BIM技術(shù)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用

王 新,劉振華,謝旺軍,張彭云

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023;2.中鐵一局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司,陜西 咸陽 712099)

0 引言

在鐵路工程建設(shè)中,鐵路隧道是十分重要的一部分,通常此類工程位于偏僻的山區(qū)、峽谷,不僅施工條件惡劣,而且還會(huì)受到工程現(xiàn)場水文地質(zhì)的影響,給隧道施工管理帶來困難,因此順利、安全地開展隧道施工并有效完成,成為工程行業(yè)亟須探討并解決的問題。信息科技的高速發(fā)展為解決上述問題打好了基礎(chǔ),要想科學(xué)管理鐵路隧道施工,施工單位可將BIM技術(shù)合理應(yīng)用到工程管理工作中,BIM技術(shù)基于三維數(shù)字技術(shù),通過綜合工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息能有效構(gòu)建信息模型。而且在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)部門、施工人員都能參與到模型信息提取、修改與更新中,這樣也能幫助各部門協(xié)同作業(yè)。

本文提出鐵路隧道施工中BIM技術(shù)應(yīng)用模式、模型構(gòu)建方法、管理技術(shù)、管理平臺(tái)等應(yīng)用策略,為今后的鐵路隧道決策、施工管理、運(yùn)維工作提供參考依據(jù)。

1 鐵路隧道BIM應(yīng)用模式分析

依據(jù)中國鐵路隧道施工的管理體制以及建設(shè)情況,本文可通過由建設(shè)單位主導(dǎo),施工與設(shè)計(jì)單位一同參與的形式應(yīng)用BIM技術(shù),而該技術(shù)的應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 鐵路隧道施工的BIM應(yīng)用模式圖

在應(yīng)用BIM技術(shù)的過程中,在設(shè)計(jì)初期建設(shè)單位就要做好BIM技術(shù)的整體應(yīng)用規(guī)劃,還要明確設(shè)計(jì)單位、施工單位的應(yīng)用內(nèi)容與責(zé)任,隨后還要協(xié)調(diào)性管理BIM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于設(shè)計(jì)單位而言,設(shè)計(jì)人員要結(jié)合工程實(shí)際情況構(gòu)建BIM技術(shù)模型,合理應(yīng)用BIM技術(shù)能將鐵路隧道的設(shè)計(jì)情況直接呈現(xiàn)出來,這不僅有利于設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)的地方,還能不斷優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì),進(jìn)而提高設(shè)計(jì)工作的有效性、先進(jìn)性。在結(jié)束上述工作后,設(shè)計(jì)單位需將設(shè)計(jì)初稿、模型交給施工單位,其間要確保模型信息與圖紙上的內(nèi)容相一致,施工單位便可結(jié)合圖紙與模型合理制定施工方案,構(gòu)建施工BIM模式。在此技術(shù)與模擬科技的幫助下,施工方案能得到優(yōu)化,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并與設(shè)計(jì)單位有效溝通進(jìn)行整改,設(shè)計(jì)單位在確保沒有任何問題后便可出圖。此外,在實(shí)際建設(shè)的過程中,施工單位要結(jié)合工程情況合理構(gòu)建BIM管理平臺(tái),還要對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量等方面進(jìn)行可視化管理,科學(xué)指導(dǎo)施工建設(shè),將隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。在完成項(xiàng)目作業(yè)后,施工單位要將竣工BIM模型交給建設(shè)單位[1]。

2 鐵路隧道BIM模型的構(gòu)建方法

鐵路隧道施工存在線性特征,不同區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境不同,單位可根據(jù)地質(zhì)情況以及隧道建筑分別建模,具體情況如圖2所示。結(jié)合圖例可以發(fā)現(xiàn),地質(zhì)模型可在虛擬場景布置中進(jìn)行應(yīng)用,也能優(yōu)化設(shè)計(jì)單位的圖紙與模型設(shè)計(jì)工作。隧道建筑模型有利于施工管理工作的開展,能對(duì)施工過程進(jìn)行有效模擬。在構(gòu)建完模型之后,借助線路里程以及地理坐標(biāo)關(guān)系便可將建筑模型投放到地理空間內(nèi),隨之整合模型進(jìn)而構(gòu)建出一個(gè)較為真實(shí)的虛擬施工環(huán)境。之所以構(gòu)建地質(zhì)模型與隧道建筑模型,是為了在鐵路隧道復(fù)雜的地質(zhì)情況下,方便計(jì)算機(jī)操作,精準(zhǔn)地展現(xiàn)BIM技術(shù)的優(yōu)勢。地質(zhì)模型主要依據(jù)地形數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形模型,結(jié)合隧道地質(zhì)測繪情況與橫斷面等便能構(gòu)建地質(zhì)模型,同時(shí)可用不同顏色代表不同地層,再依據(jù)現(xiàn)場圖片便能實(shí)現(xiàn)地層處理,從而確保構(gòu)建的模型與工程實(shí)際情況相一致。隧道建筑模型的構(gòu)建是通過不同單位對(duì)工程項(xiàng)目管理的分工來完成,涉及很多構(gòu)件信息,如混凝土強(qiáng)度以及材質(zhì)等方面。

