基于BIM的地鐵盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程優(yōu)化研究

蔣四禮 邱兆陽

(1.中鐵南方投資集團有限公司 廣東深圳 518060；2.深圳大學中澳BIM與智慧建造聯(lián)合研究中心 廣東深圳 518060)

1 引言

城市軌道交通是緩解交通擁堵問題最有效的方式。截至2017年6月底，全國在運營城市軌道交通總里程已達4 400 km，且約有5 770 km的城市軌道交通項目處于在建階段[1]，巨大的建設(shè)需求對城市軌道交通建設(shè)質(zhì)量提出了較高要求。盾構(gòu)法是當前城市軌道交通項目最常采用的地下隧道施工方法，盾構(gòu)管片質(zhì)量對管片現(xiàn)場安裝及隧道建成后的整體性能具有至關(guān)重要的影響[2]。

深化設(shè)計階段是連接盾構(gòu)管片施工圖設(shè)計與管片生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該階段要求對建筑設(shè)計方案及施工圖紙進行深化設(shè)計，其良好設(shè)計有助于提高圖紙的精細化水平，有效減少現(xiàn)場施工出現(xiàn)的錯誤，最大程度避免材料浪費及安全風險。然而，隨著工程項目體量及功能的不斷擴展，傳統(tǒng)上基于二維圖紙的設(shè)計方式已無法滿足當前盾構(gòu)管片復雜的功能需求[3]。因此，考慮到施工效率、安全性及項目建成質(zhì)量等要求，亟需在盾構(gòu)管片設(shè)計階段采取更先進的技術(shù)進行精細化設(shè)計。

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)已被廣泛應用于城市軌道交通項目全生命周期的管理[4-5]。在項目設(shè)計階段，通過采用BIM技術(shù)可以快速構(gòu)建地鐵車站及區(qū)間隧道模型，進而實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計、碰撞檢查、施工模擬、現(xiàn)場漫游等功能[6-7]。既有研究中，學者更多關(guān)注BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道參數(shù)化建模及協(xié)同設(shè)計中的應用，并取得了一系列創(chuàng)新成果[8-9]。盡管這些研究已從技術(shù)層面為盾構(gòu)管片BIM設(shè)計提供了一些有效的解決方案，但卻忽略了設(shè)計流程和深化設(shè)計流程完備性及流暢性對設(shè)計效率與質(zhì)量的重要價值，未能從管理層面系統(tǒng)地梳理與改進盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程，導致當前盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程仍存在各層級間信息缺失與分離問題，極大影響了設(shè)計效率與質(zhì)量。

針對上述問題，本研究旨在對基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程進行系統(tǒng)優(yōu)化。首先，本文全面總結(jié)和歸納了傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程及現(xiàn)有基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程；其次，根據(jù)工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure，WBS)理論，厘清了深化設(shè)計流程各階段的功能需求和可交付成果，構(gòu)建了基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程；最后以深圳地鐵14號線某區(qū)間隧道為研究對象，驗證了所提出流程的可行性。研究成果有助于更好地銜接盾構(gòu)管片深化設(shè)計的各個層級，減輕設(shè)計團隊的工作負荷，實現(xiàn)盾構(gòu)管片精細化設(shè)計，提高盾構(gòu)隧道現(xiàn)場施工質(zhì)量。

2 現(xiàn)有預制構(gòu)件設(shè)計流程

盾構(gòu)管片作為最典型的預制構(gòu)件之一，其設(shè)計流程亦遵循常見預制構(gòu)件的設(shè)計流程。本研究對深圳市有關(guān)設(shè)計單位開展了實地調(diào)研，確定了傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程及兩種基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程。

2.1 傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程

傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程可分為技術(shù)策劃、方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計及深化設(shè)計五個階段(見圖1)。

圖1 傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程

技術(shù)策劃階段要求設(shè)計團隊根據(jù)建設(shè)單位需求，制定項目技術(shù)策劃方案。在方案設(shè)計階段，設(shè)計團隊需根據(jù)項目使用功能及樣式要求，進行系統(tǒng)的建筑設(shè)計。初步設(shè)計階段要求設(shè)計團隊確定施工現(xiàn)場連接方式、構(gòu)件生產(chǎn)規(guī)格等，完成初步設(shè)計圖紙的繪制。在施工圖設(shè)計階段，設(shè)計團隊需對初步設(shè)計圖紙繼續(xù)深化，以滿足國家相關(guān)標準和施工要求。在最后的深化設(shè)計階段，設(shè)計團隊需根據(jù)相關(guān)設(shè)計標準及抗震規(guī)范，完成預制構(gòu)件拆分、驗算、優(yōu)化、出圖等設(shè)計任務。

總體而言，傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程主要以二維CAD圖紙為核心，缺乏可視化功能，容易出現(xiàn)“錯漏碰缺”等問題，且設(shè)計數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)有效流通。

