BIM在机械法联络通道修建中的应用

(中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，上海 200431)

1 工程概况

1.1 项目简介

宁波市轨道交通机械法联络通道科研、设计、施工总承包项目包含宁波在建的2号线、3号线、4号线共计26座联络通道，全部采用机械法施工，14座采用顶管法，另外12座采用盾构法，以其中2座联络通道作为实验工程，开展结构设计研究、防水研究及施工装备研发等工作。掘进设备设计模型如图1所示。

图1 机械法联络通道设备设计模型

首个机械法联络通道试验段项目位于在建的3号线一期工程南部商务区站至鄞州区政府站区间中，该联络通道顶部埋深16.94m，线间距17m，处于鄞州公园内绿化带下方，西侧为鄞州公园，东侧为天童南路。穿越地层包括：②2b淤泥质黏土层和③2粉质黏土层，土层软弱。

目前正在施工的第二个机械法联络通道位于在建3号线一期工程儿童公园站至樱花公园站区间中，该联络通道顶部埋深20.5m，线间距17m，处于中兴路下方，西侧为崇光大厦，东侧为开元大酒店，地处闹市区，交通繁忙。穿越地层包括：⑤1黏土和⑤3砂质粉土层，土层富水软弱，赋存承压水，水土压力约0.25mpa，存在摇振反应，属软弱地层。

1.2 工程特点和难点

由于机械法联络通道施工前国内没有类似先例，针对本工程设计复杂、技术难点多而且没有相关施工经验，项目建设之初即对联络通道机械法施工情况在国内外进行了广泛调研，至项目开工前共召开技术研讨会30余次，项目团队对每一个技术细节反复斟酌研究，开展了大量的理论分析、模型检算和足尺试验，为工程实施提供了充分的理论依据和技术支持。机械法联络通道作为新工法，其实施难点主要有：作业空间狭小受控、旁出结构设计复杂、工序繁琐衔接性强、新设备进场后短期难以掌握其操作技巧。由于单个机械法联络通道施工工期极短，各个联络通道施工过程又大同小异，通过实验工程的经验总结，可形成特有的快速施工管理模式，方便推广全国范围内的各种旁出通道的实施。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

(1)结合机械法联络通道施工工期短、工序紧凑的特点，为实现全过程数字化模拟，施工可视化，深入探索各种地层盾构始发、接收技术和试验段数据的采集分析，寻找一套机械法联络通道在各种地层普适的成套施工技术。

(2)对主隧道结构和掘进设备之间进行碰撞检查，数字化加工、深化设计、预制化加工和虚拟建造技术的应用减少设备和结构设计过程中错误的出现，也为机械法联络通道的施工过程中避免错误施工而造成工程质量缺陷。

(3)提高施工阶段的造价控制能力和管理精细化水平。将成本控制深入应用过程管理，实现造价基础数据的共享与协同、形成统一的造价数据积累，提高项目效益。

(4)进行进度管理的优化，旨在避免进度管理中项目信息严重丢失、有效发现施工进度计划中的潜在冲突、跟踪分析工程施工进度、整体性处理工程施工进度偏差。

2.2 实施方案

设计之初，课题组即召开模型设计讨论会，统一各专业建模规则、建模标准；利用倾斜摄影和虚拟现实与BIM融合实现快速、精确建模；施工阶段通过利用BIM结合有限元分析保证主隧道结构受力的安全，优化联络通道小管片的结构和T接洞门结构的设计；三维扫描刀盘切削轨迹，模拟主隧道管片切削过程，优化刀盘设计。并在设计模型的基础上进行施工工序模拟、施工信息录入和模型优化调整，成果反馈深化设计，形成最终模型，如图2所示。

图2 机械法联络通道最终模型

2.3 应用措施

机械法联络通道属于创新工法，工程结构和掘进设备均需要重新设计，BIM建模复杂，信息表达传递、运行难点较多，多源BIM信息的实施难度大，技术要求高，采取以下BIM应用措施予以解决：

