長(zhǎng)沙萬(wàn)家麗電力盾構(gòu)隧道工程施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

陳亞軍 王 灝 呂 濤 周艷文 徐志柏 劉 珍 龍 彪 王 文

(中建五局土木工程有限公司,長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

萬(wàn)家麗路220KV電力隧道項(xiàng)目是湖南省首條電力盾構(gòu)隧道，跨越長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)、芙蓉區(qū)以及長(zhǎng)沙縣。項(xiàng)目建成后隧道內(nèi)將接入220KV電纜4回， 110KV電纜8回，可滿足區(qū)域內(nèi)湖南廣電中心的國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目、城際鐵路交通、長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)及5號(hào)線用電，改善長(zhǎng)沙市河?xùn)|城區(qū)北部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，縮短供電距離，提高電網(wǎng)供電可靠性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性(圖1)。

圖1 項(xiàng)目平面位置圖

萬(wàn)家麗路220KV電力隧道項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“本工程”)施工內(nèi)容包括一條6km長(zhǎng)的隧道，隧道內(nèi)徑3.6m，采用盾構(gòu)法施工； 隧道地表沿線施工10個(gè)豎井，包括3個(gè)盾構(gòu)工作井和7個(gè)電纜出線井。同時(shí)隧道包含2個(gè)盾構(gòu)區(qū)間： 2號(hào)盾構(gòu)井～1號(hào)盾構(gòu)井、2號(hào)盾構(gòu)井～3號(hào)盾構(gòu)井。采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在2號(hào)盾構(gòu)井內(nèi)進(jìn)行南、北雙向始發(fā)掘進(jìn)(圖2)。盾構(gòu)機(jī)外徑4.36m，全長(zhǎng)128m，包括盾體以及17節(jié)臺(tái)車?？傇靸r(jià)3.74億元，工期720天，工程總承包單位為中建五局土木工程有限公司。

圖2 施工示意圖

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

由于本工程為湖南省首條電力盾構(gòu)隧道，其綜合技術(shù)幾乎沒(méi)有類似工程的參考經(jīng)驗(yàn)，因此無(wú)論豎井施工、盾構(gòu)始發(fā)還是盾構(gòu)掘進(jìn)均存在非常大的技術(shù)難點(diǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，本工程難點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面。

1.2.1 施工條件復(fù)雜

本工程盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)128m，而盾構(gòu)始發(fā)井尺寸僅30m*10m，尺寸狹小難以進(jìn)行始發(fā)； 隧道內(nèi)徑僅3.6m，洞內(nèi)狹小工人操作困難；沿線豎井施工均受高壓線影響，最低凈空僅12.3m；側(cè)穿既有橋樁，側(cè)穿距離僅2m；下穿既有地鐵車站，下穿距離僅4.5m。

1.2.2 盾構(gòu)線型復(fù)雜

本工程盾構(gòu)機(jī)單次掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，約3km； 同時(shí)曲線長(zhǎng)度占比高，約58%，共3.5km； 小曲率半徑(R=150m)曲線長(zhǎng)度共約1.3km； “S”形連續(xù)轉(zhuǎn)彎數(shù)量共計(jì)18個(gè)。

1.2.3 水文地質(zhì)復(fù)雜

本工程隧道穿越地層囊括長(zhǎng)沙市所有地層類型，始發(fā)井地層平均滲透系數(shù)為3.78E+01m·d-1，是正常情況的100倍； 單位長(zhǎng)度隧道最大涌水量為970.77m3·d-1，是正常情況的800倍； 同時(shí)盾構(gòu)隧道需下穿瀏陽(yáng)河，下穿距離僅9.5 m，因此安全風(fēng)險(xiǎn)非常高。

2 BIM實(shí)施策劃

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

針對(duì)本工程小曲率半徑電力隧道盾構(gòu)施工的建設(shè)特點(diǎn)與難點(diǎn)，對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行借鑒以及創(chuàng)新應(yīng)用，以解決本工程的難點(diǎn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工[1-2]，優(yōu)化施工工藝以及場(chǎng)地布置[3-5]，控制盾構(gòu)隧道小半徑區(qū)間的線形偏差，達(dá)到提升管理，節(jié)約成本，加快工期，同時(shí)將本工程的BIM應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行推廣的目的。響應(yīng)本公司發(fā)展BIM及時(shí)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的號(hào)召，也為本工程創(chuàng)全國(guó)建設(shè)工程項(xiàng)目施工安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化工地、全國(guó)建筑業(yè)綠色施工示范工程、湖南省建筑工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化示范基地打下良好的基礎(chǔ)。

