BIM技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究

針對(duì)某地鐵隧道建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)與難點(diǎn)，通過對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行借鑒以及創(chuàng)新應(yīng)用，探索其在施工階段的BIM應(yīng)用點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)BIM的應(yīng)用點(diǎn)情況進(jìn)行了整理與總結(jié)。

BIM技術(shù)； 盾構(gòu)隧道； 建筑信息模型； 施工階段； 管片

TP391.99A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-02

［作者簡介］呂文杰（1997—），男，本科，助理工程師，主要從事土木工程、BIM工程工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

1.1" 項(xiàng)目簡介

以某地鐵隧道施工項(xiàng)目為例，本區(qū)間右線采用2段曲線，曲線半徑分別為600 m、1 300 m。左線采用2段曲線，半徑分別為600 m、1 300 m。線路中心線間距為13～14 m。區(qū)間縱斷面成節(jié)能坡，線路出中山公園站以2‰坡度上升，然后以23‰坡度下降，再以5.06‰坡度下降，到達(dá)最低點(diǎn)后，27.03‰坡度上升，最后走平坡至南門站。區(qū)間隧道縱坡呈“V”型，最大縱坡為27.03‰，最小縱坡為2‰。隧道埋深為4.8～21.4 m。中山公園站—南門站區(qū)間右線起終點(diǎn)里程為YJXDK3+690.379—YJXCK5+218.427，右線長1 528.048 m；左線起終點(diǎn)里程ZJXDK3+690.379—ZJXCK5+218.427，短鏈5.022 m，左線長1 523.026 m，左右線全長3 051.074 m。

本區(qū)間于YJXCK4+623.070設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道，在YJXCK4+213.000設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房。區(qū)間主要穿越②2粉土、②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2黏土、⑥3t粉砂、⑥4粉質(zhì)黏土層。

1.2" 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

本工程的關(guān)鍵工期條件很緊，必須統(tǒng)籌計(jì)劃、協(xié)調(diào)布置，并嚴(yán)格控制工程施工進(jìn)度。盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，管片直徑為6.7 m，為大直徑盾構(gòu)區(qū)間。

本項(xiàng)目關(guān)鍵工期要求較緊，施工前要統(tǒng)籌策劃、協(xié)調(diào)安排，嚴(yán)各把控項(xiàng)目施工進(jìn)度。地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越土層較多，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越無基礎(chǔ)或者淺基礎(chǔ)房屋、河流及高大建筑物，區(qū)間掘進(jìn)困難。

2" BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1" BIM應(yīng)用目標(biāo)

按照本工程建筑的特點(diǎn)，通過借鑒BIM技術(shù)以及在原BIM技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新后再次應(yīng)用。本項(xiàng)目全部BIM成果必須是以服務(wù)現(xiàn)場施工為前提，力求通過三維場地布置、可視化交底、工程量計(jì)算、管理平臺(tái)等BIM應(yīng)用，在施工前解決圖紙中的問題，優(yōu)化施工流程，加強(qiáng)施工進(jìn)度管理，提升施工中的質(zhì)量及安全，達(dá)到云管理、降低成本提升經(jīng)濟(jì)和效益為目的。其次，將本工程的BIM應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行推廣的目的，響應(yīng)國家及公司對(duì)發(fā)展BIM技術(shù)應(yīng)用的號(hào)召。實(shí)現(xiàn)信息化管理、提高項(xiàng)目建設(shè)的管控能力。

2.2" 軟硬件環(huán)境

本工程BIM技術(shù)的開展主要以Revit的主要建模軟件，以Dynamo插件、構(gòu)件塢族庫等為輔助的形式，解決參數(shù)化建模及場地布置等問題。保證建立達(dá)到施工過程中BIM指導(dǎo)施工的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)以及到后期竣工需要交付模型的標(biāo)準(zhǔn)來完成建模。為滿足BIM應(yīng)用需要，小組同時(shí)利用NavisWorks、3DMax、廣聯(lián)達(dá)云BIM土建計(jì)量平臺(tái)等多種軟件實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用及協(xié)同工作。BIM工作組配有性能較高的臺(tái)式電腦、DJI無人機(jī)等硬件設(shè)備，用以保證項(xiàng)目BIM技術(shù)的開展與應(yīng)用工作。

