BIM技术在地铁隧道工程施工中的应用

2016-07-27常建军

甘肃科技纵横 2016年6期

关键词：建模

常建军

（中铁六局集团交通工程有限公司，北京　100036）

BIM技术在地铁隧道工程施工中的应用

常建军

（中铁六局集团交通工程有限公司，北京100036）

摘要：天津地铁6号线第8合同段盾构区间隧道受始发场地面积小、穿越风险源多、地质环境复杂、技术要求高等因素的限制，施工过程中存在大量的困难和挑战。对此，使用建筑信息模型技术（BIM）进行建筑专业、结构专业、机电专业的建模，对各专业进行碰撞检查及处理，实时仿真模拟施工，并对工程量进行统计。从施工过程中来看，采用建筑信息模型技术（BIM）进行隧道施工取得了良好成效，显著缩短了工期，节省了成本和造价。研究结果可为同类地铁隧道工程施工提供一定的参考。

关键词：BIM；建模；盾构区间；分体始发

0　　引言

在我国，BIM最初只是应用于一些大规模标志性的项目当中，除了堪称BIM经典之作的上海中心大厦项目外，上海世博会的一些场馆也应用了BIM。仅仅经过两三年，BIM已经应用到一些中小规模的项目当中。以福建省建筑设计研究院为例，全院70%～80%的项目都是使用BIM完成的。据介绍，就BIM的应用而言，2009年，美国就领先中国7年；目前，中国已将这一差距缩小到了不足3年。需要强调的是，这一差距针对的是BIM的用户数量，而在应用程度上，中国先进企业与世界领先公司基本上处于同等水平。住建部编制的建筑业“十二五”规划明确提出要推进BIM协同工作等技术应用，普及可视化、参数化三维模型设计，以提高设计水平，降低工程投资，实现从设计、采购、建造、投产到运行的全过程集成运用[1-4]。

与传统模式相比，三维建筑信息模型技术（3DBIM）具有明显优势。3D-BIM建筑模型的数据在建筑信息模型中的存在是以多种数字技术为依托，从而以这个数字信息模型作为各个建筑项目的基础，可以进行各个相关工作。建筑工程与之相关的工作都可以从这个建筑信息模型中拿出各自需要的信息，既可指导相应工作，又能将相应工作的信息反馈到模型中[4-6]。

BIM可以四维模拟实际施工，以便于在早期设计阶段就发现后期真正施工阶段出现的各种问题，提前进行处理，为后期施工打下坚固的基础。在后期施工时能作为施工的实际指导，也能作为可行性指导，以提供合理的施工方案及人员、材料使用的合理配置，从而来最大范围内实现资源合理运用。基于4D-BIM的工程管理，主要用于施工阶段的进度、成本、质量安全以及碳排放测算。在3D-BIM和4D-BIM应用后，BIM应用就是3D到nD的过程，nD可以分为基于3D的应用和基于4D的应用，而nD的关键则在于构建相应的管理模型，在这方面，我国的BIM应用还有很大的空间待挖掘。将BIM技术应用到地下工程建设[7,8]，尤其是城市轨道交通建设中，也是对BIM技术的有效推广。

本论述结合天津地铁6号线第8合同段盾构区间隧道案例，应用建筑信息模型技术（BIM）进行建筑专业、结构专业、机电专业的建模，各专业碰撞检查及处理，并进行仿真模拟施工，及对工程量进行统计，以期对施工过程进行有益指导，达到实时可视化，动态了解工况变化，节约工程成本的目的，研究内容可为同类工程提供有益借鉴。

1　　工程概况

1.1施工工况

天津地铁6号线工程土建施工第8合同段：北宁公园站（含）～天津北站站（不含），共1站1区间，区间包含联络通道和泵站，施工范围为以上工程的土建施工。

1.1.1北宁公园站

北宁公园站位于中山北路路中，横跨养鱼池路。车站主体结构为地下两层双柱子三跨岛式车站。车站中心里程DK10+807.821，车站总净长285 m，标准段净宽19.3 m（端头井宽23.1 m），覆土厚度约为3.0～3.5 m，主体结构总建筑面积为11 560 m2。围护结构采用800 mm厚地下连续墙，长31.4 m，插入比为0.73；两端头井基坑长15.4 m，净宽24.9 m，开挖深度19.2 m。

