基于BIM技术的隧道施工过程模拟

王 辉

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

1 概述

随着中国交通基础设施主战场向山区转移，复杂地质条件地区大规模隧道的数量不断增加，施工阶段是整个项目的重要环节，施工期间的项目管理能力和水平决定了工程项目最终能否顺利完成。山区隧道施工的信息化程度也决定了施工建设的效率。现场经常会出现因为工作人员的技术水平不一和对二维图纸的理解差错，造成很多不必要的返工情况。为了有效解决这些问题，基于计算机模拟应用的建筑信息模型技术逐渐应用于隧道工程中。

美国佐治亚州乔治亚州研究所的Chuck Eastman博士于1975年首次提出建筑信息模型技术[1]，至今已有40余年的历史。国外许多国家，如美国、英国、日本都将BIM技术应用于建筑、桥梁、隧道等行业中，发展均较为成熟。国内BIM技术最早出现在2002年[2]，发展应用主要在建筑工程，而隧道工程的信息化水平较低[3]且大多集中在设计阶段。路耀邦等[4]利用Dassault平台对重庆大石坝车站工程的三台阶法和双侧壁导坑法进行了模拟，分析并对比了两种工法施工工序中的冲突。常建军[5]应用Navisworks软件对天津地铁6号线施工过程进行了4D进度模拟。从上述学者的研究成果可以看出，目前的研究工作虽然集中在施工阶段的工法模拟与施工进度模拟上，然而却并不完善。

本文从BIM技术应用于隧道施工的全生命周期角度出发，在构建三维模型的基础上利用可视化技术，完成基于BIM技术的隧道CRD施工工法与隧道施工4D与5D进度模拟，希望能为后续隧道工程的施工进度管理提供参考。

2 隧道概况与BIM模型

隧道位于我国东南沿海，全长6 280 m，施工方法采用CRD法和三台阶开挖法。其中跨海宽度2 km，跨海段采用2孔行车隧道+1孔服务隧道的形式。施工标段设行人横洞9处，行车横洞4处。明挖段部分地层含水量较为丰富，主要为地表杂填土、淤泥层、全风化层中的孔隙水与强风化层中的裂隙水，开挖时坑内设置部分疏干井来疏干地下水以确保边仰坡的稳定。在施工段设置了雨水泵房，因开挖深度较深，围护结构采用钻孔灌注桩。隧道围岩等级多为Ⅱ级～Ⅴ级，隧道洞身结构按照新奥法原理进行设计，采用锚杆、喷射混凝土、钢架和钢筋网组成的初期支护与模筑混凝土二次衬砌相结合的复合衬砌方式。

本次建模采用Autodesk Revit三维建模软件，以BIM技术建模为核心，建立三维可视化模型。依托隧道施工项目信息，协调隧道施工管理全过程。采用Revit软件公共轮廓，根据隧道洞口横截面图和纵断面里程二维图纸，绘制三维隧道实体模型。根据不同围岩地段的支护方式不同，按照围岩等级划分来分段建立隧道主体。具体步骤包括导入跨海隧道平面线路布置图，确定三维模型布置位置；新建族项目，选取公制常规模型，导入隧道洞口横界面CAD图纸，绘制隧道轮廓族，根据隧道设计图，采用放样或拉伸工具绘制隧道结构轮廓，最后载入项目；在生成的隧道模型基础上，添加创建构件属性信息；在隧道项目文件中，连接载入项目的自制族文件，沿隧道走向迹线延伸隧道洞口轮廓，逐段生成主体隧道。由于三维建模对计算机硬件条件要求较高，故分别建立隧道主体左洞、右洞、服务洞和行车行人横洞等附属结构，如图1所示。

3 隧道施工过程模拟

模拟隧道施工过程采用的是国内广联达公司的BIM5D软件，方便沟通集成施工过程模拟。BIM4D技术是在三维建筑信息模型的基础上附加时间信息，BIM5D技术是在BIM4D技术的原有基础上再附加成本信息，形成五维建筑信息模型新技术。附加成本信息是BIM5D技术在项目工程建设中最具有价值的创新点。

