BIM技術在地鐵隧道工程施工中的應用

常建軍

（中鐵六局集團交通工程有限公司，北京　100036）

?

BIM技術在地鐵隧道工程施工中的應用

常建軍

（中鐵六局集團交通工程有限公司，北京100036）

摘要：天津地鐵6號線第8合同段盾構區間隧道受始發場地面積小、穿越風險源多、地質環境復雜、技術要求高等因素的限制，施工過程中存在大量的困難和挑戰。對此，使用建筑信息模型技術（BIM）進行建筑專業、結構專業、機電專業的建模，對各專業進行碰撞檢查及處理，實時仿真模擬施工，并對工程量進行統計。從施工過程中來看，采用建筑信息模型技術（BIM）進行隧道施工取得了良好成效，顯著縮短了工期，節省了成本和造價。研究結果可為同類地鐵隧道工程施工提供一定的參考。

關鍵詞：BIM；建模；盾構區間；分體始發

0　　引言

在我國，BIM最初只是應用于一些大規模標志性的項目當中，除了堪稱BIM經典之作的上海中心大廈項目外，上海世博會的一些場館也應用了BIM。僅僅經過兩三年，BIM已經應用到一些中小規模的項目當中。以福建省建筑設計研究院為例，全院70%～80%的項目都是使用BIM完成的。據介紹，就BIM的應用而言，2009年，美國就領先中國7年；目前，中國已將這一差距縮小到了不足3年。需要強調的是，這一差距針對的是BIM的用戶數量，而在應用程度上，中國先進企業與世界領先公司基本上處于同等水平。住建部編制的建筑業“十二五”規劃明確提出要推進BIM協同工作等技術應用，普及可視化、參數化三維模型設計，以提高設計水平，降低工程投資，實現從設計、采購、建造、投產到運行的全過程集成運用[1-4]。

與傳統模式相比，三維建筑信息模型技術（3DBIM）具有明顯優勢。3D-BIM建筑模型的數據在建筑信息模型中的存在是以多種數字技術為依托，從而以這個數字信息模型作為各個建筑項目的基礎，可以進行各個相關工作。建筑工程與之相關的工作都可以從這個建筑信息模型中拿出各自需要的信息，既可指導相應工作，又能將相應工作的信息反饋到模型中[4-6]。

BIM可以四維模擬實際施工，以便于在早期設計階段就發現后期真正施工階段出現的各種問題，提前進行處理，為后期施工打下堅固的基礎。在后期施工時能作為施工的實際指導，也能作為可行性指導，以提供合理的施工方案及人員、材料使用的合理配置，從而來最大范圍內實現資源合理運用。基于4D-BIM的工程管理，主要用于施工階段的進度、成本、質量安全以及碳排放測算。在3D-BIM和4D-BIM應用后，BIM應用就是3D到nD的過程，nD可以分為基于3D的應用和基于4D的應用，而nD的關鍵則在于構建相應的管理模型，在這方面，我國的BIM應用還有很大的空間待挖掘。將BIM技術應用到地下工程建設[7,8]，尤其是城市軌道交通建設中，也是對BIM技術的有效推廣。

本論述結合天津地鐵6號線第8合同段盾構區間隧道案例，應用建筑信息模型技術（BIM）進行建筑專業、結構專業、機電專業的建模，各專業碰撞檢查及處理，并進行仿真模擬施工，及對工程量進行統計，以期對施工過程進行有益指導，達到實時可視化，動態了解工況變化，節約工程成本的目的，研究內容可為同類工程提供有益借鑒。

1　　工程概況

1.1施工工況

天津地鐵6號線工程土建施工第8合同段：北寧公園站（含）～天津北站站（不含），共1站1區間，區間包含聯絡通道和泵站，施工范圍為以上工程的土建施工。

1.1.1北寧公園站

北寧公園站位于中山北路路中，橫跨養魚池路。車站主體結構為地下兩層雙柱子三跨島式車站。車站中心里程DK10+807.821，車站總凈長285 m，標準段凈寬19.3 m（端頭井寬23.1 m），覆土厚度約為3.0～3.5 m，主體結構總建筑面積為11 560 m2。圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，長31.4 m，插入比為0.73；兩端頭井基坑長15.4 m，凈寬24.9 m，開挖深度19.2 m。

