BIM技术辅助盾构区间下穿既有高架桥的施工技术研究——以天津地铁11号线一期工程为例

王松涛 李星 丁杰

(中交三公局工程总承包分公司 北京 100023)

0 引言

近年来，随着城市化进程的推进，地铁在缓解城市交压力问题上扮演着极其重要的角色。而BIM技术在工程建造过程中，具有加快建模速率、减少图纸重复率和快速计算工程量等优点，使其在地铁建设中的应用和作用越来越不可或缺[1]。刘英城等人[2]从220 kV石井～环西电力隧道工程实际出发,分析了盾构施工的风险源分布情况,并针对电力隧道本身和风险源创建BIM模型,实现了盾构风险源管控可视化。BIM技术的使用，弥补了传统盾构风险管控在实际使用过程的一些不足。魏林春等人[3]分析了现有盾构施工信息管理系统的不足，即多源异构信息整合不全、工程数据关联分析不足、决策支持可视化程度不高等问题，结合BIM技术在工程项目信息管理的优势,设计了基于BIM的盾构施工信息管理系统。

本文依托天津地铁11号线一期工程中，东江道站～学苑北路站区间下穿已有的地铁高架桥这一背景，探讨BIM技术辅助城市地铁建设施工的过程与优势。

1 工程背景及应对措施

1.1 工程背景

天津地铁11号线一期工程线路全长22.6 km，本工程东江道站～学苑北路站区间沿线下穿既有运营的地铁1号线高架桥，高架桥1#桥桩距隧道结构外皮距离4.17 m，2#桥桩距离隧道结构外皮最小净距3.23 m，穿越区域盾构顶覆土10.6 m。

1.2 应对措施

如何有效降低盾构掘进地层扰动对高架桩基的影响，平稳、快速通过高架桥，继而确保既有运营线路安全，是本工程的重难点。采用如下施工应对措施：

(1)盾构穿越高架桥桩基施工前编制专项方案、安全应急预案，并按照要求组织方案评审，做到连续一次性穿越，如图1所示。

图1 盾构区间下穿高架桥平面示意图

(2)加强结构物监测并提高监测频率，根据监测数据实时指导推进施工；确保同步注浆和二次注浆施工质量，适当缩短浆液胶凝时间，做到早填充，早稳定，减少地层损失。

(3)穿越过程中严格控制施工参数，适当降低掘进速度，做到匀速平稳推进，姿态纠偏做到“勤纠偏、缓纠偏”，控制土仓压力，严禁超挖。

(4)配备应急保障物资，根据结构物监测变形情况，及时采取地面跟踪注浆加固等措施。

(5)与既有线运营单位建立联系，及时掌握线路运营相关情况，尽量在运营空窗期完成盾构穿越施工。

2 BIM技术的应用

BIM技术是一种建筑全生命周期信息化管理技术，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图五大特点[4]。通过BIM技术进行虚拟建造、虚拟验收等，能有效减少现场签证和变更、提高工程质量；优化施工筹划、缩短工期、控制投资；并可在工程竣工后，根据竣工建筑信息模型，提供三维可视化信息档案。

(1)工区场地布置设计时，应用BIM技术对场地平面布置模型和交通疏解进行模拟，场地内根据需要摆放出合理的工区场地模型及图纸，如图2所示。

图2 工区大门效果图

(2)依据施工图纸，创建盾构管片模型(图3～图4)，确定每个管片的关键点，以管片环半径、管片宽度、标准块、连接块、封顶块的角度等参数作为基本参数[5]。

图4 盾构管片拼装效果图

(3)应用BIM技术对盾构工程中的管线模型(图5)进行漫游碰撞检测(图5中管底最低标高2.54 m，能满足后勤走到通行要求)，检查施工图上所布置的管线与管线碰撞、管道与墙体碰撞等问题，最终形成碰撞报告，积极与设计院沟通协商解决问题。减少施工图碰撞问题、准确确定装修砌筑专业预留孔洞位置、合理规划设备房管路路由，避免施工返工，提高施工效率，为后期地铁设备维护的BIM管理提供方便[6]。

图5 经过BIM模型优化后的管线

(4)采用Revit软件，建立已有高架桥的桩基、承台、立柱、盖梁等构件的BIM模型(图6)。模型中包含高架桥各个构件的钢筋型号、直径、形状、长度等基本信息，并包括各构件波纹管、预埋件、吊点等模块位置的参数信息[7]。

