BIM技术在成都地铁8号线盾构中的应用

陈卓，陈强，谭林彪，邹坤秘，刘少龙，刘义

（1.中铁二局集团有限公司，四川成都 610000；2.成都希盟泰克科技发展有限公司，四川成都 610000）

1 工程概况

1.1 工程简介

成都地铁首条线路1号线于2010年9月27日正式开通，使成都成为中国大陆第10个拥有城市轨道交通的城市。据2018年12月26日成都地铁官方网站显示，成都地铁共开通6 条线路，线路总长226.017 km，均采用地铁系统，共计156座车站投入运营，14座换乘站。

截至2018年12月，成都地铁在建线路共有8条，共计里程321.46 km，预计2020年底前全部通车，开通里程达到515.72 km。其中成都地铁8号线一期工程土建1标项目位于成都市双流地区，标段内盾构区间隧道包括莲花站—文星站、文星站—川大江安校区站、川大江安校区站—珠江路站、珠江路站—顺风站，共计4个盾构区间、16个洞门、7个联络通道。珠江路站—顺风站盾构区间里程范围ZK23+188.698—ZK24+382.026；上行线区间长度1 218.666 m，下行线区间长度1 194.859 m。区间最小曲线半径400 m，最大纵坡为24‰，区间隧道埋深为10.47～19.30 m。成都地铁8号线工程建设模型见图1。

图1 成都地铁8号线建设模型

1.2 工程特点及难点

8号线一期工程特点突出，项目建设过程中会遇到复杂多变的地形结构，其中，隧道穿过的主要地层结构包括砂卵石、淤泥质黏土、中密卵石、强风化泥岩、中等风化泥岩等地层结构；同时还途经工厂、酒店、管道管线、闹市区、河流等地形建筑，这都对隧道建设提出了严格要求［1］。

该工程的实施具有一定风险，主要体现在：付出了一定人力、资金和时间，在一定条件和时期内并没有达到预期系统建设目标，或产生了消极影响。具体风险分析如下：

（1）基于BIM 的盾构远程监控系统需要BIM 咨询单位和盾构机监控提供商进行接口对接完成，协调沟通难度大，系统对硬件系统要求高。

（2）施工难度大、质量控制要求高、安全风险大，需要借助信息化手段，施工部门辅助决策系统进行科学合理的施工组织策划、隧道监测与人员定位，以保障作业安全和施工顺利进行，所以空间布置及项目设计工作量大。

2 BIM应用环境

2.1 BIM应用目标

（1）BIM技术的可视化程度高，某种程度上是实际工程的具体展现，根据BIM 技术实现的模型进行实际施工现场的场地布置、人员配置，优化施工组织设计，为具体的施工方案提供可视化演示［2］，优化施工方案。

（2）由于隧道建设与围岩地质条件息息相关的特殊性，因而在此BIM 项目中，采用根据勘测信息完成的地质模型与隧道主体模型相结合，可以实时掌控掌子面周边范围内的围岩地质条件、埋深等情况，为施工方案的确定提供可靠的依据，同时增加施工的安全性，增加未知因素的可控性［3-4］。同时，参数化隧道模型数据的准确性可增加工程量统计、成本分析、预算的准确性，减少数据偶然性引起的偏差，提高工作效率。

（3）本项目实施的目的是利用BIM 技术实现成都地铁8 号线1 标一分部盾构区间项目现场施工的工程结构和施工主要机具及临时场地布置三维可视化［5］、关键工序施工仿真、施工作业指导、单工程施工现场数据和计划进度管理的能力，促进地铁盾构施工管理方式的转变，提高施工管理数字化水平。

2.2 团队组织

根据项目特点，乙方（成都希盟泰克科技发展有限公司，简称希盟科技）项目小组是实施本项目的直接执行人，负责项目具体的实施工作；甲方（中铁二局工程有限公司城通分公司）项目小组为实施本次项目提供必要的资源保障，按时准备项目执行所需的软硬件、网络、办公环境，以及跟踪与解决和软硬件有关的技术问题，同时提供对文件、管理人员、用户、系统环境和其他资源上的配合与协调。形成了以项目决策委员会为核心，以项目经理为项目实施的组织者，以BIM咨询顾问、BIM服务工程师、配置工程师、开发工程师、关键用户、现场项目经理、工程人员、BIM管理员为项目实施者的3层体系结构，为项目合理有效实施提供保障［6］。BIM技术小组组织结构见图2。