2.2 基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程

2.2.1 設(shè)計流程一

設(shè)計流程一包括技術(shù)策劃、方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和深化設(shè)計五個階段(見圖2)。其中，技術(shù)策劃階段需系統(tǒng)分析項目的場地條件及空間信息。在方案設(shè)計階段，設(shè)計團隊需建立建筑方案BIM模型。初步設(shè)計階段要求設(shè)計團隊基于已有方案設(shè)計模型，建立建筑及結(jié)構(gòu)初步設(shè)計BIM模型，初步實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。在施工圖設(shè)計階段，設(shè)計團隊進一步建立建筑施工圖BIM模型、結(jié)構(gòu)施工圖BIM模型、機電施工圖BIM模型，并定期進行碰撞檢查及管線綜合檢查，以形成完整的設(shè)計文件。此外，在該階段設(shè)計完成的施工圖紙需交付至第三方機構(gòu)進行圖紙審查，合格后方可交付使用。

圖2 基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程一

作為設(shè)計階段最后一項工作，深化設(shè)計階段要求結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊綜合考慮預制構(gòu)件生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝要求，完成管片拆分、模具設(shè)計、鋼筋排布、預埋件設(shè)計、受力計算、結(jié)構(gòu)分析、碰撞檢查、施工圖生成、明細表導出等工作。

2.2.2 設(shè)計流程二

設(shè)計流程二包括技術(shù)策劃、方案設(shè)計、模型建立、模型優(yōu)化和深化設(shè)計五個階段(見圖3)。由于其技術(shù)策劃、方案設(shè)計及深化設(shè)計階段的任務與設(shè)計流程一基本相同，下文只介紹其余兩個階段的任務。

圖3 基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程二

模型建立階段要求設(shè)計團隊結(jié)合建筑功能與外觀要求，查詢現(xiàn)有預制構(gòu)件庫中是否存在滿足設(shè)計要求的通用構(gòu)件。若存在相應構(gòu)件，則直接調(diào)用以用于通用構(gòu)件BIM模型的建立。若未存在相應構(gòu)件，則需依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范和抗震要求設(shè)計并定義新構(gòu)件，再將該構(gòu)件拼裝至BIM模型中，完成建筑、結(jié)構(gòu)、機電等專業(yè)BIM模型的建立。

在模型優(yōu)化階段，設(shè)計團隊需在預制構(gòu)件BIM模型的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與受力計算，對其進行反復調(diào)整以滿足相關(guān)要求。

2.2.3 流程評價

上述兩種流程均要求在設(shè)計初期建立BIM模型，并以此為基礎(chǔ)開展分階段、分層級的深化設(shè)計。與傳統(tǒng)預制構(gòu)件設(shè)計流程相比，基于BIM的預制構(gòu)件設(shè)計流程實現(xiàn)了各階段設(shè)計成果的實時可視化及參數(shù)化，極大提高了設(shè)計效率與設(shè)計精度。然而，當前流程深化設(shè)計階段的完備性及流程性仍有不足，存在各層級之間信息缺失與分離問題。因此，有必要進一步系統(tǒng)地梳理并優(yōu)化原有流程中的深化設(shè)計工作。

與設(shè)計流程一相比，設(shè)計流程二更側(cè)重于在設(shè)計過程中建立預制構(gòu)件庫。從長期來看，設(shè)計流程二更有利于減輕結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊的工作負荷，提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，相對來說更為合理。因此，下面將以設(shè)計流程二為基礎(chǔ)，對盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程進行優(yōu)化研究。

3 基于WBS的盾構(gòu)管片深化設(shè)計任務分解

WBS是一種以可交付項目為導向，對項目要素進行分組的方法[10]。以BIM模型為載體，良好的工作分解結(jié)構(gòu)已被證明可以顯著提高工程項目信息傳遞及管理效率[11-12]。為了構(gòu)建合理、完備的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程，本研究采用WBS方法，根據(jù)可交付成果的不同，對盾構(gòu)管片深化設(shè)計階段進行分解。詳細的深化設(shè)計工作分解結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括管片拆分、基礎(chǔ)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、施工圖生成、物料明細表生成五個主要階段，各階段的功能需求及可交付成果如表1所示，優(yōu)化后的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程如圖5所示。

圖4 基于BIM的地鐵盾構(gòu)管片深化設(shè)計工作分解結(jié)構(gòu)

表1 基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程功能需求

圖5 地鐵盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程

4 盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程應用

以深圳地鐵14號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道為例，來展示所提出的深化設(shè)計流程。該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌環(huán)外徑為6 700 mm，內(nèi)徑為6 000 mm，襯砌厚度為350 mm，襯砌環(huán)寬為1 500 mm。管片采用錯縫拼裝的方式，由螺栓進行連接。單個襯砌環(huán)由3塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成。