1.1.2北宁公园站～天津北站站区间

北宁公园站～天津北站站区间，下文简称北北区间。区间范围自右DK10+886.821（左DK10+886.823）起至右DK12+041.286（左DK12+044.274）止，其中右线长链34.131 m，左线长链36.004 m，区间右线长1 188.596 m，左线长 1 193.455 m，埋深为 10.80～24.15 m。在右DK11+449.886（左DK11+449.874）处设联络通道兼泵房一处。

区间采用盾构施工，管片外径为6 200 mm，内径为5 500 mm，管片宽度为1 500 mm，分为左弯环、右弯环和直环，每环管片由三块标准块、两块邻接块以及一块封顶块组成，管片拼装为错缝拼装。左右线均采用海瑞克Φ6410盾构机。

联络通道兼泵房采用暗挖法施工，土体加固为冷冻法。

1.1.3天津北站站

天津北站为地铁3号线与6号线的换乘车站，为地下三层双柱三跨岛式车站，站内线路左线为半径为800 m的曲线，右线为半径为820 m的曲线，盾构施工可利用的净空长度为57.4 m。

1.2工程特点

天津地铁6号线土建施工第8合同段施工工序繁杂多样，其具体工程特点如下。

（1）北宁公园站位于中山北路与养鱼池交汇口，横跨养鱼池路，施工区域含有大量管线，施工场地复杂有限，主体工程施工工艺繁杂多样，在工程管理上带来一定的不便与挑战。

（2）北（宁）北（站）区间采用盾构施工，盾构始发端北站站为地铁3、6号线换车站，既有线路3号线目前正常运营，对于盾构施工，站内可利用空间有限，盾构需采用分体始发，地面施工场地复杂。

（3）北北区间风险源众多，沿盾构掘进方向依次穿越天津北站站房、站内铁路股道、京津城际高铁桥桩、东纵快速隧道、铁路第一招待所、桂顺斋、中山饭店以及大量地下管线。且因为本区间所处地层为软土地层，工程地质情况较差，在盾构施工期间，需严格控制地面沉降，把控施工工期。

2　BIM技术在隧道施工中的应用

天津地铁6号线项目，在深化设计、现场施工管理及管理协调等环节全面应用BIM技术。其实施步骤为：

（1）根据设计图纸，用Autodesk Revit软件创建天津北站站～北宁公园站及区间的BIM模型；创建天津北站、天津第四中心医院、铁三院、京津城际、沿线部分住宅、中山饭店等相关地面建构筑物的模型；

（2）用CATIA软件创建海瑞克盾构机的BIM模型并进行盾构机组装及分体始发碰撞检查；

（3）用Autosek Civil 3D建立相关地质地层信息；

（4）对建立的BIM模型统计输出相关材料、物资等相关工程量，形成EXCEL等文本文件用于工程计算计量；

（5）在Lumion中建立天津地铁6号线8标地段3D虚拟数字城市；

（6）用Autodesk Naviswork完成4D施工模拟；

（7）完成盾构机吊装、始发、掘进转接等相关工序的仿真模拟。

2.1BIM技术应用的软硬件配置

根据多方咨询及参考其他BIM技术实施的案例，在探索研究BIM技术在地铁施工中的应用阶段，中铁六局集团有限公司配置了两台台式机，一台笔记本，BIM技术应用的硬件和软件配置见表1和表2所示。