1.1.2北寧公園站～天津北站站區間

北寧公園站～天津北站站區間，下文簡稱北北區間。區間范圍自右DK10+886.821（左DK10+886.823）起至右DK12+041.286（左DK12+044.274）止，其中右線長鏈34.131 m，左線長鏈36.004 m，區間右線長1 188.596 m，左線長 1 193.455 m，埋深為 10.80～24.15 m。在右DK11+449.886（左DK11+449.874）處設聯絡通道兼泵房一處。

區間采用盾構施工，管片外徑為6 200 mm，內徑為5 500 mm，管片寬度為1 500 mm，分為左彎環、右彎環和直環，每環管片由三塊標準塊、兩塊鄰接塊以及一塊封頂塊組成，管片拼裝為錯縫拼裝。左右線均采用海瑞克Φ6410盾構機。

聯絡通道兼泵房采用暗挖法施工，土體加固為冷凍法。

1.1.3天津北站站

天津北站為地鐵3號線與6號線的換乘車站，為地下三層雙柱三跨島式車站，站內線路左線為半徑為800 m的曲線，右線為半徑為820 m的曲線，盾構施工可利用的凈空長度為57.4 m。

1.2工程特點

天津地鐵6號線土建施工第8合同段施工工序繁雜多樣，其具體工程特點如下。

（1）北寧公園站位于中山北路與養魚池交匯口，橫跨養魚池路，施工區域含有大量管線，施工場地復雜有限，主體工程施工工藝繁雜多樣，在工程管理上帶來一定的不便與挑戰。

（2）北（寧）北（站）區間采用盾構施工，盾構始發端北站站為地鐵3、6號線換車站，既有線路3號線目前正常運營，對于盾構施工，站內可利用空間有限，盾構需采用分體始發，地面施工場地復雜。

（3）北北區間風險源眾多，沿盾構掘進方向依次穿越天津北站站房、站內鐵路股道、京津城際高鐵橋樁、東縱快速隧道、鐵路第一招待所、桂順齋、中山飯店以及大量地下管線。且因為本區間所處地層為軟土地層，工程地質情況較差，在盾構施工期間，需嚴格控制地面沉降，把控施工工期。

2　BIM技術在隧道施工中的應用

天津地鐵6號線項目，在深化設計、現場施工管理及管理協調等環節全面應用BIM技術。其實施步驟為：

（1）根據設計圖紙，用Autodesk Revit軟件創建天津北站站～北寧公園站及區間的BIM模型；創建天津北站、天津第四中心醫院、鐵三院、京津城際、沿線部分住宅、中山飯店等相關地面建構筑物的模型；

（2）用CATIA軟件創建海瑞克盾構機的BIM模型并進行盾構機組裝及分體始發碰撞檢查；

（3）用Autosek Civil 3D建立相關地質地層信息；

（4）對建立的BIM模型統計輸出相關材料、物資等相關工程量，形成EXCEL等文本文件用于工程計算計量；

（5）在Lumion中建立天津地鐵6號線8標地段3D虛擬數字城市；

（6）用Autodesk Naviswork完成4D施工模擬；

（7）完成盾構機吊裝、始發、掘進轉接等相關工序的仿真模擬。

2.1BIM技術應用的軟硬件配置

根據多方咨詢及參考其他BIM技術實施的案例，在探索研究BIM技術在地鐵施工中的應用階段，中鐵六局集團有限公司配置了兩臺臺式機，一臺筆記本，BIM技術應用的硬件和軟件配置見表1和表2所示。

2.2建筑專業建模

使用Revit2015建立車站及盾構區間的信息模型。分塊建模，拼接組合[9]。主要依據以下步驟：

（1）根據天津地鐵六號線施工藍圖，用CAD繪制精確的電子版圖，用與導入Revit，作為參照母板。見圖1、圖2所示。

表1　BIM技術的硬件配置

表2　BIM技術應用軟件

（2）在Revit中創建適用于本項目工程的樣板文件，建立相應標高，導入CAD圖紙，繪制軸網。創建相應族文件及零部件。按設計藍圖，創建柱、梁、板、墻，設定參數，錄入相關信息。