(1)硬件上采用高性能、高配置计算机；

(2)建模技术上采用参数化建模、反馈优化的BIM建模方案；

(3)鉴于机械法联络通道施工过程中刀盘切削主隧道管片和联络通道小管片结构和T接洞门结构设计问题，采用数字化加工小管片结构虚拟建造和预制化生产等BIM技术解决了机械法联络通道施工中的难点痛点。

2.4 软硬件环境

根据项目BIM应用的实际需求配置如下软硬件：

硬件：中心服务器：处理器：CPU：Inter Xeon(R)E5-2620；

显卡：NVIDIAQuadro4000；

内存：32G硬盘1T；

项目工作站：处理器：intel(R)Corei7-4790k；

内存：16g硬盘1T；

显卡：NVIDIA GeForce GTX 970M；

移动终端：iPad Pro 64G WIFI。

项目使用了如下软件，实现如下功能：

CAD：设计图纸格式，二维平面图处理；

REVIT：结构、建筑及机电建模、工程量计算；

Navis Works：碰撞检查应用；

Project：施工进度计划编制；

3Dmax：后期效果图渲染。

3 BIM应用

3.1 BIM建模

(1)统一建模标准

解决方法：召开模型设计讨论会，统一各专业建模规则、建模标准，解决了不同专业技术人员在协同处理图纸及模型过程中，存在认识及理解上的偏差，导致模型建立存在重复建模，模型信息不全，模型有问题等缺陷。通过精确BIM模型的联动可以快速反映出现场施工技术、物资材料和机械设备等存在的问题，提升各专业的协作效率，形成统一的、整体的、共同的工作目标。

(2)参数化模型建立

利用Revit软件中一切图元可以通过改参数达到修改目的特点，解决了以往的因设备更改，而出图中平剖面图不一致的情况，做到精确控制设备，合理指导施工。BIM工程师建模过程中，发挥专业特长，在此过程中发现大量隐藏设计问题进而反馈到模型当中进行优化处理。

3.2 BIM基础应用

(1)数字化加工、预制化加工和深化设计

以基础模型作为参考，基于BIM的数字化加工将包含在机械法联络通道整体模型中的管片、螺栓、机械设备等构件信息准确的、不遗漏地传递给构件加工单位。利用BIM技术建立三维可视化整个机械法联络通道的模型，在碰撞发生处可以实时变换角度进行全方位、多角度的观察，便于讨论修改，各专业在统一的模型上进行修改，各专业的调整实时实现，实时反馈。将整体模型按照各专业导出，模型导出格式为DWF或NWC的文件。在Navisworks软件里面将各专业模型叠加成各个模型进行碰撞检测，根据碰撞结果回到Revit软件里对模型进行调整。将调整后的结果反馈给深化设计单位，深化设计员调整深化设计图，然后将图纸返回给BIM设计员，最后BIM设计员将三维模型按深化设计图进行调整，碰撞检测，如此反复，直至碰撞检测结果为零碰撞为止。主隧道待切削管片和联络通道小管片的预制化加工分别如图3、图4所示。

(2)虚拟建造-复杂工序模拟和施工过程整体模拟、三维扫描

在预制化加工构件加工完成后在相关的实际数据需要反馈到BIM模型中，对预制化构件的BIM模型进行修正，在出厂前需要对修正的预制构件进行虚拟拼装，检查生产中的细微偏差对安装精度的影响，若经虚拟拼装显示对安装精度影响在可控范围内，则可出厂进行现场安装。盾构掘进设备的3D打印施工方案微缩模型，可以辅助施工人员更为直观地理解方案内容。通过对刀盘切削轨迹进行三维激光扫描，模拟刀盘的切削能力，将根据扫描得出的点云模型与依据结构图纸建立的模型进行比对,修改竣工图纸与现场存在误差的地方，减少了模型在信息传递中的问题。对刀盘切削钢混复合管片试验形成的切削面进行3D扫描，对比设计切削轨迹，为刀具配置优化提供基础数据。根据所提供的施工组织材料，制作整个联络通道项目施工阶段，从筹备到组织施工再到最后竣工的全过程模拟，包含所涉及到的多个板块施工工艺、场地、机械、人员配置等模拟。运用BIM技术，可虚拟化呈现整个施工过程，能有针对性地规避不必要的返工带来的人力物力消耗，极大降低管理成本和安全风险。3D打印如图5所示。刀盘切削模拟如图6所示。

