基于BIM技術(shù)的盾構(gòu)隧道裝配式施工應(yīng)用

賴嘉華

摘要 BIM技術(shù)優(yōu)化了盾構(gòu)隧道裝配式施工技術(shù)，主要是對盾構(gòu)管片的參數(shù)化建模及盾構(gòu)隧道的可視化交底、進度管理和材料管控，及時糾偏，調(diào)整施工方案和進度計劃。以G省S市某盾構(gòu)隧道工程為例，探討B(tài)IM技術(shù)在盾構(gòu)隧道裝配式施工中的應(yīng)用，BIM技術(shù)優(yōu)勢明顯，與盾構(gòu)隧道裝配式技術(shù)的結(jié)合發(fā)展為裝配式工程施工指明了新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù);盾構(gòu)隧道;裝配式技術(shù)

中圖分類號 U452 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0056-03

0 引言

裝配式施工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中，但仍存在一些缺陷。而BIM技術(shù)因其可視化、可模擬與信息可傳遞的特性，能夠彌補裝配式施工技術(shù)的缺陷，保證裝配式工程的設(shè)計合理性與施工質(zhì)量。盾構(gòu)隧道裝配式施工環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)難點多，將BIM技術(shù)與盾構(gòu)隧道裝配式施工相結(jié)合，可以突破技術(shù)壁壘，完善施工圖設(shè)計，有效監(jiān)控施工過程，確保施工安全，提高施工質(zhì)量，縮短施工周期，減少工程消耗，對隧道施工技術(shù)乃至整個工程行業(yè)發(fā)展具有極大促進作用。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國應(yīng)用BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道施工中構(gòu)建完善的全壽命循環(huán)管理體系的經(jīng)驗較少，在盾構(gòu)隧道的施工中不能發(fā)揮出BIM技術(shù)的最大作用。因此，應(yīng)當加強BIM技術(shù)在隧道施工過程中的應(yīng)用研究。

戴林發(fā)寶[1]對裝配式施工隧道進行了深入剖析，總結(jié)出了BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式隧道安裝的優(yōu)選措施;徐博[2]等對BIM技術(shù)和裝配式隧道的特點進行了分析，指出BIM技術(shù)在裝配式隧道施工應(yīng)用中存在的問題，提出了針對性的解決辦法;翟世鴻等[3]對裝配式隧道施工圖存在的問題進行分析，指出BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式構(gòu)件設(shè)計中可解決施工圖常規(guī)設(shè)計中存在的多數(shù)問題;鐘宇等[4]利用盾構(gòu)隧道的IFC擴展方法實現(xiàn)了基于IFC的盾構(gòu)隧道信息模型的數(shù)據(jù)表達;喻鋼等[5]運用BIM技術(shù)建立了基于BIM技術(shù)的三維可視化隧道施工管理與后期運維體系。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外專家研究在對隧道軟土地基施工所造成的地面沉降進行研究時，StvliAnos ProviDakis等提出了使用3D技術(shù)構(gòu)建BIM模型和使用Matlab軟件三維建模來分析和估計隧道施工造成的底層沉降損傷敏感性，從根本上解決了地面沉降問題;在隧道施工建立多尺度模型的潛在擴展問題研究中，A.Borrmann等采用了不同建模定義和實體間的相互影響關(guān)系對BIM的數(shù)據(jù)標準擴展分析，提供了更適合于盾構(gòu)的信息模式，形成完備的裝配式隧道BIM技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 BIM技術(shù)在裝配式隧道的應(yīng)用

2.1 建模流程

在盾構(gòu)隧道工程中，通過對隧道的盾構(gòu)管片進行建模來驗證管片結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，實現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工可行性的評估。如圖1所示，為盾構(gòu)隧道建模流程。

（1）準備資料、創(chuàng)建平面曲線和空間曲線等，進行管片族和Excel表格的制作。

（2）利用盾構(gòu)隧道Civil 3D技術(shù)進行線路規(guī)劃的設(shè)計和Dynamo模型的創(chuàng)建。

（3）對構(gòu)件進行編碼處理，更加直觀地反映隧道盾構(gòu)管片。

2.2 可視化模擬交底

傳統(tǒng)技術(shù)交底是利用二維圖表或者文本對模擬交底加以描述，通常是比較抽象的。而可視化模擬交底是利用BIM技術(shù)構(gòu)建信息模塊來進行工程設(shè)計輔助交底，較復(fù)雜的工程設(shè)計節(jié)點信息能夠直接顯現(xiàn)出來;盾構(gòu)隧道裝配式結(jié)構(gòu)施工的全部信息通過BIM模型關(guān)聯(lián)起來，BIM模型與施工平面圖結(jié)合，模擬各施工工序流程、重難點技術(shù)施工交底以及安全注意事項等，并精確傳遞到工程的各部分施工;盾構(gòu)隧道裝配式結(jié)構(gòu)施工流程及工藝過程等利用BIM進行三維仿真，可以直觀地反映施工過程，施工技術(shù)交底也不再只流于紙面形式，施工過程得到有效監(jiān)控，施工技術(shù)人員容易理解施工要求，對提高施工質(zhì)量、防止施工事故發(fā)生等具有重要的實際意義。如圖2所示，為可視化模擬交底圖。