（3）盾構區間線根據設計，生成盾構中心線，沿盾構中心線生成管狀隧道，然后對管狀隧道進行分割，形成盾構管片并賦相關信息。

北（寧）北（站）區間，天津北站，聯絡通道兼泵房的BIM模型見圖3、圖4、圖5所示。

圖1　　北寧公園站Revit模型

圖2　Grasshoopper參數化建立盾構區間模型

圖3　　北（寧）北(站)區間BIM模型

圖4 天津北站BIM模型

圖5　　聯絡通道兼泵房模型

2.3建立地面建構筑物及相關風險源的BIM模型

通過Revit完成天津北站、天津第四中心醫院、鐵三院、京津城際、沿線部分住宅、中山飯店等相關地面建構筑物的模型建立，因無需細化部分建構筑物的詳細信息，采用Revit體量功能建立了相關建構筑物的BIM模型，詳見圖6進行。2.4使用CATIA建立盾構機的BIM模型

圖6 地面建構筑物BIM模型

使用CATIA建模，首先創建各零部件的模型。根據盾構機各零部件的尺寸，編輯草圖，通過凹凸、盒體、倒角及布爾運算等一系列操作形成零部件模型，見圖7所示。

圖7　　盾構機零部件模型

零件模型完成后，需在CATIA中進行機械裝配形成盾構機部件模型，見圖8、圖9所示。部件裝配按照各零件的位置關系、運動軌跡確定其約束情況位及運動變量參數，最后由部件模型組裝成盾構機。

圖8　　盾構機部件模型

圖9 盾構機CATIA模型

2.5建立相關地層地質信息

Autodesk CAD Civil 3D是專門針對與地層、地質、地面等工程地質建立模型的軟件，且在歐特克的系列軟件中進行文件的傳遞能良好地保證模型的信息不被衰減，因此，采用Autodesk CAD Civil 3D建立地層地質模型，地層地質信息模型見圖10所示。

根據地勘報告布置勘測點，建立地形體量曲面；按工程工程控制點生成出事地層曲面；由勘測點形成路線，建立斷面圖；在斷面圖中繪制地層分界線，加入地面特征曲線；將曲面分層轉為三維實體，經布爾運算后生成地質實體模型。

圖10　　地層地質信息模型

2.6施工碰撞檢查

因本工程施工場地的限制，盾構施工采用分體始發技術，即盾構機部分先組裝完成，滿足初步施工要求。待掘進25環后，拆除負環上部管片，進行二次裝機。

使用BIM技術就擬選的盾構分體始發方案進行技術模擬，提前發現可能存在的問題，對出現的問題進行分析并提前解決，避免因其誤工返工而導致施工資源的浪費與工期的延誤。

采用BIM技術，預先進行組裝模擬，完成對相關施工人員的技術交底，明確盾構分體始發技術的液壓管、電纜排布連接等重點與難點，確保電氣部分、液壓部分、氣壓部分接線正確，保證刀盤驅動系統、盾構推進系統、鉸接系統、出土系統、拼裝系統、管片運輸系統、集中潤滑系統、過濾系統以及冷卻系統的正常工作，為盾構調試做充分的準備工作。見圖11、圖12、圖13所示。

圖11地面組裝與吊裝

圖12　　盾構機分體始發

圖13　　盾構機二次裝機

2.7工程量統計

根據BIM模型，按不同的篩選條件對工程量進行統計，形成不同類別、不同型號、不同時間段的工程量，為工程的計量及責任成本分析提供數據依據。在施工過程中，能及時提供物資的計劃，免去了人工計算的繁瑣，提高工作效率。

在Revit模型中，根據設置的參數和篩選條件，分類別、分時間段、分位置輸出相應的工程量，并導出為EXCLE文件用于工程計量及預算，見圖14所示。

圖14　　數據導出與導入

2.8盾構掘進仿真模擬

通過CATIA對盾構施工進行仿真模擬，讓施工人員掌握盾構施工流程，分析各道工序的關系。同時，就盾構施工糾偏、管片破損原因、盾尾間隙控制等常見的問題進行原因分析歸類，并提出常用的解決措施，形成技術總結。

把所建立的BIM模型導入到3ds Max中，做進一步的渲染與修飾，可進行施工仿真模擬，展示效果較為理想，見圖15、圖16所示。CATIA中進行的盾構掘進仿真模擬，是純機械式運動，運動軌跡線精確無誤。

