BIM虚拟技术在铁路隧道施工管理中的应用

王潇潇， 姬付全， 卢海军， 陈富强， 陈培帅

(1. 中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武汉　430012；

2. 中交第二航务工程局有限公司技术中心， 湖北 武汉　430040)



BIM虚拟技术在铁路隧道施工管理中的应用

王潇潇1， 姬付全2， 卢海军1， 陈富强2， 陈培帅2

(1. 中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武汉430012；

2. 中交第二航务工程局有限公司技术中心， 湖北 武汉430040)

摘要：针对铁路矿山法隧道施工中的进度和技术管理现状，利用建筑信息模型(BIM)可视化技术，研究面向工程结构化对象的施工BIM模型创建方法，包括结构化的构件命名规则和建模精度要求，同时探索施工技术方案的3D模型可视化设计的方法及优势。利用BIM虚拟仿真技术，研究施工方案的4D模型虚拟施工推演及优化的方法和流程。最后，建立基于BIM软件的自动核算阶段工程量的方法和流程。依托项目进行具体的技术和方案示范，结果表明，BIM虚拟技术有益于提高隧道施工进度和技术管理水平，提供施工组织设计和项目管理决策的可视化技术手段。

关键词：建筑信息模型(BIM)； 矿山法隧道； 4D虚拟施工； 可视化交底； 工程量核算

0引言

铁路隧道施工是高度动态的过程，尤其是矿山法施工的复合式衬砌隧道作业面多、工序转换复杂、交错施工，对现场进度管理、工程量核算、技术交底质量要求高。目前现场进度管理的技术手段相对落后，仍多采用二维的横道图展示形象进度，无法真实呈现现场施工工序的空间关系，难以准确表达多个作业面的施工动态过程。同时，现场技术交底一般是用二维CAD图纸，现场施工人员的识图能力参差不齐，现场技术交底困难。

BIM可视化虚拟仿真技术，是以三维可视化数字模型为基础，利用数字仿真，模拟模型的三维几何信息和非几何信息(如进度、材质、体量)[1]。通过创建面向工程结构化对象的施工建筑信息模型(BIM)，可视化展示工程结构的体量以及施工方案难点。同时模型中加入时间维度，模拟施工工序，实现工程虚拟施工[2-3]。基于BIM的可视化虚拟仿真技术，为隧道施工创新发展提供了突破口。

本文将研究施工BIM创建方法，技术方案的3D模型可视化设计方法，施工方案的4D模型虚拟施工推演及优化的方法和流程，以及利用BIM模型自动核算阶段工程量的方法和流程，以辅助施工组织设计和项目管理决策。

1隧道施工BIM模型创建

根据铁路矿山法施工的复合式衬砌隧道结构设计及施工方法、工序等，开发面向对象的隧道施工BIM模型构件库。所谓面向对象的建模方法[4]，即按照隧道结构空间关系，划分不同的构件，定义构件的空间形状和信息属性，最后通过组装构件形成模型。隧道施工BIM模型如图1所示。

图1　隧道施工BIM模型

复合式衬砌隧道BIM模型的构件可划分为超前支护、初期支护、二次衬砌、仰拱填充、防排水、沟槽等6大类别。模型构件命名规则使用“构件类别+构件类型(围岩级别、衬砌类型)”。隧道围岩级别划分为Ⅰ—Ⅵ 6个等级，在每一围岩级别下，又划分为不同的衬砌类型，以英文字母表达。限于篇幅，定义了Ⅴ级围岩和a、b衬砌类型的构件命名示例，如表1所示。

