BIM 技術(shù)在市政頂管工程施工中的應(yīng)用探索

周 煌，孫余好，吳亞華，邢鵬飛

（核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

建筑信息模型（Building information modeling）作為一項信息技術(shù)手段，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點［1-2］，廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，學(xué)者們從協(xié)同設(shè)計、軟件開發(fā)、施工管理等全生命周期多個角度進行理論和實踐研究［3-5］，并取得豐碩成果。隨著 BIM 技術(shù)的推廣，市政工程領(lǐng)域也開始不斷嘗試運用，如公路橋梁和地下綜合管廊工程中，但在頂管施工項目中應(yīng)用案例較少。

本文以實際工程項目為背景，運用 BIM 技術(shù)對頂管施工過程中各道工藝工序進行模擬，集中體現(xiàn)在臨建場地布置、工藝仿真模擬、方案預(yù)演優(yōu)化、鋼筋用量統(tǒng)計和頂管線型模擬等方面，基本實現(xiàn)了長線型頂管施工過程中的 BIM 集成應(yīng)用。

1 工程概況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程屬于國家水利重點 172 項目，項目總造價 64 億元。筆者公司承建第三標段，本標段分三條支線：金水湖支線、城門支線（下穿烏龍江）、長樂支線。主要工作內(nèi)容包括 17 座沉井（平均 25 m 深），13.81 km 鋼管頂管施工，合同總價 3.04 億元。

1）本工程的重難點。①沉井周邊環(huán)境復(fù)雜，1#井位于吉隆商混攪拌站，2#、3#、4# 井 位于國際級濕地公園，5# 井位于城門水廠，且旁邊有水文監(jiān)測站、高層民房，沉井下沉控制要求高，難度大。②水頭壓力大，城門支線位于烏龍江的下方，最大水頭壓力 35 m，對頂管設(shè)備的防水以及人員水下高壓換刀作業(yè)的要求極高。③管線橫穿福廈高鐵，如何在不影響運營的情況下完成施工任務(wù)，是面臨的嚴峻難題。

2）運用 BIM 的原因。①項目以各個井位為基點，進行施工現(xiàn)場的區(qū)域劃分，但井位周邊毗鄰高鐵線路、房屋、工廠等其他建筑，沉降控制要求高且場地狹小，需要較高的場布合理性。②工藝技術(shù)難度高，在本項目中，有一段高水壓條件下的超長距離曲線硬巖頂管，難度大、要求高，且工藝繁多、復(fù)雜，另有一段橫穿福廈鐵路，施工方案的優(yōu)化與工期的調(diào)整都存在很大的困難，急需一種手段實現(xiàn)方案比選和清晰直觀的技術(shù)交底；③項目共要建設(shè) 17 座沉井，13.81 km 鋼管頂管，且每段支線相隔的平均距離超過 20 km，作業(yè)線極長，統(tǒng)一管理難度大。

2 場地平面布置規(guī)劃應(yīng)用

本工程以各個井位為基點，進行施工現(xiàn)場的區(qū)域劃分，場地多而分散，面積狹小，使得材料堆場、用電設(shè)備等各類臨建設(shè)施需要更加科學(xué)合理地靈活布置。

借助 BIM 施工現(xiàn)場布置軟件、revit 和其他渲染軟件，將平面抽象的場地布置圖轉(zhuǎn)化為立體直觀的三維實景圖（見圖 1），以更加科學(xué)的手段規(guī)劃布置現(xiàn)場，指導(dǎo)后期施工。

圖1 井位綜合場布圖

以《核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司標準化圖冊》為基礎(chǔ)，結(jié)合業(yè)主、地方要求，利用BIM技術(shù)對現(xiàn)場安全文明標化進行三維設(shè)計，指導(dǎo)現(xiàn)場標化布置，結(jié)合模型并根據(jù)實際情況進行綜合改良，如圖 2 所示。