圖15　　盾構機掘進仿真模擬

圖16　3ds Max仿真模擬盾構掘進施工

2.94D施工模擬

在 Autodesk Navisworks Manage 2015中，關聯ODBC數據庫，可以進行工程動畫漫游，見圖17所示，可以方便實時觀察施工動態。

圖17　　動畫漫游

通過第三人視角，對本項目進行隧道漫游與地面漫游，形象觀察工程各部分竣工后的形態與隧道與地面建構筑物對應的關系。將工期排布制作成Excel表格，導出為.csv格式文件，使用 Navisworks中的Timeliner功能，關聯工期排布.csv文件，以名稱進行附著到模型當中，進行4D施工模擬，見圖18所示。

圖18　4D施工模擬

根據4D施工模擬，結合工程實際情況，對人員、機械、物資、設備、場地以及外界管理因素，調整不同時間段的施工資源。通過BIM技術的協助，在穿越天津北站站站房及站內鐵路股道期間以及春節節假日期間，合理調動人員、機械等施工資源，在保證安全與工期的前提下，不窩工、不滯工，節約了施工成本，為項目創造了良好效益。

3　BIM技術應用效果

3.1施工管理方面應用

北北區間除有深基坑盾構分體始發的工程重點，還要穿越天津北站、高鐵橋樁等特級風險源，還有要在富水軟弱土地層中進行盾構施工等技術難點。盾構施工中，良好的技術參數控制和高效的施工管理是確保各種風險源沉降控制、富水軟弱土地層順利施工的決定性因素。本項目將BIM技術應用到盾構施工中，提高對施工參數控制的精度與施工管理的效力。

3.1.1施工管理

將各模型導入Autodesk Navisworks Manage 2015中，進行信息模型匯集整合，見圖 19所示，使用Navisworks工程協調軟件協助施工管理。

通過信息模型的匯整，可實時查詢工程信息，見圖20所示，如隧道與風險源的空間位置信息、相應位置工程地質信息、管片選型等，為施工技術參數的確定提供依據。

圖19　　信息模型匯整

圖20　　工程信息查詢

配合現場施工實際，鏈接外部數據，如連接到盾構施工指令，見圖21所示。同樣，外部數據鏈接格式多樣，不僅有文本信息，還可連接圖像、音頻、視頻等各種格式文件，能形成完備的立體施工記錄，隨用隨調，快捷方便。

圖21　　施工外部數據連接

在盾構區間穿越大小風險源、富水軟弱地層中盾構施工期間，運用BIM技術，協助本區間順利通過眾多風險源、完成在富水軟弱土層中進行盾構施工。在施工過程中，良好地控制了各風險源的沉降速率與累計沉降值；在富水軟弱地層中，克服了土壓變化頻繁、土體自立性較差、地面大幅沉降、隧道嚴重偏離擬合曲線的施工難點問題。協助管理人員對施工參數的確定，減少了盾構出土超量、同步注漿過程或不足等問題，較少進行二次注漿，合理節約了工程材料。

通過BIM技術在盾構施工管理中的應用，將每日的施工進度、人員配置、機械設備使用情況、意外事件突發情況等相關施工信息連接到BIM模型中，并根據實際施工情況合理調整下一階段的施工計劃，形象生動精確地掌握施工情況相關信息及未來施工可能遇見的具體施工難重點及注意事項，極大地提高了項目的管理水平與管理效率，實現了對盾構施工的跟進式動態管理。

3.1.2盾構分體始發中的應用

本次BIM課題研究，首次將BIM技術應用到盾構機械裝備、分體始發及施工模擬，對施工方案進行論證，提前解決了可能出現的問題，避免了誤工返工的工期延誤的問題，并成功解決解決了盾構機繁雜的電氣對接難題，合理節約了延長管線的使用，為分體始發施工奠定良好技術基礎。

3.1.3技術人員的培訓

使用BIM技術對施工人員進行技術交底、技術交流，把不同專業、不同工序、不同工藝結合與一體，使工程參與人員全面了解工程，深刻理解施工原理，為公司培養了有寬度、有深度、有廣度的專業技術人才。