2.2 團(tuán)隊(duì)組織與軟硬件環(huán)境

2.2.1 團(tuán)隊(duì)組織

為更好地開(kāi)展本工程BIM技術(shù)應(yīng)用工作，項(xiàng)目經(jīng)理部在公司BIM技術(shù)中心的指導(dǎo)下成立項(xiàng)目BIM小組，由項(xiàng)目經(jīng)理?yè)?dān)任組長(zhǎng)，項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人擔(dān)任副組長(zhǎng)，項(xiàng)目BIM工程師負(fù)責(zé)本工程施工全生命周期內(nèi)的BIM應(yīng)用，同時(shí)協(xié)調(diào)各部門落實(shí)各項(xiàng)BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)。

2.2.1 軟硬件環(huán)境

本工程BIM技術(shù)的開(kāi)展主要以Revit的主要建模軟件， 3D max 作為可視化應(yīng)用、虛擬樣板的輔助軟件[6]，After Effects、Premiere、Photoshop作為后期處理的主要軟件，應(yīng)用Abaqus、Solidworks作為節(jié)點(diǎn)優(yōu)化以及盾構(gòu)線型糾偏的主要軟件[7-9]，應(yīng)用RAVVAR平臺(tái)進(jìn)行AR模型的建立[10]，同時(shí)應(yīng)用移動(dòng)端的BIM5D進(jìn)行工程協(xié)同管理[11]。配備移動(dòng)工作站、無(wú)人機(jī)、一體控觸機(jī)等硬件設(shè)施保障BIM技術(shù)的開(kāi)展與應(yīng)用。

2.3 BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)

BIM小組根據(jù)行業(yè)規(guī)范《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) GB/T51235-2017》[12]和公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，編制BIM實(shí)施策劃方案和BIM建模標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一確定名稱、格式、提高建模精度(表1)，明確BIM實(shí)施目標(biāo)，打造BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范人員管理分工，提高工作效率和質(zhì)量。

表1 BIM模型標(biāo)準(zhǔn)

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)功能應(yīng)用

3.1.1 建立標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)

本工程包括土建工程以及盾構(gòu)工程，零構(gòu)件較多。小組依據(jù)專業(yè)圖紙以及建模標(biāo)準(zhǔn)，建立標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，包括土建工程53個(gè)族，盾構(gòu)工程39個(gè)族，提高模型的利用效率，加快BIM工程師的工作進(jìn)度(圖3)。

圖3 BIM族模型

3.1.2 創(chuàng)建BIM實(shí)體模型

根據(jù)BIM建模標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范整個(gè)項(xiàng)目BIM建模體系，對(duì)模型進(jìn)行整體深化，提升模型精度，保證模型與施工現(xiàn)場(chǎng)的一致性，截止目前為止已完成工作井模型10個(gè)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)10個(gè)、場(chǎng)地布置模型10個(gè)、管片模擬拼裝6 000環(huán)、盾構(gòu)機(jī)及配套設(shè)施模型等，工程實(shí)體建模覆蓋率100%(圖4)。

圖4 實(shí)體實(shí)體BIM模型

3.1.3 模型渲染出圖

在方案編制過(guò)程中，利用BIM模型進(jìn)行渲染出圖，作為圖示以對(duì)方案進(jìn)行說(shuō)明，至今已應(yīng)用在本工程所有的54個(gè)施工方案中，提高了方案的理解效率，加速了監(jiān)理、業(yè)主的審批速度(圖5)。

圖5 方案編制

在進(jìn)行科研創(chuàng)新如編制專利、工法等材料時(shí)，將創(chuàng)新思路進(jìn)行BIM建模后渲染出圖，逼真地展示科研成果思路，同時(shí)對(duì)科研成果加以優(yōu)化(圖6)。

圖6 輔助科研創(chuàng)新

3.1.4 模型指導(dǎo)施工

圖8 AR虛擬樣板技術(shù)應(yīng)用

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)以及駐地的布置進(jìn)行參數(shù)化合理布置模擬，BIM直接出圖用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，達(dá)到節(jié)地、節(jié)材，合理利用場(chǎng)地的效果。對(duì)關(guān)鍵施工工序提前建立BIM模型并深化后直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工效果與模型100%吻合(圖7)。同時(shí)采用BIM設(shè)計(jì)軟件模擬優(yōu)化裝配式集裝箱的建造過(guò)程，建立構(gòu)件集裝箱尺寸、材料總數(shù)據(jù)庫(kù)，有效地解決了在裝配過(guò)程中“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問(wèn)題，提高裝配精度以及裝配效果。建立始發(fā)井周邊地層模型，清晰地展示周邊土質(zhì)條件與特點(diǎn)，同時(shí)配合盾構(gòu)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，更好地對(duì)盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源預(yù)判以及安全管控[13]。