3" BIM建模及技術(shù)應(yīng)用

3.1" BIM隧道模型

本項(xiàng)目模型建立基本數(shù)據(jù)設(shè)定為外徑6 700 mm，內(nèi)徑6 000 mm，建筑限界5 700 mm，襯砌厚度350 mm，每環(huán)寬為1 200 mm，楔形量（雙面楔形）54 mm的大直徑盾構(gòu)隧道模型。每環(huán)管片由一個(gè)封頂快（KZ），兩個(gè)鄰接塊（L1Z、L2Z）和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊（B1Z、B2Z、B3Z）組成，拼裝點(diǎn)位為封頂快左偏22.5°和右偏22.5°。在建立本模型時(shí)，應(yīng)考慮管片的整體切割方式，保證各類型的盾構(gòu)管片能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化。

在建立模型的時(shí)候，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模。使用Revit軟件對(duì)隧道的通用管片模型進(jìn)行建模，依次建立可以有效解決建模時(shí)的曲面、復(fù)雜孔洞等問題。并根據(jù)不同的情況用于不同的隧道管片模型。如圖1所示，分別使用自適應(yīng)方式創(chuàng)建KZ（封頂快）、L1Z（鄰接塊）、B1Z（標(biāo)準(zhǔn)塊）管片族、聯(lián)絡(luò)通道族庫。并通過嵌套方式形成管片構(gòu)件，如圖2所示。自適應(yīng)管片族庫可根據(jù)區(qū)間設(shè)計(jì)曲線的坐標(biāo)，適應(yīng)不同斷面尺寸和變坡點(diǎn)，自動(dòng)形成閉環(huán)。建立完成的管片族庫模型，可以通過改變模型參數(shù)，快速更改模型直徑、角度、厚度等。參數(shù)化建模有效增加了隧道管片模型的適用性，并滿足管片錯(cuò)峰拼裝的設(shè)計(jì)要求，以及逐步完善企業(yè)BIM構(gòu)件族庫。

隧道管片族庫分為直線環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)及右轉(zhuǎn)彎環(huán)，其中每種管片分為淺埋、中埋、深埋、超深埋。區(qū)間隧道橫斷面圖及總平面圖可以推導(dǎo)出不同楔形量的管片。依據(jù)隧道中心線的弧度確認(rèn)使用直線環(huán)或者轉(zhuǎn)彎環(huán)。依據(jù)隧道兩端里程，確認(rèn)隧道管片數(shù)量。按照區(qū)間平縱斷面圖信息，在Excel表格中錄入環(huán)號(hào)、方向、管片類型、實(shí)際里程、坐標(biāo)等信息。并在Dynamo二次開發(fā)程序中導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)參數(shù)，并按照設(shè)定好的表格名稱自動(dòng)獲取相關(guān)參數(shù)信息。最后通過Revit導(dǎo)入總平面圖上的隧道中心線點(diǎn)作為本次盾構(gòu)管片組裝的線路曲線，通過Dynamo拾取隧道空間曲線，關(guān)聯(lián)Excel表格，確認(rèn)隧道管片組合形式，達(dá)到自動(dòng)生成隧道模型的目的。Dynamo運(yùn)行頁面如圖3所示，生成隧道如圖4所示。

3.2" BIM隧道模型

3.2.1" 施工場地布置

本工程施工作業(yè)面廣，交叉作業(yè)較多，施工區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，所以給施工現(xiàn)場的場地布置帶來了一定困難。怎么去布置好場地，讓其更好地去服務(wù)于施工生產(chǎn)，變成了前期施工地一大重難點(diǎn)。項(xiàng)目BIM小組充分利用BIM技術(shù)，對(duì)施工場地進(jìn)行優(yōu)化、協(xié)調(diào)管理，并檢驗(yàn)建筑施工現(xiàn)場布置的合理性。模擬完成現(xiàn)場由土建施工階段到盾構(gòu)施工階段現(xiàn)場的布置轉(zhuǎn)變。在施工各階段結(jié)合紅線范圍內(nèi)原有道路，將各個(gè)場地模塊在BIM模型中進(jìn)行合理的劃分，例如，對(duì)臨時(shí)建筑物、臨時(shí)鋪設(shè)道路、材料放置堆場、加工廠、設(shè)備機(jī)械、臨水臨電等布置進(jìn)行合理的劃分。同時(shí)，結(jié)合BIM施工模擬技術(shù)，對(duì)整改施工階段的場地布置進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，做到有的放矢，按照重復(fù)利用的原則，最大限度地避免臨建設(shè)施的反復(fù)搭拆，將資源的利用率提到最高。場地優(yōu)化如圖5所示。