表1复合式衬砌隧道BIM模型构件命名

Table 1Components of BIM model of composite tunnel lining structure

构件类别 构件类型命名示例1命名示例2超前支护超前小导管超前小导管-Ⅴa超前小导管-Ⅴb管棚管棚-Va管棚-Vb初期支护喷射混凝土喷射混凝土-Ⅴa喷射混凝土-Ⅴb中空锚杆中空锚杆-Ⅴa中空锚杆-Ⅴb砂浆锚杆砂浆锚杆-Ⅴa砂浆锚杆-Ⅴb钢筋网钢筋网-Ⅴa钢筋网-Ⅴb型钢钢架型钢钢架-Ⅴa型钢钢架-Ⅴb格栅钢架格栅钢架-Ⅲa格栅钢架-Ⅲb二次衬砌拱墙拱墙-Ⅴa拱墙-Ⅴb仰拱仰拱-Ⅴa仰拱-Ⅴb底板底板-Ⅱa底板-Ⅱb仰拱填充仰拱填充仰拱填充-Ⅴa仰拱填充-Ⅴb防排水防水板防水板-Ⅴa防水板-Ⅴb止水带止水带排水板排水板沟槽中心沟槽身沟槽身中心沟盖板盖板侧沟槽身侧沟槽身侧沟盖板侧盖板

针对构件的细部构造，建模时需考虑进一步结构化分解，从而设计标准化构件。细部构造的命名也宜使用“构造类别+构造类型”规则，而构造类型一般宜使用“规格”参数。以下以格栅钢架为例，进行详细的细部构造分解，如表2所示。

表2　格栅钢架结构化分解

BIM模型建模的关键是开发构件资源库，构件定义的内容主要包括构件命名、构件编码、建模精度和信息粒度4方面，其中信息粒度包括几何信息和非几何信息[5]。建模精度是指构件在模型中的单元大小，隧道施工BIM模型中各构件的建模精度需满足施工工序管理的要求，具体如下。

1)超前小导管、管棚、中空锚杆、砂浆锚杆的构件单元，宜按1环的组件形式，相邻2环呈梅花状布置。

2)钢筋网、型钢钢架、格栅钢架的构件单元，宜按1环的组件形式。

3)喷射混凝土的构件单元，宜按开挖步纵向长度。不同围岩级别差别较大，一般为0.5～3.5 m。

4)仰拱填充、底板、仰拱及仰拱部防水板构件单元，宜采用施工模板的模筑长度，一般为6～8 m。

5)拱墙构件单元，宜按模筑纵向长度，一般为 10～12 m。

2BIM在隧道施工中的应用

2.14D虚拟施工

4D虚拟施工是用Autodesk Navisworks的虚拟仿真环境，对3D几何空间模型添加时间维度，虚拟推演实际施工过程[6-7]。具体来说，是将BIM模型与施工组织进度计划相关联，以进度驱动模型的虚拟仿真。

具体技术路线如下： 1)用Autodesk Revit建立3D数字模型，赋予每一构件施工工序属性参数；2)用project编制工序的时间任务项数据源；3)用Navisworks集成模型和工序时间数据源，在虚拟仿真环境中实现模型的虚拟建造。同时进行实时的过程交互，虚拟推演施工方案，动态检查方案可行性及存在的问题，优化调整施工装备、工艺等[8-9]。基于BIM的虚拟施工方案流程见图2。

图2　基于BIM的虚拟施工方案流程

图3(a)展示了隧道4D虚拟施工过程，对超前支护、初期支护、仰拱填充和二次衬砌所有结构节点进行动态施工模拟。图3(b)展示了施工进度信息和横道图，对每个构件进行施工流水段、时间的定义。

从图3可清晰查看所有构件的施工顺序和时间节点，通过对比分析施工计划和实际施工进度的状态，便于项目管理者实时动态掌控施工进度，确定最好的施工顺序和时间节点，快速调整施工资源，随时为制定物资采购计划提供及时、准确的数据支撑，对项目成本管控提供技术支持，以实现项目精细化施工管理。

(a) 剖视图

(b) 施工进度横道图

2.2方案与工法可视化交底

传统的二维CAD图纸表达工程结构节点设计时，往往需要平面图结合多个剖面图才能表达清楚，而BIM以三维数字模型为基础，真实表达工程结构节点的空间几何形状、位置与功能关系，将复杂空间的设计变得更加直观，实现模型“所见即所得”的效果，且可以进行360°视角的空间可视化[10]，降低了施工作业人员理解图纸的难度，有效避免了因对图纸理解不清而产生的施工错误。