2.2建筑专业建模

使用Revit2015建立车站及盾构区间的信息模型。分块建模，拼接组合[9]。主要依据以下步骤：

（1）根据天津地铁六号线施工蓝图，用CAD绘制精确的电子版图，用与导入Revit，作为参照母板。见图1、图2所示。

表1　BIM技术的硬件配置

表2　BIM技术应用软件

（2）在Revit中创建适用于本项目工程的样板文件，建立相应标高，导入CAD图纸，绘制轴网。创建相应族文件及零部件。按设计蓝图，创建柱、梁、板、墙，设定参数，录入相关信息。

（3）盾构区间线根据设计，生成盾构中心线，沿盾构中心线生成管状隧道，然后对管状隧道进行分割，形成盾构管片并赋相关信息。

北（宁）北（站）区间，天津北站，联络通道兼泵房的BIM模型见图3、图4、图5所示。

图1　　北宁公园站Revit模型

图2　Grasshoopper参数化建立盾构区间模型

图3　　北（宁）北(站)区间BIM模型

图4 天津北站BIM模型

图5　　联络通道兼泵房模型

2.3建立地面建构筑物及相关风险源的BIM模型

通过Revit完成天津北站、天津第四中心医院、铁三院、京津城际、沿线部分住宅、中山饭店等相关地面建构筑物的模型建立，因无需细化部分建构筑物的详细信息，采用Revit体量功能建立了相关建构筑物的BIM模型，详见图6进行。2.4使用CATIA建立盾构机的BIM模型

图6 地面建构筑物BIM模型

使用CATIA建模，首先创建各零部件的模型。根据盾构机各零部件的尺寸，编辑草图，通过凹凸、盒体、倒角及布尔运算等一系列操作形成零部件模型，见图7所示。

图7　　盾构机零部件模型

零件模型完成后，需在CATIA中进行机械装配形成盾构机部件模型，见图8、图9所示。部件装配按照各零件的位置关系、运动轨迹确定其约束情况位及运动变量参数，最后由部件模型组装成盾构机。

图8　　盾构机部件模型

图9 盾构机CATIA模型

2.5建立相关地层地质信息

Autodesk CAD Civil 3D是专门针对与地层、地质、地面等工程地质建立模型的软件，且在欧特克的系列软件中进行文件的传递能良好地保证模型的信息不被衰减，因此，采用Autodesk CAD Civil 3D建立地层地质模型，地层地质信息模型见图10所示。

根据地勘报告布置勘测点，建立地形体量曲面；按工程工程控制点生成出事地层曲面；由勘测点形成路线，建立断面图；在断面图中绘制地层分界线，加入地面特征曲线；将曲面分层转为三维实体，经布尔运算后生成地质实体模型。

图10　　地层地质信息模型

2.6施工碰撞检查

因本工程施工场地的限制，盾构施工采用分体始发技术，即盾构机部分先组装完成，满足初步施工要求。待掘进25环后，拆除负环上部管片，进行二次装机。

使用BIM技术就拟选的盾构分体始发方案进行技术模拟，提前发现可能存在的问题，对出现的问题进行分析并提前解决，避免因其误工返工而导致施工资源的浪费与工期的延误。

采用BIM技术，预先进行组装模拟，完成对相关施工人员的技术交底，明确盾构分体始发技术的液压管、电缆排布连接等重点与难点，确保电气部分、液压部分、气压部分接线正确，保证刀盘驱动系统、盾构推进系统、铰接系统、出土系统、拼装系统、管片运输系统、集中润滑系统、过滤系统以及冷却系统的正常工作，为盾构调试做充分的准备工作。见图11、图12、图13所示。

图11地面组装与吊装

图12　　盾构机分体始发

图13　　盾构机二次装机

2.7工程量统计

根据BIM模型，按不同的筛选条件对工程量进行统计，形成不同类别、不同型号、不同时间段的工程量，为工程的计量及责任成本分析提供数据依据。在施工过程中，能及时提供物资的计划，免去了人工计算的繁琐，提高工作效率。

