基于BIM的地铁盾构管片深化设计流程优化研究

蒋四礼 邱兆阳

(1.中铁南方投资集团有限公司 广东深圳 518060；2.深圳大学中澳BIM与智慧建造联合研究中心 广东深圳 518060)

1 引言

城市轨道交通是缓解交通拥堵问题最有效的方式。截至2017年6月底，全国在运营城市轨道交通总里程已达4 400 km，且约有5 770 km的城市轨道交通项目处于在建阶段[1]，巨大的建设需求对城市轨道交通建设质量提出了较高要求。盾构法是当前城市轨道交通项目最常采用的地下隧道施工方法，盾构管片质量对管片现场安装及隧道建成后的整体性能具有至关重要的影响[2]。

深化设计阶段是连接盾构管片施工图设计与管片生产的关键环节，该阶段要求对建筑设计方案及施工图纸进行深化设计，其良好设计有助于提高图纸的精细化水平，有效减少现场施工出现的错误，最大程度避免材料浪费及安全风险。然而，随着工程项目体量及功能的不断扩展，传统上基于二维图纸的设计方式已无法满足当前盾构管片复杂的功能需求[3]。因此，考虑到施工效率、安全性及项目建成质量等要求，亟需在盾构管片设计阶段采取更先进的技术进行精细化设计。

近年来，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术已被广泛应用于城市轨道交通项目全生命周期的管理[4-5]。在项目设计阶段，通过采用BIM技术可以快速构建地铁车站及区间隧道模型，进而实现协同设计、碰撞检查、施工模拟、现场漫游等功能[6-7]。既有研究中，学者更多关注BIM技术在盾构隧道参数化建模及协同设计中的应用，并取得了一系列创新成果[8-9]。尽管这些研究已从技术层面为盾构管片BIM设计提供了一些有效的解决方案，但却忽略了设计流程和深化设计流程完备性及流畅性对设计效率与质量的重要价值，未能从管理层面系统地梳理与改进盾构管片深化设计流程，导致当前盾构管片深化设计流程仍存在各层级间信息缺失与分离问题，极大影响了设计效率与质量。

针对上述问题，本研究旨在对基于BIM的盾构管片深化设计流程进行系统优化。首先，本文全面总结和归纳了传统预制构件设计流程及现有基于BIM的预制构件设计流程；其次，根据工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)理论，厘清了深化设计流程各阶段的功能需求和可交付成果，构建了基于BIM的盾构管片深化设计流程；最后以深圳地铁14号线某区间隧道为研究对象，验证了所提出流程的可行性。研究成果有助于更好地衔接盾构管片深化设计的各个层级，减轻设计团队的工作负荷，实现盾构管片精细化设计，提高盾构隧道现场施工质量。

2 现有预制构件设计流程

盾构管片作为最典型的预制构件之一，其设计流程亦遵循常见预制构件的设计流程。本研究对深圳市有关设计单位开展了实地调研，确定了传统预制构件设计流程及两种基于BIM的预制构件设计流程。

2.1 传统预制构件设计流程

传统预制构件设计流程可分为技术策划、方案设计、初步设计、施工图设计及深化设计五个阶段(见图1)。

图1 传统预制构件设计流程

技术策划阶段要求设计团队根据建设单位需求，制定项目技术策划方案。在方案设计阶段，设计团队需根据项目使用功能及样式要求，进行系统的建筑设计。初步设计阶段要求设计团队确定施工现场连接方式、构件生产规格等，完成初步设计图纸的绘制。在施工图设计阶段，设计团队需对初步设计图纸继续深化，以满足国家相关标准和施工要求。在最后的深化设计阶段，设计团队需根据相关设计标准及抗震规范，完成预制构件拆分、验算、优化、出图等设计任务。

