項目管理水平；

(5)培養(yǎng)了一批BIM特長人才。

圖12 集約化設(shè)備設(shè)計模擬

5 總結(jié)

(1)基于BIM的IPD模式應(yīng)用

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道由寧波軌道交通公司、中鐵裝備、上海隧道院、寧波大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、寧波廣天構(gòu)件、上海同隧等數(shù)十家單位組成課題組集成化方法強(qiáng)化了項目實施效果，增強(qiáng)設(shè)計，開放、直接、坦誠的交流實現(xiàn)了信息的開放和共享。IPD模式倡導(dǎo)的基于協(xié)同工作環(huán)境和開放性的交流氛圍，為數(shù)據(jù)交換提供了最佳的實施環(huán)境，BIM技術(shù)則反過來幫助IPD的項目參與方實現(xiàn)了超越了傳統(tǒng)意義的協(xié)同工作，IPD模式與BIM融合在一起能夠?qū)崿F(xiàn)建筑產(chǎn)品與施工過程同步設(shè)計，最終消除因設(shè)計缺陷所導(dǎo)致的施工障礙和返工浪費(fèi)。

(2)機(jī)械設(shè)備集約化設(shè)計、構(gòu)件數(shù)字化集成

集成了BIM技術(shù)、計算機(jī)輔助工程技術(shù)、虛擬現(xiàn)實的等形成的面向整個機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的全信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息模型的綜合數(shù)字化集成。采用全數(shù)字化表達(dá)通過三維圖紙與施工工程。

(3)結(jié)合有限元分析，確定主隧道受力情況，對聯(lián)絡(luò)通道小管片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析和T接洞門結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，制定有效措施保證了施工安全，解決了整個聯(lián)絡(luò)通道施工中的重難點(diǎn)問題。

(4)數(shù)字化管控平臺的應(yīng)用，通過施工過程采集最新數(shù)值反饋到數(shù)字化管控系統(tǒng)中，不斷優(yōu)化數(shù)字化管理系統(tǒng)。