3 沉井施工中的應(yīng)用

本工程總共 17 座沉井（平均 25 m 深），沉井施工主要包括：沉井澆筑、沉井下沉，沉井澆筑采用分段澆筑的方式，沉井下沉工藝主要采用平衡開挖的方式下沉，以保證下沉過程中的穩(wěn)定性。采用 BIM 技術(shù)對整個沉井施工過程進行仿真模擬（見圖 3），以形象的三維動畫作為建設(shè)項目的信息載體，方便了項目技術(shù)人員的溝通與交流，強化了技術(shù)交底的深度和維度。

在沉井施工前運用 BIM 軟件建立沉井鋼筋結(jié)構(gòu)模型，提取鋼筋用量，可運用軟件將鋼筋的數(shù)量、規(guī)格、長度快速導(dǎo)出，從而為確定材料使用量及進場時間提供依據(jù)，有助于推動項目成本管理的科學(xué)發(fā)展，進行事前控制。

4 頂管施工中的應(yīng)用

4.1 BIM 工藝模擬

在長距離頂管施工中，所涉及的工藝設(shè)備種類、安拆順序、注漿方式、頂進方式和機頭的選取，都是質(zhì)量控制的要點。在本項目中，利用 BIM 技術(shù)對上述一系列頂管施工過程進行仿真模擬。

1）沉井下沉到位后，進行底板澆筑，達到強度后依次安裝鋪設(shè)導(dǎo)軌、測量儀器、操作平臺、后靠背、機頭、頂鐵和頂管，如圖 4 所示。

圖4 井下設(shè)備安裝

2）頂管內(nèi)軸線測量控制，激光經(jīng)緯儀架設(shè)在測量臺上，使儀器中心平面及高程與頂管軸線相一致，通過觀測光靶激光點走向確定頂管頂進的偏離值，如圖 5 所示。

3）頂管施工采用泥水平衡工藝，觸變泥漿減摩技術(shù)，每個注漿斷面布置 3 個注漿孔，在頂進過程中減摩泥漿采用多點對稱壓注使泥漿均勻地填充在管節(jié)外壁和周圍土體間的空隙，來減少管節(jié)與土體間的摩阻力，起到降低頂進阻力的效果，如圖 6 所示。

圖6 管節(jié)外壁注漿

4）在頂管機接近接收井時，根據(jù)貫通測量結(jié)果和頂管機中心位置在圍護墻上實際放樣，鑿除洞口并布置好接收導(dǎo)軌，機頭預(yù)調(diào)一定仰角，做好一系列接收準備工作，如圖 7所示。

4.2 BIM 技術(shù)方案模擬

1）本項目有 3 km 屬于高水頭壓力下頂管施工，機頭換刀作業(yè)危險性高，可能存在破碎倉內(nèi)水壓力大、作業(yè)期間大量滲水的狀況，因此整個作業(yè)過程必須嚴格按照預(yù)先制定好的方案實施。但由于機頭內(nèi)空間狹窄、情況復(fù)雜，換刀作業(yè)專業(yè)性強，書面的帶壓換刀的安全措施較為繁瑣、抽象，因此，項目決定采用 BIM 技術(shù)對帶壓換刀方案進行模擬預(yù)演，在這一過程清晰直觀地查缺補漏、優(yōu)化了方案的同時豐富了技術(shù)交底的手段，內(nèi)容令人印象深刻，如圖 8 所示。

2）長樂支線段下穿福廈鐵路的方案比選（見圖 9）：該段管道總長 383.59 m，起點位于福廈鐵路 1 標段第二動車所紅線外東側(cè) 34 m 處，終點位于福廈鐵路 1 標段第二動車所紅線外西側(cè) 25 m 處，通過 BIM 技術(shù)進行分析：①方案鋼套管整體性好，安全性高，可以很好地適應(yīng)此種工況，但造價高；②方案鋼混凝土套管接頭較多，整體性較差，容易發(fā)生不均勻沉降，但造價低；③方案箱涵的安全性高，維修方便，但投資成本過大，對運營鐵路產(chǎn)生的影響也大。