总体而言，传统预制构件设计流程主要以二维CAD图纸为核心，缺乏可视化功能，容易出现“错漏碰缺”等问题，且设计数据难以实现有效流通。

2.2 基于BIM的预制构件设计流程

2.2.1 设计流程一

设计流程一包括技术策划、方案设计、初步设计、施工图设计和深化设计五个阶段(见图2)。其中，技术策划阶段需系统分析项目的场地条件及空间信息。在方案设计阶段，设计团队需建立建筑方案BIM模型。初步设计阶段要求设计团队基于已有方案设计模型，建立建筑及结构初步设计BIM模型，初步实现多专业协同设计。在施工图设计阶段，设计团队进一步建立建筑施工图BIM模型、结构施工图BIM模型、机电施工图BIM模型，并定期进行碰撞检查及管线综合检查，以形成完整的设计文件。此外，在该阶段设计完成的施工图纸需交付至第三方机构进行图纸审查，合格后方可交付使用。

图2 基于BIM的预制构件设计流程一

作为设计阶段最后一项工作，深化设计阶段要求结构设计团队综合考虑预制构件生产及现场安装要求，完成管片拆分、模具设计、钢筋排布、预埋件设计、受力计算、结构分析、碰撞检查、施工图生成、明细表导出等工作。

2.2.2 设计流程二

设计流程二包括技术策划、方案设计、模型建立、模型优化和深化设计五个阶段(见图3)。由于其技术策划、方案设计及深化设计阶段的任务与设计流程一基本相同，下文只介绍其余两个阶段的任务。

图3 基于BIM的预制构件设计流程二

模型建立阶段要求设计团队结合建筑功能与外观要求，查询现有预制构件库中是否存在满足设计要求的通用构件。若存在相应构件，则直接调用以用于通用构件BIM模型的建立。若未存在相应构件，则需依据现行设计规范和抗震要求设计并定义新构件，再将该构件拼装至BIM模型中，完成建筑、结构、机电等专业BIM模型的建立。

在模型优化阶段，设计团队需在预制构件BIM模型的基础上，进行系统的结构分析与受力计算，对其进行反复调整以满足相关要求。

2.2.3 流程评价

上述两种流程均要求在设计初期建立BIM模型，并以此为基础开展分阶段、分层级的深化设计。与传统预制构件设计流程相比，基于BIM的预制构件设计流程实现了各阶段设计成果的实时可视化及参数化，极大提高了设计效率与设计精度。然而，当前流程深化设计阶段的完备性及流程性仍有不足，存在各层级之间信息缺失与分离问题。因此，有必要进一步系统地梳理并优化原有流程中的深化设计工作。

与设计流程一相比，设计流程二更侧重于在设计过程中建立预制构件库。从长期来看，设计流程二更有利于减轻结构设计团队的工作负荷，提高设计质量和设计效率，相对来说更为合理。因此，下面将以设计流程二为基础，对盾构管片深化设计流程进行优化研究。

3 基于WBS的盾构管片深化设计任务分解

WBS是一种以可交付项目为导向，对项目要素进行分组的方法[10]。以BIM模型为载体，良好的工作分解结构已被证明可以显著提高工程项目信息传递及管理效率[11-12]。为了构建合理、完备的盾构管片深化设计流程，本研究采用WBS方法，根据可交付成果的不同，对盾构管片深化设计阶段进行分解。详细的深化设计工作分解结构如图4所示，包括管片拆分、基础设计、优化设计、施工图生成、物料明细表生成五个主要阶段，各阶段的功能需求及可交付成果如表1所示，优化后的盾构管片深化设计流程如图5所示。

图4 基于BIM的地铁盾构管片深化设计工作分解结构

表1 基于BIM的盾构管片深化设计流程功能需求

图5 地铁盾构管片深化设计流程

4 盾构管片深化设计流程应用

以深圳地铁14号线某区间盾构隧道为例，来展示所提出的深化设计流程。该区间隧道采用盾构法施工，衬砌环外径为6 700 mm，内径为6 000 mm，衬砌厚度为350 mm，衬砌环宽为1 500 mm。管片采用错缝拼装的方式，由螺栓进行连接。单个衬砌环由3块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成。