3.1 隧道施工CRD工法模拟

本项目隧道的施工工法有CRD法和台阶法。CRD施工工法主要应用于隧道围岩环境最差的V级围岩，工序比较复杂。如图2所示，利用Autodesk navisworks软件对隧道施工所应用的CRD工法进行模拟，预先对隧道开挖过程进行了生动形象的演示，帮助施工人员对施工工法有更深的理解，便于优化施工方案。

模拟CRD工法具体包括利用Autodesk Revit软件建立CRD施工工序开挖模型，将三维模型导入Autodesk navisworks软件并进行模型渲染；利用TimeLiner工具并按照CRD施工开挖顺序编制模型开挖进度表，关联匹配模型构件；最终生成隧道CRD工法开挖三维动画，对施工开挖进行模拟，生动形象地交流施工方案，便于施工人员理解。同时根据动画演示的开挖过程，可以预先调整施工工序。

3.2 隧道施工4D进度模拟

利用施工单位编制的项目整体施工计划与BIM技术相结合，虚拟项目施工建设，通过进行多次施工过程模拟，管理隧道工程施工进度。对施工阶段可能发生的问题进行提前模拟，逐步修改并提前制定对策，优化进度和施工方案，指导实际工程施工。比较计划进度和实际施工进度，随时调整项目建设进度，确保项目建设顺利完成。

隧道施工4D进度模拟具体包括：根据施工单位提供的隧道施工进度计划表分别生成项目左线隧道、右线隧道、服务隧道的施工进度文件；在BIM5D软件中对隧道模型进行流水段划分关联，将进度文件导入并关联图元，匹配构件实际施工进度和计划进度；设置不同时段隧道施工4D进度显示动画，对比实际和计划进度时用不同颜色进行区分，看出哪里进度落后或者进度提前，在哪个里程段哪个步骤，宏观调控施工进度，具体应用步骤如图3所示。

根据进度动态模拟结果显示，从2017年3月计划施工开始到2018年5月期间，隧道左侧开挖速度过慢，严重影响施工进度。如图4所示，A部分里程段全部属于未能按照计划施工的部分，B部分里程段表示正在施工部分，C部分里程段表示已经完工部分。从施工项目的整体把握施工进度节奏，分析施工延迟的原因，管理人员并及时调整施工计划。

3.3 隧道施工5D进度成本模拟

能否有效控制工程成本决定单位的施工效益，材料的进价成本和消耗量都是决定因素。广联达BIM5D软件可以统计隧道材料工程量以及材料成本和消耗量，指导编制采购计划和物资供应计划。在软件界面中可以进行工程量统计，选定时间区间，然后导出工程量就可以查询某一时间段的隧道施工材料消耗量，按照建模单元分类。基于BIM模型可以协助统计项目工程量。本次项目应用过程中统计了混凝土用量以及消耗成本，并且对混凝土消耗成本作出计划与实际的对比,如图5，图6所示。

根据模拟结果可以看出，从2017年3月至2018年1月，混凝土的计划用量为8 380 m3左右，实际用量仅为6 075 m3左右，比计划用量少了2 000多立方米。计划资金消费7 000万元左右，实际消费金额仅有4 000万元左右。数据显示混凝土材料实际消耗比预算金额消耗少得多。再根据图中的进度显示可知，工程施工进度严重落后，说明项目管理人员在此时间段内对建设进度和资金消耗的把控欠佳，需要及时做出调整。BIM技术对项目管理方控制资金成本起到了很大作用。

4 结语

BIM建模技术在隧道施工过程中的CRD工法模拟可以有效帮助工人对工法步骤有更深的理解并且优化施工工序，同时由于在其他隧道工程中应用BIM技术对CRD工法的模拟实例较少，此次模拟过程可作为今后同行业之参考。

对隧道施工进行4D,5D进度模拟可以切实减少由于施工过程中的各种问题所浪费的时间、资源等，提高施工效率和资源利用率。尤其是对隧道施工5D进度成本模拟，5D模拟技术虽然在国外应用较广，技术也比较成熟，但在国内应用很少，本项目应用5D进度成本模拟技术有效控制与管理了施工进度与资源消耗，今后在类似的隧道工程中可以推广使用。