基于BIM的地铁隧道结构分析与安全预警探究

韩岩青，马建雷，周扬

（1.青岛市地铁四号线有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛市市政公用工程建设发展中心，山东 青岛 266071；3.青岛市建筑工程质量监督站，山东 青岛 266071）

0 引言

现阶段，地铁在城市交通体系中的作用日益重要，利用地铁可以更好的改善地面交通的拥堵状况，极大的方便人们的出行。当前，诸多城市都在加紧地铁线网规划和立项。在地铁建设过程中，隧道工程占据了非常重要的位置，为了强化地铁隧道工程项目的管理能力，就需要借助先进的BIM技术，从而实现对隧道结构的分析以及对隧道安全的预警，更好地帮助地铁建设单位掌控整个隧道工程的详细信息，从而大大提升隧道建设工程的质量和安全性。

1 运用BIM技术的意义

地铁建设单位可以通过BIM技术实现对隧道工程的数字化模拟，建立一个具有高度统一和一致性的可运算三维模型，使得各项工程数据变得可视化。通过这项技术，各部门可以凭借统一的可视化数据，使业务沟通更加准确便捷，使数据能够实现最大限度的共享，极大提升各个部门之间的协同效率，使隧道工程能够更加安全高效的实施，最大限度的提升隧道施工企业的施工效率和安全性，确保隧道建设目标的实现。

2 构建隧道结构模型

2.1 利用BIM技术构建隧道模型

BIM技术中所运用到的软件众多且十分复杂。其中包含了Revit、3ds max、Rhino、Navisworks等等，这些软件共同构建起一个完整的BIM软件体系。在进行隧道结构模型构建的过程中，需要充分运用这些软件的功能来实现对隧道结构的模拟。以Revit为例，在BIM软件中可以利用Revit软件实现对地质模型的构建。Revit软件是专为建筑信息模型（BIM）构建的，它可以构建非常复杂的建筑模型，但没有针对地质建立的模型，因此需要借助一定的技术手段来实现隧道结构模型的建立[1]。相关技术人员可以利用Revit软件中构建楼板的功能对地质模型进行构建和模拟，同时也可以在BIM软件中建立专门的地质数据库，从而使地质模型的构建更加方便、高效。在Revit软件中，为使用者提供了非常多的建筑构件族库，可以更好实现对地铁隧道工程的模拟。

2.2 地质结构分析

在进行地铁地下结构分析时，要充分考虑到周边岩土对地铁隧道工程产生的影响，这就需要对地铁隧道工程周边的地质结构进行精确的分析，从而更好地掌握地下结构的现状，进而保证地铁工程的顺利进行。首先，应该在BIM软件中，进行相关地质数据的设置，这其中包含了工程项目的地理位置、勘探数据、地层岩性、空间坐标等等数据，依据相关的数据建立专门的地质数据库，从而为建立地质结构模型提供数据支持。在相关数据完备的基础上，就需要利用BIM技术建立相关的地质模型。其次，要利用Revit软件的接口进行二次编程开发，在初始地质数据上，利用先进的算法对地址数据进行优化，这样有利于构建复杂的地层结构，保证地质模型的准确性和合理性[2]。再者，技术人员就需要利用HyperMesh软件对整个地质模型进行网格的划分，生成数值分析网格，从而更好地帮助系统进行地质结构数据的精准分析。最后，需要对地质结构数据进行进一步处理和计算。在这个过程中可以利用FLAC 3D进行后续的数据处理和分析。在Revit软件中，用户可以对很多数据进行自定义，包括建筑模型表面等等，使得模型能够更加符合工程的需求，然后利用相关的软件对模型进行渲染，从而更好地将地质结构模型以合适的方式展现出来，进而帮助相关企业更加直观，便捷的掌控整个地铁隧道工程的地质结构。通过BIM技术对计算结果进行优化处理，然后利用先进的图像处理技术形成更为精准的图像信息，更好地实现对数据可视化展示。

2.3 地质结构分析的最终实现

在BIM软件中，需要将隧道结构和地质结构模型进行结合，综合两个模型中的数据进行计算，实现对两个模型数据的有效集成，这样更加有利于展示整个隧道工程的结构，同时也有利于真实模拟施工开挖过程。利用相关软件提供的接口可以进行软件的二次编程开发，构建地铁隧道工程的三维数字模型。首先，将岩土结构计算模型中的数据与坐标进行一一对应。这些数据包括了节点编号、上下边界、应力应变等岩土结构数据。其次，通过二次编程开发，利用相关的命令将岩土结构的相关数据读取出来，再利用插值原理对这些数据进行科学的处理，计算出模型应力、变形等数据的等值线。同时，利用数值计算云图将数据展示出来，在这其中不同的颜色代表着不同的数值大小和变化。最后，将生成的数据重新导入Revit软件中，将这些数据与位置信息进行一一对应，然后利用图形处理软件进行渲染和输出。通过BIM技术完成对地铁隧道地质结构的研究和分析，这样可以更好地帮助地铁建设单位实现对工程项目的控制。