3.1.5 AR虛擬樣板技術(shù)應(yīng)用

利用RAVVAR技術(shù)平臺(tái)結(jié)合Revit模型，技術(shù)平臺(tái)結(jié)合，生成AR虛擬樣板模型。只需用手機(jī)在圖紙上進(jìn)行掃描，手機(jī)中的畫(huà)面則會(huì)生動(dòng)地出現(xiàn)一個(gè)三維BIM模型，位于圖紙的上方，同時(shí)可移動(dòng)手機(jī)對(duì)模型進(jìn)行全方位的觀察。減少由于對(duì)圖紙的誤讀和信息傳遞失真所造成的巨大損失，減少施工人員反復(fù)讀圖、識(shí)圖所耗費(fèi)的時(shí)間[14](圖8)。

3.2 優(yōu)化功能應(yīng)用

3.2.1 優(yōu)化場(chǎng)地布置

通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行優(yōu)化、協(xié)調(diào)管理，檢驗(yàn)施工場(chǎng)地布置的合理性。模擬完成現(xiàn)場(chǎng)由土建施工階段場(chǎng)地布置到盾構(gòu)施工階段場(chǎng)地布置的轉(zhuǎn)變(圖9)，從源頭減少安全隱患，利用率提高約15%，沖突率下降約30%，節(jié)省工期約20天，充分體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)綠色施工特點(diǎn)[15]。

圖9 優(yōu)化場(chǎng)地布置

圖10 狹小盾構(gòu)井盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化分體

3.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙

通過(guò)模型進(jìn)行碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中的問(wèn)題，形成碰撞沖突報(bào)告[16]，避免因圖紙問(wèn)題而造成返工損失以及對(duì)進(jìn)度所帶來(lái)的影響，累計(jì)發(fā)現(xiàn)并解決主體結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題11處。

利用BIM軟件模擬豎井施工區(qū)域和高壓架空線的空間位置關(guān)系，與實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比符合。通過(guò)該方法發(fā)現(xiàn)了有幾處豎井施工區(qū)域周邊環(huán)境與設(shè)計(jì)給出的數(shù)據(jù)不相符的情況，最后都及時(shí)予以了糾正及優(yōu)化。

本工程盾構(gòu)區(qū)間管片原設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)管片，擬變更為通用襯砌環(huán)管片。通過(guò)BIM技術(shù)分別建立盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片和盾構(gòu)通用環(huán)管片的盾構(gòu)區(qū)間，同時(shí)分別導(dǎo)出所需的管片數(shù)量、零構(gòu)件數(shù)量以及工期等參數(shù)。

圖11 鋼套筒過(guò)渡環(huán)優(yōu)化

3.2.3 優(yōu)化施工方案

(1)狹小盾構(gòu)井盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化分體

本工程盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)128m，而始發(fā)井長(zhǎng)度僅29m，始發(fā)時(shí)無(wú)法采用常規(guī)方法將盾構(gòu)機(jī)直接放入井下始發(fā)掘進(jìn)。因此采用BIM技術(shù)，模擬優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)方案，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行分體始發(fā)(圖10)。最終形成工法以及專利。

(2)鋼套筒過(guò)渡環(huán)優(yōu)化

本工程始發(fā)位置地下水豐富，始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)高，項(xiàng)目創(chuàng)新采用鋼套筒密閉始發(fā)施工工藝。原方案中鋼套筒頂端的過(guò)渡環(huán)寬度為1.0m，在BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分析，最終將過(guò)渡環(huán)寬度優(yōu)化為1.5m，保證了始發(fā)施工的安全(圖11)。

(3)工況分析優(yōu)化

利用BIM技術(shù)，建立BIM模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行施工工況的節(jié)點(diǎn)分析、計(jì)算、驗(yàn)算，如鋼筋籠吊裝、小半徑盾構(gòu)掘進(jìn)等，更好地指導(dǎo)施工(圖12)。

3.2.4 小半徑區(qū)間線形控制

創(chuàng)新采用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件“SolidWorks”，以Revit模型為基礎(chǔ)建立高精度的襯砌管片模型。隨后在“SolidWorks”中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管片實(shí)際拼裝點(diǎn)位進(jìn)行管片模型的可視化排布以及預(yù)排布，生成盾構(gòu)隧道區(qū)間模型。隨后再將盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)軸線的CAD模型導(dǎo)入“SolidWorks”內(nèi)，將其移動(dòng)至與盾構(gòu)隧道區(qū)間模型的始發(fā)點(diǎn)位置和方向重疊，此時(shí)便可以進(jìn)行可視化路徑偏差，清晰地展示出當(dāng)前掘進(jìn)情況，進(jìn)行小半徑區(qū)間線形控制，同時(shí)更加方便現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)管片的拼裝(圖13)。