2.3 软硬件环境

（1）硬件环境：硬件由模型工作站、盾构监控服务器、VR 系统服务器、VR 头盔构成，各硬件所需的CPU、内存、显卡、硬盘等配件具体参数见表1。

（2）软件环境：软件由BIM 建模软件、模型处理软件、BIM 3D引擎、动画制作软件、VR 3D引擎构成，实现以上功能的各种软件具体型号见表2。

表2 软件配置及型号

3 BIM应用与设计

3.1 BIM基础应用

3.1.1 模型构建

（1）地质模型构建。工作内容包含构建8号线一期工程中所涉及的4个区间全部地层信息的地质模型。相关地质模型构建见图3。

图3 地质模型示例

（2）临建BIM 模型构建。8 号线一期工程施工场地临建BIM 模型，用于反映施工场地布置和临时建筑规划、场地周边交通疏导方案。主要模型结构类型包括场地内外交通及主要结构。相关临建模型见图4、图5。另有工作内容包含施工场地及周边临建的模型构建，主要内容见表3。

图4 项目部场地临建BIM模型

图5 施工场地临建BIM模型

（3）线路区间模型构建。8 号线一期工程包含4个盾构区间，盾构区间主要信息见表4。

线路区间除按照施工方法区分各区间段外，整体展示区间线路走向及相关联的地质分层和与市政管网、下穿构筑物的位置关系，结合盾构机展现隧道掘进进尺、隧道管片。

（4）下穿建/构筑物模型构建。下穿构筑物BIM 模型，用于建立与主体工程相关联的关键构筑物、地表建筑物的关键尺寸数据，用于反映与主体工程间的位置关系和重要距离参数（见表5）。

表3 临建BIM模型清单

表4 盾构区间信息

（5）大型设备模型构建及设备模型库管理。搭建的大型施工设备主要为盾构机模型、自卸车等，用于反映在施工掘进过程中盾构机的行进位置及渣土在施工场地的运输方案；将各类设备进行分类管理，建立设备模型库。

表5 主工程相关联的关键建/构筑物清单

3.1.2 盾构机模型

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，其相关BIM模型见图6。

图6 盾构机模型

3.2 BIM高级应用

3.2.1 VR虚拟驾驶舱重点场景仿真

（1）用VR 虚拟驾驶盾构机模拟盾构机参数设置不合理导致喷涌的场景（见图7）。

（2）用VR 虚拟驾驶盾构机模拟盾构机下穿关键建筑物，由于进度及参数设置不合理导致建筑沉降变形（见图8）。

3.2.2 基于BIM的施工进度管理

在基于BIM的施工进度管理方面实现了以下功能：

图7 VR虚拟驾驶盾构机模拟

图8 VR场景下建筑沉降变形模拟

（1）结合BIM 模型的工程进度管理，能够支持施工相关计划的建立与管理［6-8］。通过工程进度计划与施工工程结构进行关联（WBS 结构与EBS 结构手动挂阶，或Project 计划中字段映射关联并导入），施工工程结构EBS与BIM模型的关联关系，达到工程进度计划和BIM模型的直接关联，实现施工计划的三维动态模拟。

（2）按进度计划模拟BIM 模型实时比对，随时校核进度偏差，加强工程管控。开放可查看历史版本的计划、数据源的录入、当前计划和历史计划的模型模拟动画展示、计划手动关联模型功能。

（3）依据施工计划和施工日志的对比［9-12］，将工程各专业划分为不同施工分区，管理人员可按照施工计划角度，进行任务完成情况分析，展示工区进度，形象进度展示。

3.2.3 基于BIM的工程动态移动APP

基于BIM的工程动态移动APP实现了以下功能：

（1）支持苹果和安卓操作系统，无须专用设备，直接在手机或平板电脑上使用。

（2）通过移动终端在现场推行监理日志、可视化安全管理，业主随时通过模型审阅核查质量、安全问题整改状态，实现移动可视化管理。

（3）随时查询三维BIM 模型、相关工程资料辅助施工指挥和作业人员现场作业。

3.3 BIM创新应用

在BIM 创新应用方面主要研究了基于BIM 的盾构远程监控和盾构机施工纠偏模拟。

3.3.1 基于BIM的盾构远程监控

（1）盾构机实时状态监测。将盾构远程监控系统的盾构机设备参数集成到BIM 系统，选择BIM 系统的盾构机BIM 模型，可查询当前盾构机的推进压力、盾构掘进速度、盾构刀盘压力、刀盘转速、注脂压力、油脂消耗量、注浆压力、盾构竖直和水平偏差及盾构机各设备运行状态等，为工程管理人员决策盾构机下一步掘进方案提供了实时状态信息。