圖2 設(shè)計(jì)期間鐵路隧道BIM技術(shù)模型圖

3 以BIM技術(shù)為主的鐵路隧道施工管理技術(shù)

3.1 4D虛擬施工

在實(shí)際作業(yè)中,單位可采用Project計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)工程三維模型和進(jìn)度計(jì)劃的有機(jī)結(jié)合,以構(gòu)建4D施工模型。此模型能夠真實(shí)模擬項(xiàng)目的不同施工過程,呈現(xiàn)隧道施工工序,有利于后續(xù)的施工管理。針對(duì)較為關(guān)鍵的施工工序也可模擬和優(yōu)化,得到更加高效、優(yōu)質(zhì)的施工方案,并結(jié)合工程情況制作施工動(dòng)畫[2]。

3.2 可視化交底管理

在施工建設(shè)中,相關(guān)人員還應(yīng)將工程交底信息與施工情況、BIM模型有機(jī)整合到一起,這樣便可構(gòu)建出綜合性較強(qiáng)的交底信息資料庫,從而進(jìn)行可視化交底作業(yè),具體情況如圖3所示。在施工人員觸碰任一構(gòu)件時(shí)便可查找到此構(gòu)件的詳細(xì)信息,其中包括設(shè)備情況、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及材料數(shù)據(jù)等,可讓施工人員迅速了解工程施工的具體要求。

圖3 交底信息資料庫圖

3.3 4D施工進(jìn)度管理

使用不同的顏色區(qū)分構(gòu)件的進(jìn)展情況,如未開始施工、施工過程中等,之后還要依據(jù)進(jìn)度計(jì)劃制定項(xiàng)目高亮預(yù)警,以便管理人員能直觀、清晰掌握工作的進(jìn)展?fàn)顟B(tài),同時(shí)也能了解哪些區(qū)段處于進(jìn)度滯后情況,以便對(duì)這些區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。施工人員可將拍攝的施工圖片上傳到模型中,這不僅能記錄施工整個(gè)過程,還能提高信息的完整性、科學(xué)性,了解施工與計(jì)劃存在的差異,有利于糾偏工作的開展。

3.4 4D施工安全評(píng)估管理

在這一階段涉及了很多內(nèi)容:(1)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作,結(jié)合圍巖等級(jí)以及地質(zhì)條件自動(dòng)識(shí)別施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),用不同的顏色標(biāo)注施工環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)程度,在一定程度上有利于后續(xù)施工的開展;(2)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警,通過將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)以及BIM有機(jī)聯(lián)系到一起,在拱頂下沉等一系列監(jiān)測數(shù)據(jù)超過最初設(shè)定的閾值時(shí)模型系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警,同時(shí)在模型中以紅色顯示危險(xiǎn)區(qū)域;(3)日常安全管理,在實(shí)際工作中工程安全隱患的可視化管理涵蓋了很多內(nèi)容,如定位、查找隱患區(qū)域以及提示預(yù)警等,這一過程在很大程度上都有利于日常安全管理工作的開展。

3.5 4D質(zhì)量監(jiān)控

(1)需將三維構(gòu)件與技術(shù)質(zhì)量有機(jī)聯(lián)系在一起,使用不同顏色標(biāo)注構(gòu)件的不同檢測結(jié)果,這不僅有利于施工管理人員快速找到出現(xiàn)質(zhì)量問題的區(qū)域,還能結(jié)合具體情況進(jìn)行針對(duì)性質(zhì)量管控。(2)施工人員能迅速查閱構(gòu)件相關(guān)的質(zhì)量資料,其中包括質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測文件等,這不但能幫助管理人員更好地管理施工現(xiàn)場,還能追溯工程構(gòu)件質(zhì)量資料。(3)還要結(jié)合構(gòu)件展開全面的質(zhì)量檢查工作。在此作業(yè)中施工人員要及時(shí)上傳質(zhì)量相關(guān)的照片,有利于單位開展閉合式質(zhì)量管理工作[3]。

