泥水盾構(gòu)下穿渭河的BIM技術(shù)應用研究★

張 欣，李長鑫，解 洋，楊春奇，徐 可，丁 浩，李 杰

(1.中電建(西安)軌道交通建設(shè)有限公司,陜西 西安 710049；2.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院,陜西 西安 710049； 3.西安市軌道交通集團有限公司,陜西 西安 710049； 4.上海浦東開發(fā)(集團)有限公司，上海 201204)

現(xiàn)如今，我國的城市發(fā)展同地鐵工程的大力建設(shè)有著緊密的關(guān)聯(lián)。在地鐵工程施工期間，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)與信息，而當設(shè)計出現(xiàn)變更、施工條件發(fā)生變化及不可預見的情況發(fā)生時，更會引起信息的急劇增加，因此需要對其展開高效管理，才能夠保障地鐵工程施工的順利進行[1]。BIM技術(shù)的誕生，能夠有效提升地鐵工程的信息管理工作，是確保地鐵施工能夠朝著信息化、智能化、工業(yè)化發(fā)展的核心因素。此外，BIM技術(shù)在施工信息管理方面具有不可替代的優(yōu)勢，因此在開展盾構(gòu)法施工過程當中，同BIM技術(shù)相結(jié)合，能夠達成更為有效的信息管理[2]，是降低施工成本投入、加快施工進度的核心因素[3-4]。由此可見，對BIM技術(shù)在地鐵盾構(gòu)施工中的有效應用策略展開分析，是相關(guān)從業(yè)人員迫在眉睫需要處理的問題。而本次西安地鐵下穿渭河是西安一號線三期建設(shè)過程中最為復雜的一段施工，其下土層主要為富水砂層，地質(zhì)情況復雜，在陜西省范圍內(nèi)屬首次，并且依據(jù)西安地鐵規(guī)劃，類似的下穿還有7次～8次，因此科學安全的完成本次下穿有非常重要的意義，在此工程中BIM技術(shù)對施工安全性、高效性起到了極其重要的作用，并對其他遠期規(guī)劃中的類似工程具有十分重要的參考意義。

1 工程概述

本論文研究依托西安地鐵1號線三期工程，該工程西起咸陽秦都站，東至一號線二期工程起點站森林公園站，線路全長10.61 km(右線)，均為地下線，設(shè)7座車站，其中換乘站4座。

本項目擬建的中華西路—安谷路區(qū)間位于中華西路與安谷路之間，沿彩虹二路、世紀西路敷設(shè)，由北向南下穿濱河西路、渭河主河槽、河堤路、咸陽中鐵路橋有限公司、宇宏健康花城小區(qū)等，如圖1所示。

2 工程特點

本項目區(qū)間地層以中砂、細砂層為主，同時存在礫砂、圓礫、黏土層，其中區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)地層自上到下分別為粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、中砂、粗砂，盾構(gòu)區(qū)間處于中砂層。存在如下施工特點：

軟土地層沉降較難控制的特性。一般來說，只要泥水倉滿倉并建有適當?shù)耐翂?，地表的沉降都會得到有效控制，但在軟土層中即使泥水倉建有壓力，沉降有時也得不到有效控制，在盾構(gòu)掘進振動擾動下極易使原土體結(jié)構(gòu)破壞，使土體強度聚然降低，析出水分或減小空隙比使體積縮小，形成觸變性沉降。

區(qū)間結(jié)構(gòu)拱頂距河底豎向凈距約15.5 m，距最低沖刷線約5.4 m。穿越區(qū)域盾構(gòu)拱頂與地表之間主要為砂層等透水地層，盾構(gòu)掘進扭矩大、推力大，施工過程中如參數(shù)控制不當，極易引起地面沉降，可能產(chǎn)生冒頂、河水倒灌涌水等情況，影響盾構(gòu)施工安全，保證盾構(gòu)掘進過程中安全是本工程的重點。

在穿越地層滲透系數(shù)大的砂層時，注入掌子面前面的泥漿易被稀釋，很難形成隔水泥膜，泥水壓力難以建立，施工過程中如果控制不好，可能產(chǎn)生開挖面失穩(wěn)、河底冒漿等風險，控制好盾構(gòu)掘進參數(shù)，防止開挖面失穩(wěn)、制造高質(zhì)量的泥膜是本工程的重點。