綜上所述，鋼套管整體性好，安全性高，從一次施工改為二次施工，極大降低了施工難度，滿足連續(xù)作業(yè)的各種工況，造價也在合理區(qū)間，對福廈鐵路影響最小。

本項目運用 BIM 技術(shù)對此階段綜合施工工藝進行 3 個方案的比選，運用 Revit、3ds max 軟件的互通協(xié)作，將 3 類方案的施工環(huán)境、工藝方法形象直觀地展現(xiàn)出來，從而使得技術(shù)部門更好地進行決策和優(yōu)化。

4.3 超長距離曲線過江段線型模擬

城門支線 5#～4# 長度 1 14 4.9 m，下穿烏龍江，曲線段曲率半徑 1/6 000，有 541 m 在弱風化凝灰熔巖中頂進，項目選用泥水平衡頂管掘進機，穿越 120 MPa 硬巖層、中粗砂、粉砂層、黏土層、粉質(zhì)黏土層、飄石、流木等沉積障礙，屬于超長距離曲線硬巖頂管，水文地質(zhì)情況復(fù)雜，極易造成施工困難，施工難度國內(nèi)罕見。根據(jù)類似項目的經(jīng)驗，容易出現(xiàn)卡管、塌方、頂進方向失控等問題。

項目通過 B I M 軟件對過江頂管段的線型進行 1∶1 建模（見圖 10），在長距離曲線過江頂管施工前提前進行線型模擬，首先在模擬頂進過程中發(fā)現(xiàn)多處碰撞，如在距第一段拐點 43.3 m 處機頭管壁與巖壁產(chǎn)生了碰撞，必須進行及時糾偏，此時需要提前調(diào)整機頭姿態(tài)，完成過渡；其次，記錄下問題發(fā)生的頂進樁號和軸線角度，為實際頂進提供詳細的參考數(shù)據(jù)；最后，將模型數(shù)據(jù)用 3 D 打印技術(shù)輸出，可用于方案演示或技術(shù)交底，內(nèi)容清晰直觀。此處的成功運用，為項目部提前發(fā)現(xiàn)問題，制定方案措施，減少損失提供了極大的幫助。

4.4 模塊化的構(gòu)件生產(chǎn)與加工

硬巖段的環(huán)境條件較為復(fù)雜，頂管的設(shè)計參數(shù)需要進行優(yōu)化調(diào)整。通過對硬巖段曲線頂管施工進行數(shù)值模擬，確定了施工管節(jié)結(jié)構(gòu)和受力情況，運用 BIM 技術(shù)進行建模（見圖 11），進一步優(yōu)化了管節(jié)材料及尺寸，為定制生產(chǎn)加工提供依據(jù)，保證了硬巖段施工的安全可靠。

圖11 模塊化的構(gòu)件預(yù)制加工

4.5 BIM+VR應(yīng)用

在 BIM 建模的基礎(chǔ)上使用 VR 技術(shù)，針對超長距離曲線硬巖過江頂管中可能出現(xiàn)的高處墜落、管道滲漏灌水、障礙物阻塞、帶壓換刀等突發(fā)狀況，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，提前模擬演練（見圖 12）。

5 結(jié)論

本文結(jié)合平潭頂管項目工程的重難點，運 BIM 技術(shù)對施工場地布置、沉井施工工藝、工程量計算、井內(nèi)設(shè)備安裝次序，頂進測量要點、注漿工藝過程、頂管機頭進入接收井技術(shù)要點，以及高水頭壓力下?lián)Q刀作業(yè)方案預(yù)演、穿越福廈高鐵方案比選和長距離曲線過江段頂進路線等進行了多維度的應(yīng)用，有助于解決類似線性工程場地狹小的合理布置問題，提高項目方案的比選優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)交底的溝通效率，還能對難度較大的施工分項進行施工模擬，獲取信息的同時提前采取措施。本項目的 BIM 綜合應(yīng)用，涵蓋了頂管工程具體施工的內(nèi)容，為 BIM 技術(shù)在市政頂管工程的應(yīng)用發(fā)展起到了較為積極的推進作用。Q