3 地铁隧道安全预警

3.1 意义

在地铁隧道施工中，安全工作无疑是重中之重。施工中发生安全事故，不仅会影响工程进度，而且可能会造成严重的人员伤亡。为了更好的保证地铁隧道施工的安全，就需要利用BIM技术实现隧道安全的预警，通过对地铁隧道工程模拟，可以实现对整个施工空间的精确管理，能够及时发现存在的安全隐患，采取准确的处置措施，大大减少发生事故的概率，提升隧道施工的安全性。

3.2 施工空间的管理

在地铁隧道施工的过程中，施工空间的管理至关重要。在施工过程中，如果施工空间不能得到有效的分配，不仅会影响到施工的效率，造成施工现场的混乱，还会引发严重的安全隐患。因此就需要地铁施工企业对施工空间进行详尽的安排。利用BIM技术进行施工空间的管理，可以帮助施工企业更为精确的进行施工空间的分配和施工时间的管理，避免出现施工现场的混乱。首先，需要利用BIM技术建立相关的模型，BIM模型不同于一般的2D或者3D模型，而是在模型中赋予了大量的工程属性，这就需要施工企业更具工程图纸的需求，建立隧道的主体模型和施工模型[3]。主体模型包含隧道的地质结构模型，机械模型，建筑结构模型。施工模型则包括，机械运动轨迹的整体模型，以及机械施工时的空间模型。在进行模型建立时，要尽可能的保证相关数据的完整性，统一性，精确性以及相关性。在建立隧道主体模型和施工模型的基础之上，还要将施工的进度融合进来，才能够对施工过程进行精确的模拟。在整个模型中包含了构件的几何属性，空间占用数据以及时间属性。这样就可以对整个施工进行模拟，从而实现对施工空间的预测。在隧道施工中，空间冲突是影响施工效率的重要因素。必须保证每一个施工工序都拥有足够的空间，因此就需要利用BIM技术在施工前在施工开始前，对施工方案进行准确的模拟，从中找到存在的问题，从而对施工空间进行合理的预测和安排，优化机械运行路线以及人员施工范围，避免施工空间的冲突，造成施工现场的无序，增加发生安全事故的概率,还能够大大提升施工空间的利用效率。除了进行空间冲突分析，还要对时间冲突进行分析，这就需要相关人员利用BIM技术对空间冲突和分类空间冲突进行精准的判断，并对这些冲突所产生的结果进行预估。在进行施工空间管理的过程中，可以将其分为三类，第一类是可使用空间，顾名思义就是尚未被占用的空间；第二类是施工占用空间，就是施工中正在占用的空间；第三类就是物品占用空间，这里主要指机械设备、材料所占用的空间。

通过利用BIM技术，可以更好的实现对施工空间的安全管理。首先，就要借助隧道的三维模型以及相关的数据，建立隧道内部空间的三维模型。其次，就是要将施工进度信息与隧道空间的三维模型进行结合，从而更好地模拟整个施工过程。最后检测施工空间冲突，通过分析和计算可以对施工空间进行分级，按出现空间冲突的概率大小，对整个空间进行划分，这样可以更好地实现对施工空间的管理。在BIM的隧道的三维空间模型当中，为了更好的检测空间冲突，就需要在原有模型的基础上加入更多的信息，这些信息包括机械设备的运动轨迹和运动半径等等，这样可以使整个模型更加科学和完整，从而使分析结果更加准确。在整个模拟和分析的过程中，必须保证数据的准确性和完整性，否则就不能保证数据的准确度。

3.3 隧道结构安全预测

在隧道建设过程中，隧道周围的地质情况会对施工产生非常大的影响，因此就需要对周边的地质数据进行详细的分析，这其中包括，工程影响范围内的建筑物沉降倾斜数据，隧道的结构变形数据，隧道围岩的监测数据以及沉降数据等等[4]。将这些数据与BIM结构数据模型进行有效的结合，通过相关的技术建立监测曲线，然后对监测曲线进行特定数值的设置。通过BIM软件可以清晰的观测到数据的变化情况。通过BIM软件对隧道结构与周围岩土结构的计算结果进行科学的对比，可以更好地实现对隧道模型和岩土体模型的验证。如果在监测的过程中，发现监测点的最大数值已经超过隧道结构稳定性，地面沉降所设定的预警值上限，系统就会启动预警机制，发出警告，提醒相关工作人员。通过模型的计算和分析，最后将计算结果与监测数据进行比对，从而验证数据模型的合理性和科学性，从而更好地保证隧道结构本身的安全性。

4 结语

目前，对于很多城市来说，地铁已经成为城市建设的重要标志，因此，地铁建设受到了社会的广泛关注。为了更好建设地铁工程，就需要对地铁隧道工程进行全面的控制和分析，在这其中，BIM技术起到了非常大的作用，这项技术的应用不仅可以帮助地铁建设单位实现对地质结构更加精准的分析，同时还能实现对地铁隧道安全的准确预警，这样可以更好地保证地铁隧道工程的质量和安全。