針對以上施工難點，本項目擬通過對盾構(gòu)穿越時地面、河底等實測數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析結(jié)果對盾構(gòu)掘進參數(shù)進行反饋，實時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)保證盾構(gòu)安全順利穿越渭河。并依托BIM技術(shù)進行輔助工程施工，將測量監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析結(jié)果、盾構(gòu)掘進參數(shù)等數(shù)據(jù)鏈入BIM模型中，進行三維技術(shù)交底，提高盾構(gòu)施工信息化水平。

3 BIM技術(shù)應用點

3.1 項目部模型

安谷路站屬于一號線三期工程，位于咸陽市秦都區(qū)咸陽世紀西路與安谷路的交匯處，沿世紀西路呈東西向敷設(shè)。安谷路站為地下兩層島式車站，車站主體基坑長219.2 m。自小里程0.2%坡向大里程，標準段寬19.7 m，東西端頭井寬24.7 m，底板埋深約為17.5 m，覆土厚度中心里程處約3.5 m。車站主體采用明挖順作法施工，基坑支護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，基坑內(nèi)設(shè)鋼管支撐，車站主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置全外包防水層，車站共設(shè)4個出入口、2組風亭。根據(jù)所給平面圖設(shè)計資料及其他相關(guān)資料，使用Revit軟件建立安谷路站項目部的模型，如圖2所示。

3.1.1 一般特定構(gòu)件的建立

Revit自帶的族庫中有可用于直接調(diào)取并導入項目模型中的族文件，該類文件的存在可以顯著地提高地鐵建模的速度，為地鐵工程以及其他工程的應用提出了新的選擇方案。但由于目前BIM技術(shù)在地鐵工程中應用較少，數(shù)據(jù)庫族文件較少，所以針對于復雜的地鐵模型建模比較困難。不過，用戶也可以根據(jù)需求自主建立族文件，雖然族文件的建立過程比較復雜，但它可以大大降低重復建模的時間。所以在項目部的建立過程中，優(yōu)先選擇族文件數(shù)據(jù)庫中和項目相適配的模型，無法在數(shù)據(jù)庫族文件中找到的構(gòu)件，可按照其尺寸直接采用新建族文件的方式建立，并導入項目文件中。

3.1.2 復雜機械設(shè)備的建立

對于部分復雜的機械設(shè)備等構(gòu)件，因為組成其整體的各構(gòu)件尺寸千差萬別，且構(gòu)造細節(jié)繁多，如若真實還原所有構(gòu)造細節(jié)以建立該類模型，則建模工作量大、耗時長，使得建模成本增高。對于該類構(gòu)件，可直接在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相適應的族文件并插入到項目部模型中，而無法在數(shù)據(jù)庫中找到對應族文件的構(gòu)件，可以按照其型號在第三方插件中找到對應的族文件或者與之相似的族文件，并導入項目文件中。

因此在項目部建模過程中，主要分為兩類構(gòu)件：一類是需要自主建立的，一類是可以直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取導入的。前者耗時較長，但可調(diào)整性強，可以根據(jù)需求自由地調(diào)整構(gòu)件形狀和尺寸，以使模型可以真實、精確地體現(xiàn)出各分部的信息；后者耗時短，建模速度快，但模型的可調(diào)整性差。不過在建模過程中，二者各自有著不可被取代的優(yōu)點，所以在實際建模過程中，需要設(shè)計者根據(jù)項目的實際情況來斟酌如何利用它們各自的優(yōu)點進行建模。

而本項目前期，根據(jù)設(shè)計圖紙和資料，以及對安谷站項目部實際情況進行考察，將模型中需要建立的各構(gòu)件進行分類，對其中多數(shù)簡單的構(gòu)件自主建模，如濃縮池、混凝土管片、庫房等等。部分較為特殊、復雜的構(gòu)件在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取或在第三方插件中按照其型號找出相匹配的族文件，然后導入項目部模型文件中，如挖掘機、龍門吊等。此次安谷站項目部建模過程中，結(jié)合這兩種方法各自的優(yōu)點在不失精確度的條件下保證了效率，更加契合本次工程實際。