2.3 進度管理

BIM技術(shù)可以將現(xiàn)場施工進度與BIM模型進行關(guān)聯(lián)，形成4D BIM模型，實現(xiàn)裝配式隧道施工全過程管理，更加準確、及時查看現(xiàn)場施工的情況，達到精確管控現(xiàn)場情況目的。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以提高隧道盾構(gòu)管片的施工安裝進度，施工效率大大提升，從而保障了盾構(gòu)隧道施工進度。用Revit隧道模型的數(shù)據(jù)集成能力建立3D模型，當前實際進度與施工進度計劃同時顯示，盾構(gòu)隧道裝配式施工現(xiàn)狀得到精確反映。用不同顏色來對施工狀態(tài)和施工環(huán)節(jié)進行區(qū)分，直觀地反映出施工的現(xiàn)場情況，使其形成動態(tài)的施工進度模型，為制定盾構(gòu)隧道裝配式其他施工管理方案提供依據(jù)。施工進度管理人員依據(jù)Revit隧道模型制定出相應(yīng)的管理方案及進度控制計劃，有效控制了人員及管理成本，保證了盾構(gòu)隧道的施工效率和施工進度。

2.4 其他施工管理應(yīng)用

BIM施工協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)協(xié)調(diào)管理，發(fā)揮出施工管理的最大作用。該平臺將工程質(zhì)量認證檢測信息和施工模型進行統(tǒng)一分析，將檢修與保養(yǎng)記錄、現(xiàn)場施工質(zhì)量信息等相關(guān)信息用App軟件及時地反映給施工管理人員，便于利用這些信息制定有效的施工質(zhì)量管理方案，保證施工質(zhì)量。相應(yīng)的施工信息可以進行搜索和傳遞，信息傳遞的及時性可以方便施工管理人員更好地管理施工現(xiàn)場。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程概況

以G省S市某盾構(gòu)隧道工程為例。該工程全長約5.08 km，其中隧道長約4.82 km，盾構(gòu)段長約3.58 km。該隧道采用單洞雙層的結(jié)構(gòu)形式，且設(shè)計速度為60 km/h，該項目的施工時間為四年，且盾構(gòu)隧道工程是S市 “東進戰(zhàn)略”的重大交通項目，對于國家發(fā)展和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的作用。

該工程施工環(huán)節(jié)復(fù)雜，需要的施工材料、施工人員和施工設(shè)備較多，對施工的質(zhì)量影響較大。因此，使用BIM技術(shù)開展工程施工管理至關(guān)重要。

3.2 盾構(gòu)模型創(chuàng)建

用Autodesk Revit軟件按照盾構(gòu)流程進行WBS工作分解，構(gòu)建管片三維模型。盾構(gòu)法施工開挖斷面為圓形斷面，管片采用7+2+1分塊形式，用襯砌環(huán)，錯縫拼裝的施工方式，而斷面結(jié)構(gòu)采用管片+口子件的形式。其中，管片外徑15.2 m，管片內(nèi)徑13.9 m，管片環(huán)寬2 m，管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用螺栓連接。

根據(jù)項目施工設(shè)計圖快速建立BIM模型。其中，建模按照工程項目進行劃分，劃分為明挖段模型和盾構(gòu)隧道模型。建模完成后可以獲得整個項目的施工圖工程量，把預(yù)算模型掛接BIM施工協(xié)同管理平臺進行內(nèi)部共享，項目參建人員可以用后臺控制系統(tǒng)對所需要的數(shù)據(jù)進行查詢。BIM數(shù)據(jù)與施工圖紙高度對應(yīng)，模型輸出的工程量清單和材料清單可直接應(yīng)用于材料計劃，結(jié)合項目BIM模型，進行工程管理、驗收及計量支付。

使用Revit地形命令進行場地繪制，用放置點的方式確定地表各點的高程坐標，生成地表模型。通過分割命令將地表各個區(qū)域分割形成單獨的表面，賦予相應(yīng)材質(zhì)，能夠模擬地面的真實情況。下部土層可以采用內(nèi)建場地模型的方式，借助勘探圖土層邊界線、拉伸命令繪制各個土層，分別賦予相應(yīng)材質(zhì)、顏色，生成整體土層模型。針對該項工程實例，結(jié)合BIM建模規(guī)范標準和參照工程所提供的具體數(shù)據(jù)，構(gòu)建盾構(gòu)區(qū)間上部建筑物及地層BIM模型。