3.6 資源管理以及項(xiàng)目總控

在工程建設(shè)中要結(jié)合條件與區(qū)域情況合理統(tǒng)計(jì)各種材料的使用用量,這不僅有利于構(gòu)建材料需求方案,還能針對(duì)材料消耗情況進(jìn)行分析。而要想全面落實(shí)項(xiàng)目總控,還要將施工進(jìn)度、質(zhì)量以及安全等信息有機(jī)整合到一起,找到工程項(xiàng)目存在的問題,以指標(biāo)趨勢進(jìn)行展示,以利于項(xiàng)目管理人員整體把握。

4 施工管理平臺(tái)的構(gòu)建

通過BIM技術(shù)可有效構(gòu)建BIM施工管理平臺(tái)。從整體角度看,管理平臺(tái)是基于三維數(shù)字、BIM技術(shù)施工模型來搭建,同時(shí)將施工涉及的各種信息融入模型之中,隨之產(chǎn)生了施工集成管理環(huán)境。以IFC為基礎(chǔ)來落實(shí)BIM數(shù)據(jù)集成管理,不僅能將各種軟件的數(shù)據(jù)有效集成、共享,還能不斷擴(kuò)展施工環(huán)節(jié)的工程數(shù)據(jù),如下頁圖4所示為管理平臺(tái)的系統(tǒng)框架。

由圖4可知,該平臺(tái)可分成三級(jí)架構(gòu),在數(shù)據(jù)層可管理并存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)信息,其數(shù)據(jù)庫采用了適宜的應(yīng)用軟件,不僅能存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息,還能對(duì)分布異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)、共享;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口可快速轉(zhuǎn)換施工進(jìn)度等非IFC格式的數(shù)據(jù),文件解析器可導(dǎo)入、解析BIM建模軟件構(gòu)建的IFC格式模型。在模型層可結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求開展BIM數(shù)據(jù)集成式管理并通過3D方式呈現(xiàn),隨后可生成4D施工模擬等子信息模型。在應(yīng)用層可把握進(jìn)度管理,突出風(fēng)險(xiǎn)控制,做好4D施工模擬以及進(jìn)度管理等其他業(yè)務(wù)管理,有利于BIM技術(shù)以及總控管理的作用全面發(fā)揮。由于鐵路隧道施工涉及很多方面的內(nèi)容,再加上網(wǎng)絡(luò)條件差,無法便利攜帶計(jì)算機(jī),所以可以移動(dòng)終端為基礎(chǔ)添設(shè)輕量化查詢以及信息報(bào)送等功能,由施工管理人員運(yùn)用智能手機(jī)便可及時(shí)查詢模型與技術(shù)相關(guān)的質(zhì)量資料,還能將工程現(xiàn)場的施工進(jìn)度、質(zhì)量等以圖片的形式上傳到相應(yīng)構(gòu)件,自動(dòng)保存進(jìn)BIM數(shù)據(jù)庫[4]。

圖4 施工管理平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架圖

5 BIM在清涼山隧道工程中的具體應(yīng)用

我國清涼山隧道總長共計(jì)12 553 m,該工程不但跨越了秦嶺山地,還途經(jīng)很多水域,其間難免存在不良地質(zhì)情況,施工也具備較大的風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)工程項(xiàng)目的具體需求,構(gòu)建了BIM施工模型,對(duì)施工開挖、襯砌等諸多工序也進(jìn)行了施工模擬,如圖5所示,不僅取得了較好的成效,還將工程施工的質(zhì)量、效率全面提高[5]。

圖5 施工過程模擬圖

6 結(jié)語

總而言之,將BIM技術(shù)靈活應(yīng)用到鐵路隧道施工建設(shè)中,不但能在施工建設(shè)前將工程設(shè)計(jì)問題全面解決,還能將設(shè)計(jì)內(nèi)容與施工建設(shè)不符的情況消除。在BIM模型信息屬性的幫助下,隧道工程的施工建設(shè)也能趨于數(shù)字化發(fā)展,這不僅能實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的可視化與集成化管理,還能將工程的風(fēng)險(xiǎn)管控能力最大限度地提升。此外,結(jié)合具體工程實(shí)踐,BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)與施工的一體化發(fā)展,在施工管理平臺(tái)的作用下施工現(xiàn)場可得到精細(xì)化管理。BIM技術(shù)具備極大的應(yīng)用價(jià)值與空間,應(yīng)進(jìn)一步提高對(duì)BIM技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究力度。