圖12 工況分析優(yōu)化

圖13 工況分析優(yōu)化

圖14 質(zhì)量安全協(xié)同管理

3.3 施工管理應(yīng)用

3.3.1 質(zhì)量安全協(xié)同管理

利用BIM5D平臺(tái)，對(duì)工程質(zhì)量、安全進(jìn)行線上協(xié)同管理，將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量安全問(wèn)題，通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端上傳至BIM5D平臺(tái)，同時(shí)在平臺(tái)內(nèi)的BIM模型中進(jìn)行安全質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生地點(diǎn)的定位，隨后編輯質(zhì)量安全整改信息，最終在線上下發(fā)整改通知，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同管理(圖14)。

3.3.2 材料成本管理

對(duì)Revit模型進(jìn)行材料信息導(dǎo)出，根據(jù)導(dǎo)出的材料信息結(jié)合節(jié)點(diǎn)要求編制材料計(jì)劃，細(xì)化到材料型號(hào)及尺寸，以便進(jìn)行精細(xì)化管理。同時(shí)建立BIM模型后導(dǎo)入至Glodon GCL算量軟件，提供施工圖預(yù)算進(jìn)行目標(biāo)成本控制，為工程過(guò)程成本管理、與分包進(jìn)行工程結(jié)算提供數(shù)據(jù)支持[17-18]。

3.3.3 進(jìn)度管理

利用Navisworks，結(jié)合Revit模型動(dòng)態(tài)模擬當(dāng)前施工進(jìn)度。提取數(shù)據(jù)分析計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際施工進(jìn)度偏差，進(jìn)行多次對(duì)比，若有偏差，及時(shí)分析并采取糾偏措施。

3.3.4 信息化管理

利用二維碼信息技術(shù)，將工程實(shí)體實(shí)名制信息及模型信息，通過(guò)二維碼的形式記錄在實(shí)體上，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體質(zhì)量信息的公開(kāi)化，為質(zhì)檢人員進(jìn)行成品復(fù)測(cè)和驗(yàn)收提供參考，質(zhì)檢時(shí)減少了非必要的資料，實(shí)現(xiàn)“輕量化”管理，也便于產(chǎn)品的追溯本源(圖15)。

表2 BIM應(yīng)用點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖15 盾構(gòu)管片質(zhì)量信息

4 項(xiàng)目應(yīng)用效果

通過(guò)BIM技術(shù)在本工程的應(yīng)用，在安全質(zhì)量方面，提升了現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量，盾構(gòu)線型偏差控制在±30mm，教育效果顯著，安全零事故，通過(guò)BIM可視化交底，完成1 300人次的安全教育； 在進(jìn)度方面，改變了傳統(tǒng)的工作模式，提高了工作效率。計(jì)劃始發(fā)需180天，實(shí)際僅150天； 截止至今盾構(gòu)共掘進(jìn)2 500環(huán)，計(jì)劃130天，實(shí)際100天。共節(jié)省工期60天； 在社會(huì)效益方面，通過(guò)參加各項(xiàng)BIM賽事、觀摩和湖南衛(wèi)視等主流媒體的報(bào)道，塑造了良好的品牌形象，極大地提升了企業(yè)知名度和競(jìng)爭(zhēng)力； 在技術(shù)效益方面，已借助BIM技術(shù)申報(bào)11項(xiàng)專利， 3篇工法， 2個(gè)QC成果； 在人才培養(yǎng)方面，組織開(kāi)展BIM培訓(xùn)活動(dòng)達(dá)20余次，赴北京、西安等地學(xué)習(xí)交流3次，培養(yǎng)BIM骨干9人。得到了社會(huì)各界的好評(píng)，為今后電力盾構(gòu)隧道施工領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用提供了借鑒以及寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)在電力盾構(gòu)隧道工程的應(yīng)用，成功地保證了本工程的順利施工，同時(shí)也獲得了不錯(cuò)的成果。同時(shí)快速地掌握大量的工程施工數(shù)據(jù)，創(chuàng)建BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)類似工程施工提供參考依據(jù)。項(xiàng)目對(duì)本BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)進(jìn)行情況統(tǒng)計(jì)并確定可推廣程度(表2)。

盡管本工程應(yīng)用BIM技術(shù)取得了較好的成果，但是在BIM技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，仍然存在一些問(wèn)題值得改善： 1)項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)需要全員參與； 2)應(yīng)建立項(xiàng)目族庫(kù)，減少低水平重復(fù)； 3)應(yīng)注重信息數(shù)據(jù)的收集與傳遞工作； 4)應(yīng)統(tǒng)一各線條標(biāo)準(zhǔn)，提高協(xié)同效率。綜上所述，就總體而言，當(dāng)前對(duì)BIM技術(shù)的研究仍然屬于初級(jí)階段，BIM技術(shù)在土木建筑領(lǐng)域上還有很多環(huán)節(jié)有待深入的研究發(fā)展。