在Revit模型中，根据设置的参数和筛选条件，分类别、分时间段、分位置输出相应的工程量，并导出为EXCLE文件用于工程计量及预算，见图14所示。

图14　　数据导出与导入

2.8盾构掘进仿真模拟

通过CATIA对盾构施工进行仿真模拟，让施工人员掌握盾构施工流程，分析各道工序的关系。同时，就盾构施工纠偏、管片破损原因、盾尾间隙控制等常见的问题进行原因分析归类，并提出常用的解决措施，形成技术总结。

把所建立的BIM模型导入到3ds Max中，做进一步的渲染与修饰，可进行施工仿真模拟，展示效果较为理想，见图15、图16所示。CATIA中进行的盾构掘进仿真模拟，是纯机械式运动，运动轨迹线精确无误。

图15　　盾构机掘进仿真模拟

图16　3ds Max仿真模拟盾构掘进施工

2.94D施工模拟

在 Autodesk Navisworks Manage 2015中，关联ODBC数据库，可以进行工程动画漫游，见图17所示，可以方便实时观察施工动态。

图17　　动画漫游

通过第三人视角，对本项目进行隧道漫游与地面漫游，形象观察工程各部分竣工后的形态与隧道与地面建构筑物对应的关系。将工期排布制作成Excel表格，导出为.csv格式文件，使用 Navisworks中的Timeliner功能，关联工期排布.csv文件，以名称进行附着到模型当中，进行4D施工模拟，见图18所示。

图18　4D施工模拟

根据4D施工模拟，结合工程实际情况，对人员、机械、物资、设备、场地以及外界管理因素，调整不同时间段的施工资源。通过BIM技术的协助，在穿越天津北站站站房及站内铁路股道期间以及春节节假日期间，合理调动人员、机械等施工资源，在保证安全与工期的前提下，不窝工、不滞工，节约了施工成本，为项目创造了良好效益。

3　BIM技术应用效果

3.1施工管理方面应用

北北区间除有深基坑盾构分体始发的工程重点，还要穿越天津北站、高铁桥桩等特级风险源，还有要在富水软弱土地层中进行盾构施工等技术难点。盾构施工中，良好的技术参数控制和高效的施工管理是确保各种风险源沉降控制、富水软弱土地层顺利施工的决定性因素。本项目将BIM技术应用到盾构施工中，提高对施工参数控制的精度与施工管理的效力。

3.1.1施工管理

将各模型导入Autodesk Navisworks Manage 2015中，进行信息模型汇集整合，见图 19所示，使用Navisworks工程协调软件协助施工管理。

通过信息模型的汇整，可实时查询工程信息，见图20所示，如隧道与风险源的空间位置信息、相应位置工程地质信息、管片选型等，为施工技术参数的确定提供依据。

图19　　信息模型汇整

图20　　工程信息查询

配合现场施工实际，链接外部数据，如连接到盾构施工指令，见图21所示。同样，外部数据链接格式多样，不仅有文本信息，还可连接图像、音频、视频等各种格式文件，能形成完备的立体施工记录，随用随调，快捷方便。

图21　　施工外部数据连接

在盾构区间穿越大小风险源、富水软弱地层中盾构施工期间，运用BIM技术，协助本区间顺利通过众多风险源、完成在富水软弱土层中进行盾构施工。在施工过程中，良好地控制了各风险源的沉降速率与累计沉降值；在富水软弱地层中，克服了土压变化频繁、土体自立性较差、地面大幅沉降、隧道严重偏离拟合曲线的施工难点问题。协助管理人员对施工参数的确定，减少了盾构出土超量、同步注浆过程或不足等问题，较少进行二次注浆，合理节约了工程材料。

通过BIM技术在盾构施工管理中的应用，将每日的施工进度、人员配置、机械设备使用情况、意外事件突发情况等相关施工信息连接到BIM模型中，并根据实际施工情况合理调整下一阶段的施工计划，形象生动精确地掌握施工情况相关信息及未来施工可能遇见的具体施工难重点及注意事项，极大地提高了项目的管理水平与管理效率，实现了对盾构施工的跟进式动态管理。