根據盾構機零部件模型，項目部各專業人員深入透徹地了解了盾構機構造，領會其工作原理，為盾構機的組裝拆卸奠定基礎。

3.2BIM技術應用效益

3.2.1經濟效益

通過BIM技術的應用，項目在工程計量、技術交底以及施工工序的安排、工期排布等方面獲得良好的工作效率，在以相同人力、相同工作內容的情況下，極大地節約了時間成本。

在BIM技術對施工管理與施工技術的支持下，本工程盾構分體始發合理節約了延長管線，避免二次浪費；在聯絡通道施工中合理布置鋼筋，結合鋼筋原材，制定下料長度、加工形式，僅車站主體結構的鋼筋損耗率由設計的4%下降到實際施工中的約2.5%，節約鋼材約3噸；在盾構區間施工過程中，通過深基坑盾構機裝機始發、二次裝機模擬以及4D施工模擬，盾構施工管理，及時發現盾構機臺車與天津北站站OTE風道的碰撞問題，提前鑿除OTE風道的碰撞部分，為盾構機裝機節約工期約3 d，同時減少盾構區間施工工期27 d，合理減少了同步注漿及二次注漿的工程量。共計節約施工成本約100萬元，取得了良好的經濟效益。

3.2.2社會效益

天津地鐵6號線是天津市首次把BIM技術應用在地鐵施工領域，通過BIM技術，實現了地鐵工程的可視化、形象化、信息化、精細化，為BIM技術在地鐵施工中的應用開啟良好篇章。在本項目工程竣工后，本項目的BIM技術應用成果將交付業主單位，供其在地鐵工程的運維階段繼續開放BIM技術在地鐵工程中的應用價值。

在工作匯報與公司形象宣傳的活動中，項目部多次采用BIM技術在該項目中的應用成果，在業主單位以及有意合作方，均取得良好影響。

4　　結束語

在BIM技術的實施過程中，應建立一系列有效、高效的管理制度，而不是任由團隊或個人的認識與意志去決定項目過程中的一系列問題的處理方式。對于BIM技術的實施，切勿操之過急，去實現超出能力以外的事情，應根據BIM團隊的實力，BIM軟硬件配置的能力去制定相應目標。

模型的建立、BIM技術運行平臺的選擇應根據實際的工程情況、工程需要來決定。在整個BIM實施的過程中既不能將簡單的事情復雜化，也不能將復雜的事情簡單化；簡單的事情復雜化未必會起到良好的效果，是徒勞，復雜的事情簡單化可能會致使整個事情的失敗，是無功。高精度、多參數的模型是好，但未必會在實際的工程項目中發揮多大的作用，而且對于計算機的配置要求極高；粗糙的模型不能達到所要的效果，也就意味著BIM研究的失敗。運行平臺應根據實際的工程特點來選擇，跨領域、跨行業的平臺應采用多平臺，而不是在某一平臺上實現所有的功能要求。

天津地鐵6號線是天津市首次把BIM技術應用在地鐵施工領域，通過BIM技術，實現了地鐵工程的可視化、形象化、信息化、精細化，采用BIM技術進行隧道施工取得了良好成效，顯著縮短了工期，節省了成本和造價，研究結果可為同類地鐵隧道工程施工提供一定的參考。

參考文獻：

［1］ 申玉斌，蔡勇，華才健.虛擬環境中的碰撞檢測技術的研究與應用［J］.交通與計算機，2005，1（23）：74-78.

［2］ 鄭亞文.虛擬仿真技術在建筑施工中的應用研究［J］.施工技術，2009，12（38）：114-117.

［3］ 鄭云，蘇振民，金少軍.BIM-GIS技術在建筑供應鏈可視化中的應用研究［J］.施工技術，2015，44（6）：59-63.

［4］ 何關培.《中國工程建設BIM應用研究報告2011》解析［J］.土木建筑工程信息技術，2012（1）：15-21.

［5］ 劉照球，李云貴，呂西林，等.基于BIM建筑結構設計模型集成框架應用開發［J］.同濟大學學報：自然科學版，2010，38 （7）：948-953.

［6］ 李春華，孟周濟，蔡相娟.虛擬仿真技術與建筑施工安全工程［J］.廣東建材，2008（6）：256-258

［7］ 戴林發寶.隧道工程BIM應用現狀與存在問題綜述［J］.鐵道標準設計，2015（10）：99-102.

［8］ 翟世鴻，姬付全，王瀟瀟，等.鐵路礦山法隧道BIM建模標準研究［J］.鐵道標準設計，2016（1）：107-110.

［9］ Autodesk Revit Architecture2011官方標準教程［M］.北京:電子工業出版社，2011.

中圖分類號：U231+.3

文獻標識碼：A

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.06.012

收稿日期：2016-4-11

作者簡介：常建軍（1983-），男，漢族，甘肅岷縣人，大學本科，工程師，主要從事地鐵工程施工和管理工作。