巖土工程與地下工程呂文杰， 康鵬程， 樊獻(xiàn)友： BIM技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究

3.2.2" 施工模擬及可視化交底

為了讓BIM技術(shù)更好的幫助前線施工人員對(duì)施工方案、交底內(nèi)容，以及對(duì)圖紙和關(guān)鍵工序直觀的理解，運(yùn)用既有的BIM模型對(duì)盾構(gòu)吊裝、盾構(gòu)推進(jìn)等重要工序進(jìn)行施工模擬，促進(jìn)施工人員融入現(xiàn)場，提高對(duì)施工工藝的認(rèn)識(shí)與理解，降低理解偏差造成的損失及安全質(zhì)量隱患，更好地指導(dǎo)施工。

對(duì)于關(guān)鍵施工工序提前使用Revit建立BIM模型，并使用3DMax進(jìn)行深化渲染后對(duì)現(xiàn)場施工進(jìn)行動(dòng)畫及漫游展示，模型建立的比例按照圖紙要求1∶1進(jìn)行建模，確保施工效果與模型完全一致以達(dá)到可視化技術(shù)交底的效果。要在施工前期作好模擬施工并確認(rèn)方案和圖紙的可行性，使之盡量減少重復(fù)施工，達(dá)到隨時(shí)優(yōu)化施工方法，隨時(shí)對(duì)資源的合理配置進(jìn)行調(diào)整。另外通過對(duì)工程施工的流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，可以更好地去查看建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際施工進(jìn)度，從而加強(qiáng)對(duì)于在建工程的主動(dòng)管理，并且通過BIM技術(shù)的自動(dòng)比較與分析項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)間和實(shí)際進(jìn)度之間的偏差，從而隨時(shí)的調(diào)整施工方案，以提高建設(shè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

3.2.3" BIM管理平臺(tái)

如圖6所示，本工程項(xiàng)目利用BIM管理平臺(tái)統(tǒng)一對(duì)現(xiàn)場的施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工成本、工序資料等進(jìn)行綜合管理，利用某BIM管理平臺(tái)，將模型與進(jìn)度計(jì)劃、生產(chǎn)產(chǎn)值等信息一一關(guān)聯(lián)，進(jìn)行可視化進(jìn)度跟蹤、工程量統(tǒng)計(jì)等。對(duì)存在安全問題的進(jìn)行跟蹤管理。同時(shí)在裝配式工程中應(yīng)用二維碼技術(shù)，對(duì)構(gòu)件每一流程做到追根溯源。

（1）BIM+進(jìn)度管理：由于該施工合同的工期較緊，任務(wù)相對(duì)較重，且施工過程中節(jié)點(diǎn)考核多，為保證工程順利履 約，項(xiàng)目BIM小組利用BIM管理平臺(tái)將進(jìn)度計(jì)劃、任務(wù)責(zé)任人等信息在Excel中匯總成構(gòu)件編碼與WBS編碼，并將Excel中匯總信息與BIM模型相結(jié)合，將施工進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度協(xié)同管理，形成形象進(jìn)度，每日更新施工進(jìn)度，作到及時(shí)反饋現(xiàn)場施工進(jìn)度偏差，并對(duì)工期節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警，并實(shí)施考核，促進(jìn)現(xiàn)場施工效率的提高。

（2）BIM+質(zhì)量、安全管理：利用BIM管理平臺(tái)，對(duì)工程質(zhì)量、安全進(jìn)行線上協(xié)同管理，問題發(fā)現(xiàn)人將現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量、安全問題手機(jī)移動(dòng)端或PC端進(jìn)行平臺(tái)上傳，同時(shí)與BIM管理平臺(tái)內(nèi)的BIM模型關(guān)聯(lián)定位，隨后編輯安全質(zhì)量問題、照片及整改要求限定整改期限及整改責(zé)任人，最終在線上下發(fā)整改通知，由整改責(zé)任人進(jìn)行反饋相關(guān)整改信息，以實(shí)現(xiàn)搞笑協(xié)同管理。

（3）BIM+工程監(jiān)測管理：工程監(jiān)測管理是保證工程順利進(jìn)行的重要措施，安全事故是在給施工敲響警鐘，傳統(tǒng)的監(jiān)測管理耗費(fèi)大量的資源，取得的效果卻不盡人意。如圖7所示，通過使用BIM技術(shù)將工程監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)等導(dǎo)入平臺(tái)與BIM模型進(jìn)行結(jié)合，形成綜合性的管理。以便于節(jié)約成本、提高管理效率，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