（2）现场量测数据管理。现场量测数据管理工作应从量测基点接受后实测，以及三维扫描已完结构方面进行主抓。相较于传统管理模式，利用BIM 技术进行现场量测数据管理（见图9、图10），可达到及时纠正实际与理论误差，避免返工、节约时间。需做工作如下：将现场量测数据进行集成；实现现场量测数据实时显示及盾构数据与BIM模型的实施关联；定制1张现场量测数据的统计报表。

图9 实时监测现场量测数据显示界面

图10 查看项目区间进度情况界面

（3）危险源数据管理及预警。集成盾构远程监控系统的危险源信息，将其表达在BIM 模型中，并在盾构机掘进过程中提前预警。用于查询风险源的位置、等级等信息，对已预设的风险源，BIM模型中会以闪烁的方式展现（见图11）。

图11 风险管理界面

3.3.2 基于BIM的盾构机施工纠偏模拟

根据甲方提供的纠偏公式和方案（见图12），在BIM中完成快速建模，进行纠偏方案仿真验证和展示。

图12 纠偏施工过程

4 项目优势与成果

（1）规避风险新手段：利用三维建模将区间地面及地下建/构筑物与隧道结构进行对比分析，找出施工中可能存在的风险或危险点，提前采取应对措施降低或规避风险发生概率，有效调整项目合同规定的施工进度目标，保证项目的有效进行［13］。

（2）施工方案规划设计：由于地铁施工均处于闹市区，施工期间为尽可能减少对周边居民和交通等的影响，地铁施工围挡正逐渐减小，同时受地形影响，围蔽后的施工场地非常有限，给场地布置提出了很高技术要求，但是通过BIM 三维建模可将场地内临时设施以仿真的形式置于模型内，反映出各临时设施的干涉，最大程度利用现有场地进行布置，避免后期出现返工现象。

（3）智能评估施工方案：在施工方案的传统编制过程中，很难预先判断施工方案在实际生产过程中会遇到的各种问题，往往是在方案执行过程中遇到问题后再停下来进行讨论和优化，不仅耗费不必要的成本，同时降低了施工效率。通过BIM 三维仿真技术，在进行施工技术方案编制时，就可提前进行施工方案预演，通过软件进行模拟演练和分析，对施工方案的合理性进行评价，提前发现施工中遇到的问题，并可利用三维仿真技术对施工方案不足进行修改并重新模拟演练，帮助施工单位找出最合理、经济的方法，提高生产效率，降低因施工方案不合理造成的生产成本浪费，达到优化施工方案的目的。

（4）工程BIM 模型应用：通过BIM 技术对盾构工程中的盾构机、相关机械机具、施工地层进行完全对应的1∶1 三维建模，将现场各施工机具完全转化为3D施工模型，通过软件可对各模型进行360°无死角查看、精确量取尺寸数据，较传统二维平面图纸形象生动、简单易懂。通过三维模型形成的可视化交底，比普通纸张交底更加形象，能够更好地给作业人员传递交底信息和意图。

（5）施工管理信息化：施工平台的建立真正做到了施工管理信息化［14］。通过三维模型数据及施工信息的录入，可快速计算出施工的工程量及材料的使用量，同时根据实时施工进度反馈，可对材料消耗进行系统分析，比传统工程量及材料分析更加准确和及时。较以往施工数据管理上，BIM施工管理平台可帮助企业进行区域化管控，所有施工数据信息能够及时上传至上级公司，便于上级公司了解现场施工动态，一旦现场盾构施工发生异常，可第一时间发现问题并通过可靠数据进行分析，与现场项目部共同进行方案制定，提升工作效率，避免因时间延迟造成的不必要损失。

5 结论

（1）通过建立以BIM 技术应用为载体的盾构施工管理信息化，提升了生产效率，缩短工期。

（2）三维仿真技术能够帮助技术管理人员与现场作业人员进行更好的互动，比传统纸质交底更具说服力的同时提高了工作效率，确保施工交底的意图正确落实到现场，保证施工质量。

（3）通过BIM 平台记录盾构施工每一环的掘进参数、施工地层、盾构机姿态、作业时间及相关各项施工数据，技术管理人员能够第一时间掌握盾构施工数据，根据实时参数变化，对现场盾构施工做出及时响应，保证了项目数据的准确性和一致性。

（4）BIM数据库的创建为以后类似工程提供了可靠数据，同时可准确快速计算工程量，提升施工预算的精度与效率。由于BIM 数据库的数据粒度达到构件级，可快速提供支撑项目各条线管理所需的数据信息，有效提升施工管理效率。