3.2 隧道模型

隧道建模過程中大都是機械、重復性的工作，手動建模效率低。另外，由于Revit軟件自身的曲面建模能力不足，即較難建立異形結(jié)構(gòu)及曲面模型，無法滿足用戶的個性化設(shè)計需求，所以Autodesk公司針對Revit曲面建模能力的不足推出了補充產(chǎn)品Dynamo插件。所以本項目BIM模塊的完成過程中，首先基于Revit軟件“所見即所得”的建模特點，使用其自身的功能對項目部模型和地質(zhì)地貌模型進行建模，而隧道模塊則引入了Dynamo插件來進行輔助建模。

Dynamo軟件因其可視化編程的特性，為該類建模工作提供了便利，因此本次項目中隧道部分模型的建立，主要使用的是Revit+Dynamo方法，該方法的基本原理是通過Dynamo驅(qū)動管片自適應族來實現(xiàn)參數(shù)化建模，在Dynamo中把管片環(huán)半徑、管片寬度、標準塊、連接塊、封頂塊的角度等參數(shù)作為基本參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后，就能確定每個管片的關(guān)鍵點，用來定位管片自適應族。這樣一來對盾構(gòu)隧道通用管片進行建模時，曲面、復雜孔洞等問題可以被有效解決，并可以根據(jù)不同的情況用于不同尺寸的隧道模型。

使用Dynamo+Revit方法建模的基本步驟如下：

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準備。根據(jù)隧道斷面的設(shè)計圖紙，以襯砌管片標準塊為底圖，然后制作以管片各角點和各長邊中點等共12個點為自適應點的自適應族構(gòu)件(見圖3)，節(jié)點編號按逆時針順序排列，然后以上下底面為約束面創(chuàng)建實心形狀，最后另存為rfa文件格式。

2)然后在Dynamo中進行編程，將代碼塊按一定邏輯連接在一起以構(gòu)成實現(xiàn)自定義算法的命令流，從而編制成可以驅(qū)動自適應管片族來實現(xiàn)參數(shù)化建模的第三方插件。

3)根據(jù)隧道路線的設(shè)計圖紙，將處理好的隧道中心軸線導入Revit，然后調(diào)整隧道管環(huán)外半徑、管片厚度、管片寬度、錯峰布置類型、管片圓弧角度等參數(shù)(見圖4)，最后運行Dynamo生成隧道模型(見圖5)。

3.3 地質(zhì)地貌模型

地貌由北向南依次通過渭河北岸二級階地、渭河河漫灘、渭河南岸一級階地三個地貌單元。區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)地層自上到下分別為粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、中砂、粗砂，盾構(gòu)區(qū)間處于中砂層。

隧道模型建立完成后，根據(jù)地質(zhì)勘測資料來優(yōu)化土層模型，自上而下分層建模，先拾取土層輪廓然后拉伸為土層模型，再使用不同的顏色來表示不同的土質(zhì)，并附上標注以標明各土層的具體信息。最后，突出顯示隧道模型，以直觀體現(xiàn)其與周圍圍巖體的相對位置關(guān)系，如圖6，圖7所示。

3.4 信息鏈入BIM模型

上述模型建立好后，需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析結(jié)果及盾構(gòu)掘進參數(shù)鏈入BIM模型中，以便直觀地觀察地層的沉降及力學響應，完成數(shù)字化移交。而Revit在這方面的功能尚不成熟，通過查閱相關(guān)資料，本項目將使用Bentley的Open Roads Designer軟件來實現(xiàn)該操作。其實施步驟為：在Revit中將建立好的BIM模型以dgn的格式導出，然后導入ORD軟件中;添加鏈接可以事先在資源管理器中創(chuàng)建鏈接，此種方式創(chuàng)建的鏈接保存在當前dgn文件中或當前工作空間中，方便其他文件導入或共享使用。通過資源管理器給元素添加鏈接，支持給一個元素加多種格式的多個鏈接，也可以選中元素后右鍵菜單向模型中各元素添加鏈接。