图3 主隧道待切削管片预制化加工

图4 联络通道小管片预制化加工

图5 机械法联络通道盾构掘进机3D打印模型

图6 刀盘切削模拟

(3)施工现场临时设施规划

项目工点处于闹市区，现场临时施工用地场地严重受限，临时场地不能达到最大的使用率，利用无人机对场地进行全景扫描得出精准的场地数据，对整个项目的施工现场进行合理的场地布置。要尽可能地减少将来大型机械和临时设施反复的调整平面位置，最大程度地利用大型机械设施的性能。以往做临时场地布置是将一张张平面图叠起来看，考虑的因素难免有所缺漏，往往施工开始了才知道影响了施工安排，利用数字化管控平台(BIM5D)管理实现场地最优规划，同时能动态管理修改调整施工现场的实施布置。场地布置图如图7所示。

图7 场地布置图

(4)工程造价管理

BIM的自动化工程量计算提高了算量工作的效率，将机械法联络通道设计方案中的成本反馈给设计院，便于在设计前期对成本进行控制。利用BIM技术造价信息与三维模型进行一致关联，当发生变更时修改模型。BIM系统将自动检测哪些内容发生变更，并直接显示变更结果，统计变更工程量，将结果反馈给施工人员，使他们能直观地了解设计图纸的变化对造价的影响。使用BIM软件快速建立工程实体的三维模型，通过数字化工程量计算功能计算实体工程量，进而结合BIM数据库中的人工、材料、机械等价格信息，分析任意部位、任何时间段的造价。设计交底阶段和图纸会审阶段通过BIM可以从设计、施工监理从不同的角度审核图纸，利用BIM的可视化模拟功能，进行各专业碰撞检查，及时发现不合实际之处，降低设计错误数量，极大地减少理解错误导致的返工费用，避免工程实施中可能发生的各类变更，做到成本的事前控制。施工过程中通过BIM的多维模拟施工计算，快速准确地拆分汇总并输出任意工作的消耗量标准，实现限额领料，做到成本的过程控制。对BIM模型各构件进行统一的编码，在统一的三维模型数据库的支持下，从最开始进行模型、造价、流水段工序和时间等不同维度信息的关联和绑定，在过程中，能够以最少的时间实现任意维度的统计、分析、决策，保证成本分析的高效性和准确性，以及成本的有效性和针对性。成型隧道三维模型如图8所示。

图8 成型隧道三维模型

(5)基于BIM的施工进度管理

将三维模型与施工进度进行集成，实现对施工顺序的可视化表达，可以任意选取模型组件，将其与具体施工活动关联，实现模型和进度关联，自动生成仿真文件，可协助项目管理人员高效地完成工程进度计划和管理工作。利用BIM实现“先试后建”提前发现当前工程设计方案以及拟定的工程施工组织设计方案在时间、空间存在的潜在冲突和缺陷，将被动管理转化为主动管理，实现精简管理队伍，降低管理成本，降低项目风险的目标。同时为工程参建主体提供有效的进度信息共享与协作环境。所有参建方都在一个与现实施工环境相仿的可视化的环境下进行施工组织及各项业务活动，创造出一个直观高效的协同工作环境，有利于参建方直接进行直观顺畅的施工方案探讨与协调，支持工程施工进度问题的协同解决。支持工程进度管理于资源的有机集成，基于BIM的施工进度管理支持管理者实现工作阶段所需的人员材料和机械用量的精确计算，从而调高工作时间估计的精确度，保障资源分配的合理化。对项目整体进度和和局部进度进行4D反复模拟机动态优化分析，调整施工顺序，配置足够资源，编制更加科学可行的施工进度计划。始发钢套筒安装施工进度如图9所示。