（4）BIM+裝配式管理：在裝配式中對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、驗(yàn)收進(jìn)行全過程應(yīng)用。利用某BIM管理平臺(tái)的裝配式管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、移交全過程的參與方協(xié)同管控。通過將裝配式生產(chǎn)施工空間時(shí)序編碼體系與BIM模型結(jié)合，將管片生產(chǎn)施工信息整理成Excel表格與BIM模型相關(guān)聯(lián)，使之能直接通過BIM模型溯源到每一批次生產(chǎn)、施工的構(gòu)件履歷。并且通過履職清單和BIM裝配式應(yīng)用結(jié)合，實(shí)現(xiàn)裝配式在生產(chǎn)過程中的責(zé)任認(rèn)定、履職檢查。并通過使用BIM管理平臺(tái)將模型構(gòu)件信息制作生成二維碼，在構(gòu)件生產(chǎn)完成時(shí)及時(shí)粘貼在構(gòu)件上，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工階段，通過二維碼去集成更多信息，實(shí)現(xiàn)構(gòu)配件的生產(chǎn)信息、運(yùn)輸?shù)奈锪餍畔?、施工的拼裝信息與設(shè)計(jì)信息的相結(jié)合，并集成于二維碼上。使每個(gè)構(gòu)件均擁有自己的獨(dú)立信息，提高對(duì)構(gòu)件的資料、溯源信息等方面的管理，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量信息的公開化，作到隨時(shí)隨地都能調(diào)取構(gòu)件檔案的應(yīng)用，作到最大限度提升材料及施工的管控水平。

（5）BIM+風(fēng)險(xiǎn)源：如圖8所示，通過自主研發(fā)插件，將現(xiàn)場勘察所得的各類信息導(dǎo)入模型，建立區(qū)間地質(zhì)模型及盾構(gòu)穿越周邊構(gòu)件物模型，依托某BIM平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與BIM模型的聯(lián)動(dòng)與更新，將盾構(gòu)穿越的實(shí)時(shí)情況、風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)清晰地表現(xiàn)在模型上。

4" 項(xiàng)目應(yīng)用效果

建立BIM模型，等同于工程預(yù)先施工，模擬工程中所遇到各類問題，在事先解決，將圖紙會(huì)審前被忽略的小問題提前發(fā)現(xiàn)并解決。基于BIM的三維空間場地布置模型、隧道模型等可以更加直觀地對(duì)施工人員進(jìn)行相關(guān)交底，并通過BIM技術(shù)在本項(xiàng)目施工階段的應(yīng)用，在工期、成本、安全、質(zhì)量及各方協(xié)調(diào)管理方面都取得了良好的效果，提升了工作效率也節(jié)約了施工成本?；贐IM平臺(tái)的管理模式，保障了項(xiàng)目的順利施工，對(duì)構(gòu)件信息、方案、安全質(zhì)量問題的調(diào)閱、存放以及竣工的交付提供了一定的便利。同時(shí)，BIM技術(shù)在改工程中的運(yùn)用理念、管理方法、以及思維模式等方面的實(shí)踐，為下一個(gè)施工項(xiàng)目積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

5" 結(jié)束語

通過在隧道施工中的BIM技術(shù)應(yīng)用，施工順利進(jìn)行，節(jié)約了管理成本。通過本次工程的應(yīng)用，掌握了大量的施工數(shù)據(jù)、BIM族庫、信息庫等。也為后期類似的工程施工提供了參考依據(jù)。盡管本工程在BIM技術(shù)的應(yīng)用上取得了較好的成果，但是在應(yīng)用過程中，還是存在一些問題需要改正的，例如：①項(xiàng)目在應(yīng)用BIM技術(shù)上全員參與不足；②公司未統(tǒng)一建立BIM模型族庫及統(tǒng)一模型建模標(biāo)準(zhǔn)；③項(xiàng)目BIM應(yīng)用軟件不統(tǒng)一，制度不完善。綜上所述，目前對(duì)BIM技術(shù)的研究仍是冰山一角，BIM技術(shù)在土木建筑領(lǐng)域還需深入發(fā)展研究。同時(shí)，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，建立BIM模型的過程需要耗費(fèi)更多的人力物力，卻無法帶來足夠的效益，這也是BIM始終得不到良好發(fā)展的重要原因。

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