4.1 管片拆分

管片拆分是盾构管片深化设计的基础。该环节主要使用BIM软件的拆分功能，将施工图设计阶段建立的盾构隧道BIM模型按照类型拆分成标准块、邻接块、封顶块等构件，便于后续各类型构件的精细化设计。这一阶段的可交付成果为拆分状态的初始管片模型。管片模型拆分示意如图6所示。

图6 管片模型拆分示意

4.2 基础设计

基础设计是盾构管片深化设计的核心，其主要任务是将初步设计阶段的盾构管片模型进一步深化，以满足盾构管片工厂生产、运输单位运输和施工现场安装的需求。基础设计环节的工作主要分为配筋设计和预埋件设计两部分内容。这一阶段的可交付成果为详细设计后的基础管片模型。

配筋设计要求合理排布各种类型的钢筋，最大程度地满足构件结构受力要求。实际设计中主要基于BIM软件的精细化编程功能，按照《盾构隧道管片质量检测技术标准》《盾构可切削混凝土配筋技术规程》《预制混凝土衬砌管片》《盾构法隧道施工及验收规范》《混凝土结构工程施工质量验收规范》等相关规范要求，确定钢筋规格、直径、间距等参数，通过创建钢筋族、利用节点生成钢筋线等方式，完成主筋、箍筋、分布筋等多种钢筋模型的快速制作和放置。

预埋件设计需充分考虑盾构管片工厂加工精度和现场安装要求，确保盾构隧道整体的结构安全性能和质量。实际设计中主要通过在BIM软件中创建所需的自定义族类，并利用对应的节点功能进行复杂的族放置和实体剪切等一系列操作，最终完成连接螺栓、螺母、注浆管等预埋件的设计工作。部分盾构管片拆分模型的基础设计成果如图7所示。

图7 盾构管片拆分模型基础设计

4.3 优化设计

优化设计主要指在基础设计盾构管片模型的基础上，运用BIM技术对各盾构管片进行深化分析，以保证结构整体的设计质量和安全性能。最常见的优化设计技术包括三维预拼装、碰撞检查等。这一阶段的可交付成果为优化设计和分析后的优化管片模型。

三维预拼装指的是通过BIM软件的三维拼装功能将盾构管片拆分模型统一拼装到同一个模型内，提前演示施工现场的安装状况。碰撞检查则侧重于检测盾构管片内部钢筋之间、钢筋与预埋件之间是否存在冲突问题，并针对检查过程中出现的碰撞现象进行实时修改和调整。

4.4 施工图生成

施工图生成主要指基于优化设计后的三维模型，采用BIM软件的图纸导出功能将相关的配筋图和模板图等导出为CAD图纸。这些图纸与对应的三维模型将交付至施工图纸审查单位审查。经审查无误后，图纸将进一步交付至盾构管片生产工厂，为后续的生产、运输和施工现场安装环节提供指导。这一阶段的可交付成果为优化管片模型对应的施工图纸。

4.5 物料明细表生成

物料明细表主要是将优化设计后的盾构管片模型导入BIM计量软件，计算钢筋、混凝土、预埋件等相关物料明细数据，并导出成Excel等文件格式，配合CAD图纸的交付工作。对盾构管片工厂来说，详细、准确的物料明细表不仅便于其提前准备盾构管片生产所需物资，而且有助于工厂各流水线之间的资源协调和工作计划安排，可有效减少人工、材料和设备的浪费。这一阶段的可交付成果为优化管片模型对应的各类物料明细表。

5 结束语

本研究根据WBS理论，构建了基于BIM的城市轨道交通项目盾构管片深化设计流程，即管片拆分、基础设计、优化设计、施工图生成与物料明细表生成。以深圳市某地铁区间盾构隧道为案例，详细说明了所构建流程各阶段的功能需求和交付成果。

本研究构建的基于BIM的盾构管片深化设计流程厘清了各阶段深化设计任务的重点，有助于盾构管片设计精细化水平的提高，确保盾构管片生产及现场安装质量。从整体上来看，优化后的深化设计流程也有利于城市轨道交通项目的信息流通，为项目全生命周期的信息化管控奠定坚实基础。