3.3 三維模擬

利用BIM技術(shù)開展了項目施工場地模擬和交通組織模擬等。在項目實施過程中，針對不同施工階段建立不同的施工模型，構(gòu)建每一個施工環(huán)節(jié)模型，保證每一個施工環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。BIM技術(shù)將施工現(xiàn)狀和施工設(shè)計方案相結(jié)合，更好地反映出施工實際情況，有利于對施工進行管理和控制。建立不同區(qū)域的BIM場地模型，根據(jù)盾構(gòu)隧道工程的實際施工情況確定臨建位置、塔吊布置、重型起重機械等設(shè)備，并對行走路線及空間運行合理性進行分析，布置加工場地及鋼筋、模板等堆場位置。由于該工程的施工預(yù)制構(gòu)件較多，現(xiàn)場須留出部分空地放置預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)用BIM技術(shù)信息化、可視化的特點，對預(yù)制構(gòu)件進行點對點堆放模擬，避免二次搬運。

該盾構(gòu)隧道工程中，需要對東面和西面兩部分進行明挖，建立相應(yīng)的隧道，盾構(gòu)隧道必須從西面進行構(gòu)建。施工時占用了主干道，開展了交通組織模擬。BIM模型作為基礎(chǔ)，遵循“借一還一”的原則，進行實際交通的模擬和仿真。根據(jù)現(xiàn)場的施工情況和交通情況等，運用BIM技術(shù)模擬交通疏導的實際效果，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況和交通流量等，局部調(diào)整交通疏導方案，保證交通和施工同步進行，減少施工對交通的影響。利用BIM模型保證了施工質(zhì)量，減少了因施工而帶來的交通問題，加快了施工進度。比如，東側(cè)明挖段交通疏解節(jié)約了4個月工期。

3.4 進度管理

在進度計劃軟件中完成該盾構(gòu)隧道工程項目初步進度計劃編制，將初步計劃導入到BIM施工協(xié)同管理平臺后，通過與BIM模型關(guān)聯(lián)實現(xiàn)對進度計劃進行模擬，如圖3所示。

根據(jù)檢查交叉作業(yè)頻繁、工期緊迫的特殊時間段的進度情況，分析出總進度情況及穿插作業(yè)的滯后對工作面交接的影響，優(yōu)化了進度計劃。進度計劃審批通過后，現(xiàn)場必須掃描構(gòu)件二維碼錄入實際進度信息，自動關(guān)聯(lián)BIM模型顯示實時進度，對構(gòu)件的編碼處理。對比分析形象進度和計劃進度，若進度偏離，關(guān)聯(lián)的構(gòu)件自動進度預(yù)警，進行進度偏差可視化，輔助建設(shè)單位、監(jiān)理單位協(xié)同施工單位開展進度協(xié)調(diào)糾偏。BIM技術(shù)模擬施工進度，邊箱涵、立柱現(xiàn)澆與盾構(gòu)掘進同步、預(yù)制車道板拼裝與盾構(gòu)掘進同步、隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進同步施工等能夠大幅降低隧道貫通后的工期壓力，可糾偏工期2個月。

3.5 材料消耗管理

BIM技術(shù)還可以對材料消耗進行管理控制，減少材料消耗，降低因材料產(chǎn)生的施工成本。BIM模型對構(gòu)件的數(shù)量進行統(tǒng)計和分析，計算出構(gòu)件的需求量，預(yù)估出材料的使用費用。該技術(shù)能夠?qū)⒉牧系南囊员砀竦男问竭M行顯示，將材料消耗直觀地反映給管理人員，方便管理人員對材料進行管理和對材料進行統(tǒng)計。材料消耗管理應(yīng)用BIM技術(shù)及時地評估因設(shè)計變更造成材料數(shù)量變化而引起的成本變動，有利于工程成本控制。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)可使復(fù)雜的盾構(gòu)隧道施工管理由繁化簡，讓信息傳遞更加方便快捷。BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道裝配式模型構(gòu)建、三維模擬、進度管理及其他施工管理等一系列應(yīng)用，使質(zhì)量安全管理、進度管理、施工技術(shù)管理等變得更加便捷。后續(xù)將結(jié)合盾構(gòu)隧道的技術(shù)發(fā)展與BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用，持續(xù)發(fā)掘新的應(yīng)用點，并將已有裝配式施工應(yīng)用點進一步推廣到更多的盾構(gòu)隧道項目施工管理過程中。

參考文獻

[1]戴林發(fā)寶. 隧道工程BIM應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題綜述[J]. 鐵道標準設(shè)計， 2015（10）： 99-102+113.

[2]徐博. 基于BIM技術(shù)的鐵路工程正向設(shè)計方法研究[J]. 鐵道標準設(shè)計， 2018（4）： 35-40.

[3]翟世鴻， 姬付全， 王瀟瀟， 等. 鐵路礦山法隧道BIM建模標準研究[J]. 鐵道標準設(shè)計， 2016（1）： 107-110.

[4]鐘宇， 周少東， 陳健， 等. 基于IFC標準的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型研究[J]. 地下空間與工程學報， 2017（S2）： 613-622 .

[5]喻鋼， 胡珉， 高新聞， 等. 基于BIM的盾構(gòu)隧道施工管理的三維可視化輔助系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2016（1）： 1-5+16.