图6 高架桥整体BIM模型

3 BIM的优势

BIM技术为施工团队和顾问提供了最大限度节省时间和资源的机会，从而减少了项目的预算支出。BIM不仅常用于预施工和设计阶段，其在施工完成之后也具有明显优势。以BIM应用为载体对施工项目进行信息化管理，项目的生产效率和工程质量均得以提升，项目工期与建造成本均得到减少。体现在下列几个方面：

(1)加强沟通和团队合作

BIM技术加强了设计师、客户、承包商和项目中涉及的其他相关方之间的沟通。因为BIM依赖于“单一事实来源”系统；意味着所有相关信息(包括模型、估计和设计说明)都可以从一个地方共享和存储。项目各个参与者不仅能看到共享的信息，还可以提出自己的建议。这种协作既消除了信息孤岛，又帮助架构师基于数据分析，找到最佳解决方案。

同时，客户可随时随地访问BIM软件，可以根据最新的计划和工作流程来建造建筑物。这既减少了冲突，也不必浪费时间在现场寻找解决方案。

(2)节省成本和资源

BIM的优势在于，它可以在施工阶段开始之前就提供可靠的施工成本估算。设计者可以使用BIM 360 Docs之类的工具，估算用料成本、物料与预制件的运输成本、人工成本。设计师不仅可以更好地了解项目的成本，更能借助BIM平台发现降低成本的方法。例如：选择更具成本效益的材料、寻找以最低市场价格购买材料的理想时间、确定预制还是在现场建造便宜、简化施工流程、减少导致项目延误或昂贵维修的人为错误。

(3)计算量与精度同时提升

通过构建5D关联数据库，打造BIM数据库系统，可以精确快速计算单价，提高施工预算的精确度与管理效率。因为BIM数据库系统的数据粒径达到钢筋级，可以快速提供支撑建设项目各条线管理所需要的数据信息内容，有效提高施工管理水平。

(4)更高的效率和更短的项目周期

通常，项目周期越短，在整体项目上花费的资金就越少。同样，由于工作人员可以尽快开始使用施工场地，按时或提早完成项目，也可加快最终的投资回报。借助BIM，设计师可更快地设计建筑物并更早地开始施工。改进的工作流程和其他效率，也加快了项目速度。例如，建筑师可以决定使用机器人技术批量制造某些预制件。可以节省施工时间，因为承包商只需在现场到达时，将零件固定到位即可。

(5)更高效的预制和模块化施工

BIM软件非常适合制作详细的生产模型，模型随后可在现场进行预制。设计师有更多的机会来设计模块化的建造物，这些建造物可以完美地兼容在一起，完成复杂的公差计算。同时，由于承包商节约了在现场从头开始建造构件的时间，施工效率得以大幅度提升，资金得到节省。

(6)虚拟模型协调施工安排

传统的进度管理过程中，在图纸的试制、施工等工作中，都是基于二维图纸和和平地图图集;现阶段BIM技术可以将项目进行三维可视化展示，它不仅通过三维的方式展示项目模型，还可以展示项目的施工管理、三维钢筋布置的效果。同时，传统技术下的场地布置模式只是二维平面，BIM技术可以实现三维的场地布置效果。在传统模式下，构件与各专业之间的碰撞问题会在施工中或施工后表现出来，直接影响工期的顺利进行。通过BIM技术整合不同专业人员之间的三维模型，实现施工前的碰撞检查，可找出部分碰撞问题造成的设计缺陷。

(7)为决策者提供进度管理数据

在传统的施工进度管理模式中，如果遇到工程质量和安全问题，将以书面形式进行记录，后者在后期修复完成后不进行管理。然而，BIM技术会将质量和安全问题直接联系到3D模型的指定位置上，不仅可以做好预记录，还可以做好后期的“修整”“未完成”“完成结束”状态的管理。BIM基于其强大的数据可计量能力，将各个构件在时空维度中进行汇总和协调，为决策人员提供个项目进度实时数据。如图7所示，为盾构机在高架桥下方时的进度管理控制图。

图7 进度管理控制图

4 结论

(1)利用BIM技术，通过建立BIM空间模型，对施工空间进行严格管理和动态模拟，可以最大程度利用施工空间，避免不必要的事故和损失。

(2)为加快运用BIM技术实现地铁标准化、信息化管理的目标，确保BIM标准在实践中的实施，建议地铁项目特定的软件工具，应随着BIM标准的发展而发展。