3.1.2盾构分体始发中的应用

本次BIM课题研究，首次将BIM技术应用到盾构机械装备、分体始发及施工模拟，对施工方案进行论证，提前解决了可能出现的问题，避免了误工返工的工期延误的问题，并成功解决解决了盾构机繁杂的电气对接难题，合理节约了延长管线的使用，为分体始发施工奠定良好技术基础。

3.1.3技术人员的培训

使用BIM技术对施工人员进行技术交底、技术交流，把不同专业、不同工序、不同工艺结合与一体，使工程参与人员全面了解工程，深刻理解施工原理，为公司培养了有宽度、有深度、有广度的专业技术人才。

根据盾构机零部件模型，项目部各专业人员深入透彻地了解了盾构机构造，领会其工作原理，为盾构机的组装拆卸奠定基础。

3.2BIM技术应用效益

3.2.1经济效益

通过BIM技术的应用，项目在工程计量、技术交底以及施工工序的安排、工期排布等方面获得良好的工作效率，在以相同人力、相同工作内容的情况下，极大地节约了时间成本。

在BIM技术对施工管理与施工技术的支持下，本工程盾构分体始发合理节约了延长管线，避免二次浪费；在联络通道施工中合理布置钢筋，结合钢筋原材，制定下料长度、加工形式，仅车站主体结构的钢筋损耗率由设计的4%下降到实际施工中的约2.5%，节约钢材约3吨；在盾构区间施工过程中，通过深基坑盾构机装机始发、二次装机模拟以及4D施工模拟，盾构施工管理，及时发现盾构机台车与天津北站站OTE风道的碰撞问题，提前凿除OTE风道的碰撞部分，为盾构机装机节约工期约3 d，同时减少盾构区间施工工期27 d，合理减少了同步注浆及二次注浆的工程量。共计节约施工成本约100万元，取得了良好的经济效益。

3.2.2社会效益

天津地铁6号线是天津市首次把BIM技术应用在地铁施工领域，通过BIM技术，实现了地铁工程的可视化、形象化、信息化、精细化，为BIM技术在地铁施工中的应用开启良好篇章。在本项目工程竣工后，本项目的BIM技术应用成果将交付业主单位，供其在地铁工程的运维阶段继续开放BIM技术在地铁工程中的应用价值。

在工作汇报与公司形象宣传的活动中，项目部多次采用BIM技术在该项目中的应用成果，在业主单位以及有意合作方，均取得良好影响。

4　　结束语

在BIM技术的实施过程中，应建立一系列有效、高效的管理制度，而不是任由团队或个人的认识与意志去决定项目过程中的一系列问题的处理方式。对于BIM技术的实施，切勿操之过急，去实现超出能力以外的事情，应根据BIM团队的实力，BIM软硬件配置的能力去制定相应目标。

模型的建立、BIM技术运行平台的选择应根据实际的工程情况、工程需要来决定。在整个BIM实施的过程中既不能将简单的事情复杂化，也不能将复杂的事情简单化；简单的事情复杂化未必会起到良好的效果，是徒劳，复杂的事情简单化可能会致使整个事情的失败，是无功。高精度、多参数的模型是好，但未必会在实际的工程项目中发挥多大的作用，而且对于计算机的配置要求极高；粗糙的模型不能达到所要的效果，也就意味着BIM研究的失败。运行平台应根据实际的工程特点来选择，跨领域、跨行业的平台应采用多平台，而不是在某一平台上实现所有的功能要求。

天津地铁6号线是天津市首次把BIM技术应用在地铁施工领域，通过BIM技术，实现了地铁工程的可视化、形象化、信息化、精细化，采用BIM技术进行隧道施工取得了良好成效，显著缩短了工期，节省了成本和造价，研究结果可为同类地铁隧道工程施工提供一定的参考。

参考文献：

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中图分类号：U231+.3