图9 始发钢套筒安装进度图

3.3 BIM创新应用

(1)结合有限元分析对主隧道衬砌受力分析

通过建立BIM模型研讨施工要点，通过BIM模型结合有限元分析，分析出主隧道结构薄弱点、联络通道小管片结构设计和T接洞门设计，确定其结构与应力分析。利用Solid works、ProE、UG等三维软件，建好BIM模型导入Hypermesh 软件划分网格，然后用ansys, abaqus或者ls-dyna进行模态分析，静动态分析。将模型接触、连接、位移耦合，如果模型不能收敛，要检查单元大小，各部分之间的接触，调整边界条件。结合有限元分别进行设计情况位移变形、卸载工况位移变形和超载工况位移变形的主隧道衬砌模型受力分析。分析结论在各工况下，最大Mises应力出现在油缸安装板的焊缝处或开孔处，设计工况下可以满足管片设计强度要求。而且施加重力可以减轻其转动趋势，但对各力学量的影响不超过5%，有效地保证了主隧道衬砌的安全。主隧道受力有限元分析如图10所示。T接洞门结构设计分析如图11所示。

(2)集约化设备设计模拟

利用三维激光扫描对刀盘切削轨迹精确测量，采用能够贴合主隧道管片的弧形刀盘设计，设计具备切削混凝土能力的刀盘；因为切削管片非平面，为凹凸空间曲面，刀盘无法与切削面密贴，通过弧面到盘点的设计和各种撕裂刀刮刀、滚刀的具体布置，使钢混管片切削部分更容易通过。通过拟合主隧道内径，反复推敲模拟主隧道受力和始发接收套筒定位情况，集约化设计始发、接收顶撑系统。对主隧道待切削管片进行预制化加工，模拟刀盘切削过程，对钢混管片各种材料强度均进行设计模拟反馈，深化设计，实现了狭小空间的全机械化施工。集约化设备设计模拟如图12所示。

4 应用效果

(1)通过利用BIM工程质量得到提高，通过反复的施工模拟，深化设计，使得隧道一次性成型成功率100%；

(2)成本控制，对施工安排及人员材料的控制，节约了成本，单个项目经济效益提高约30%；

(3)缩短了工期，施工BIM技术，施工进度优化后，项目工期缩短了40天；

(4)通过利用BIM技术提高了项目管理水平；

(5)培养了一批BIM特长人才。

图12 集约化设备设计模拟

5 总结

(1)基于BIM的IPD模式应用

机械法联络通道由宁波轨道交通公司、中铁装备、上海隧道院、宁波大学、同济大学、宁波广天构件、上海同隧等数十家单位组成课题组集成化方法强化了项目实施效果，增强设计，开放、直接、坦诚的交流实现了信息的开放和共享。IPD模式倡导的基于协同工作环境和开放性的交流氛围，为数据交换提供了最佳的实施环境，BIM技术则反过来帮助IPD的项目参与方实现了超越了传统意义的协同工作，IPD模式与BIM融合在一起能够实现建筑产品与施工过程同步设计，最终消除因设计缺陷所导致的施工障碍和返工浪费。

(2)机械设备集约化设计、构件数字化集成

集成了BIM技术、计算机辅助工程技术、虚拟现实的等形成的面向整个机械法联络通道的全信息数据库，实现信息模型的综合数字化集成。采用全数字化表达通过三维图纸与施工工程。

(3)结合有限元分析，确定主隧道受力情况，对联络通道小管片的结构进行设计分析和T接洞门结构进行受力分析，制定有效措施保证了施工安全，解决了整个联络通道施工中的重难点问题。

(4)数字化管控平台的应用，通过施工过程采集最新数值反馈到数字化管控系统中，不断优化数字化管理系统。