复合式衬砌隧道的环向施工缝需设置中埋式橡胶止水带，纵向施工缝需设置中埋式钢边橡胶止水带。图4(a)是CAD图，图4(b)是BIM模型。通过两者对比可知，利用三维模型对现场施工员和班组进行技术交底的效果显著。

环向施工缝防水图纵向施工缝防水图

(a) CAD平面图

(b) 三维模型

利用BIM虚拟仿真技术，进行结构节点施工工法的三维展示，将结构设计和施工方案变得更加直观，方便施工作业人员的理解运用。通过Autodesk Revit软件创建施工BIM模型，并定义构件“阶段化”施工顺序，将模型导入Autodesk Navisworks软件，搭建虚拟仿真环境，以展现模型的施工工法，进行可视化交底。图5是Ⅴ级围岩隧道采用的三台阶七步开挖工法，图6是桥台进洞段采用的CD法开挖工法。

2.3工程量动态核算

在施工过程中，根据二维图纸计算工程量十分繁琐、重复冗余，浪费了大量的人力物力，且精度普遍不高，对工程计量影响很大；而BIM数字信息模型具有精准的三维体量，结合施工进度，可以快速获取阶段工程量[11]。具体方法是： 1)用Revit建立分部分项工程BIM模型，赋予模型构件的体量、施工阶段属性信息；2)根据实际施工状态，统计当前施工阶段的分部分项模型体量明细表； 3)参照工程量计算量纲公式规则，由模型体量生成分部分项工程量。

例如，图7是Ⅳb型隧道开挖步模型，其中初期支护、仰拱及仰拱填充轴向长度是6 m，拱墙轴向长度是12 m。表3是Revit自动统计出的模型构件体量，按照工程量量纲公式规则，最终得到开挖步的工程量(见表4)。经比对，模型输出的工程量与二维施工图工程量清单一致。

图5　三台阶七步开挖模拟

图6　桥台进洞段CD法开挖模拟

图7　Ⅳb型复合式衬砌隧道模型

3结论与讨论

1)目前，BIM技术在隧道工程中的应用尚处于探索阶段。按照工程结构化的构件命名规则，以及工序管理的精度要求，利用面向工程实体对象的三维建模方法，创建了铁路矿山法隧道复合式衬砌施工BIM模型，可辅助隧道工程施工组织3D可视化设计和4D虚拟施工管理。

表3　模型构件体量

表4　模型工程量统计

2)利用BIM可视化虚拟仿真技术，建立了隧道施工技术方案的3D模型可视化设计与交底、施工方案的4D模型虚拟施工推演与优化，以及自动核算阶段工程量的方法和流程，可为隧道工程BIM技术的实践和推广提供应用参考。

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Application of BIM Technology in Construction Management of Railway Tunnel

WANG Xiaoxiao1, JI Fuquan2, LU Haijun1, CHEN Fuqiang2, CHEN Peishuai2

(1.No.5BranchofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430012,Hubei,China;2.TechnicalCenterofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China)

Abstract:The building information modeling(BIM) methods for construction management of railway tunnel, including naming rules of structuralized components and modeling precision requirements, are studied by means of BIM technology. The methods for and advantages of visualized design of 3D model of construction technologies for railway tunnel are explored. The methods for deducing and optimizing 4D model of construction of railway tunnel are studied. The automatic construction quantity calculating method based on BIM software is established. The construction practice shows that the BIM technology can improve the construction scheme and technology management, and can provide visualized version for construction organization and management decision.

Keywords:building information modeling(BIM); mined tunnel; 4D virtual construction; visualized programming; construction quantity calculation

中图分类号：U 45

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)02-0228-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.016

作者简介：第一 王潇潇(1983—)，男，海南乐东人，2005年毕业于北京科技大学，土木工程专业，本科，工程师，主要从事隧道施工技术工作。E-mail:82711106@qq.com。

收稿日期：2015-10-22; 修回日期: 2015-12-20