4.1 管片拆分

管片拆分是盾構(gòu)管片深化設(shè)計的基礎(chǔ)。該環(huán)節(jié)主要使用BIM軟件的拆分功能，將施工圖設(shè)計階段建立的盾構(gòu)隧道BIM模型按照類型拆分成標準塊、鄰接塊、封頂塊等構(gòu)件，便于后續(xù)各類型構(gòu)件的精細化設(shè)計。這一階段的可交付成果為拆分狀態(tài)的初始管片模型。管片模型拆分示意如圖6所示。

圖6 管片模型拆分示意

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)計是盾構(gòu)管片深化設(shè)計的核心，其主要任務是將初步設(shè)計階段的盾構(gòu)管片模型進一步深化，以滿足盾構(gòu)管片工廠生產(chǎn)、運輸單位運輸和施工現(xiàn)場安裝的需求?；A(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)的工作主要分為配筋設(shè)計和預埋件設(shè)計兩部分內(nèi)容。這一階段的可交付成果為詳細設(shè)計后的基礎(chǔ)管片模型。

配筋設(shè)計要求合理排布各種類型的鋼筋，最大程度地滿足構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力要求。實際設(shè)計中主要基于BIM軟件的精細化編程功能，按照《盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測技術(shù)標準》《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程》《預制混凝土襯砌管片》《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求，確定鋼筋規(guī)格、直徑、間距等參數(shù)，通過創(chuàng)建鋼筋族、利用節(jié)點生成鋼筋線等方式，完成主筋、箍筋、分布筋等多種鋼筋模型的快速制作和放置。

預埋件設(shè)計需充分考慮盾構(gòu)管片工廠加工精度和現(xiàn)場安裝要求，確保盾構(gòu)隧道整體的結(jié)構(gòu)安全性能和質(zhì)量。實際設(shè)計中主要通過在BIM軟件中創(chuàng)建所需的自定義族類，并利用對應的節(jié)點功能進行復雜的族放置和實體剪切等一系列操作，最終完成連接螺栓、螺母、注漿管等預埋件的設(shè)計工作。部分盾構(gòu)管片拆分模型的基礎(chǔ)設(shè)計成果如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)管片拆分模型基礎(chǔ)設(shè)計

4.3 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計主要指在基礎(chǔ)設(shè)計盾構(gòu)管片模型的基礎(chǔ)上，運用BIM技術(shù)對各盾構(gòu)管片進行深化分析，以保證結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計質(zhì)量和安全性能。最常見的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)包括三維預拼裝、碰撞檢查等。這一階段的可交付成果為優(yōu)化設(shè)計和分析后的優(yōu)化管片模型。

三維預拼裝指的是通過BIM軟件的三維拼裝功能將盾構(gòu)管片拆分模型統(tǒng)一拼裝到同一個模型內(nèi)，提前演示施工現(xiàn)場的安裝狀況。碰撞檢查則側(cè)重于檢測盾構(gòu)管片內(nèi)部鋼筋之間、鋼筋與預埋件之間是否存在沖突問題，并針對檢查過程中出現(xiàn)的碰撞現(xiàn)象進行實時修改和調(diào)整。

4.4 施工圖生成

施工圖生成主要指基于優(yōu)化設(shè)計后的三維模型，采用BIM軟件的圖紙導出功能將相關(guān)的配筋圖和模板圖等導出為CAD圖紙。這些圖紙與對應的三維模型將交付至施工圖紙審查單位審查。經(jīng)審查無誤后，圖紙將進一步交付至盾構(gòu)管片生產(chǎn)工廠，為后續(xù)的生產(chǎn)、運輸和施工現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)提供指導。這一階段的可交付成果為優(yōu)化管片模型對應的施工圖紙。

4.5 物料明細表生成

物料明細表主要是將優(yōu)化設(shè)計后的盾構(gòu)管片模型導入BIM計量軟件，計算鋼筋、混凝土、預埋件等相關(guān)物料明細數(shù)據(jù)，并導出成Excel等文件格式，配合CAD圖紙的交付工作。對盾構(gòu)管片工廠來說，詳細、準確的物料明細表不僅便于其提前準備盾構(gòu)管片生產(chǎn)所需物資，而且有助于工廠各流水線之間的資源協(xié)調(diào)和工作計劃安排，可有效減少人工、材料和設(shè)備的浪費。這一階段的可交付成果為優(yōu)化管片模型對應的各類物料明細表。

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)WBS理論，構(gòu)建了基于BIM的城市軌道交通項目盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程，即管片拆分、基礎(chǔ)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、施工圖生成與物料明細表生成。以深圳市某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道為案例，詳細說明了所構(gòu)建流程各階段的功能需求和交付成果。

本研究構(gòu)建的基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計流程厘清了各階段深化設(shè)計任務的重點，有助于盾構(gòu)管片設(shè)計精細化水平的提高，確保盾構(gòu)管片生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝質(zhì)量。從整體上來看，優(yōu)化后的深化設(shè)計流程也有利于城市軌道交通項目的信息流通，為項目全生命周期的信息化管控奠定堅實基礎(chǔ)。