添加的鏈接可以是單個的圖片、文檔、視頻、網(wǎng)頁鏈接等，也可以將整個文件夾作為鏈接。然后選擇處理好的力學數(shù)據(jù)圖像、材料屬性表格、施工現(xiàn)場照片、工序視頻或網(wǎng)頁鏈接等施工相關(guān)資料完成信息的鏈入，分別在各沉降處鏈入左右線的沉降數(shù)據(jù)，在各盾構(gòu)管片上鏈入有限元分析結(jié)果，如管片位移、土體位移、掌子面位移隨掘進壓力、注漿壓力和水深的變化情況，以及管片內(nèi)力隨掘進壓力的變化情況等施工過程中產(chǎn)生的相關(guān)信息。信息鏈入完成后，雙擊該處的鏈接點就可以調(diào)取出該點的工程相關(guān)信息，如圖8所示。

這樣點對點的鏈入方法，有助于參建各方直觀地獲取模型的相關(guān)信息，提高了模型的信息化水平，且成本較低。此外，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果導入BIM模型當中，突破了在以往的課題研究過程中，監(jiān)測及有限元分析所研究的對象難以清晰地被表示出來，從而導致其他學者無法直觀地接收到研究人員所闡述對象的位置、形狀、材質(zhì)等相關(guān)屬性的信息。因此可以通過使用Revit+ORD的方法，在BIM模型中直觀地展示出各課題研究人員著重研究和分析的對象的相關(guān)信息，如監(jiān)測點、土體最大位移點、管片最大內(nèi)力點等特殊點的位置，不僅起到了直觀展示的作用，還為監(jiān)測和有限元分析提供了有利的著手點。

3.5 BIM輔助管理平臺

最后可以將Web端信息集成平臺鏈入上述模型中，同樣點擊鏈接點即可彈出該平臺，然后現(xiàn)場的工作人員和技術(shù)人員可以實時地將現(xiàn)場相關(guān)資料進行上報，從而高效地對項目進行進度管理、質(zhì)量管理、安全管理等[5]。

例如施工進度管理，可以對施工計劃進度進行審核或者變更；質(zhì)量管理可以進行方案報批和原材料進場審批以及施工技術(shù)交底等操作；安全管理可以上報員工入職體檢和入職相關(guān)培訓的信息，還有日常安全考核和季度安全考核等安全管控情況；這些信息都可以從現(xiàn)場及時地申請上報，然后管理人員可以通過平臺實時掌控所有信息，提高了項目管理的效率，以及數(shù)字化移交的水平。

4 結(jié)語

本文依托西安地鐵1號線三期工程進行了BIM建模研究，利用了Revit,Dynamo軟件各自的特點，分別對項目部、隧道、地質(zhì)進行了建模，并在傳統(tǒng)BIM建模的基礎(chǔ)上結(jié)合使用了Open Roads Designer軟件，有效地提高了模型的信息化水平，優(yōu)化了場地布置，節(jié)約了施工用地?，F(xiàn)將本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下：

1)建立了安谷站場地模型，分別對施工場地進行了詳盡的建模，如濃縮池、混凝土管片、庫房等等，部分較為特殊、復雜的構(gòu)件在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取或在第三方插件中按照其型號找出相匹配的族文件，然后導入項目部模型文件中，將場地模型進行優(yōu)化，合理布置泥水盾構(gòu)場地，節(jié)約了用地，降低了施工成本。

2)根據(jù)設(shè)計資料、地勘信息對中-安區(qū)間隧道模型、地層模型及周圍地物地貌模型進行了建立，可清晰查看區(qū)間沿線三維空間地層分布情況，為盾構(gòu)機提前預判施工風險、動態(tài)修正掘進參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整提供了依據(jù)。

3)在BIM模型中獨創(chuàng)性的將盾構(gòu)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)以及有限元分析結(jié)果進行可視化鏈入，從而可清晰查看盾構(gòu)掘進過程中地面監(jiān)測點及河道中沉降標沉降、隆起等數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)信息化施工及時調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)提供了便捷的幫助。

4)最后提出可以通過鏈入Web端平臺的方式，對施工現(xiàn)場的相關(guān)資料進行集成，將現(xiàn)場上報的數(shù)據(jù)、信息等及時地反饋給管理人員，從而有利于加快現(xiàn)場工作的推進及工程施工質(zhì)量的保障，大幅地提高了工程管理的效率，對項目的順利完成具有重要意義。