淺談BIM虛擬技術在鐵路隧道施工管理中的應用

任帥

（中國鐵路北京局集團有限公司秦皇島工務段，河北 秦皇島 066000）

隨著我國科學技術以及聲像技術的發展，各行各業都在經歷一場新的技術變革。同時這場技術變革的范圍波及比較廣，尤其在工程項目、工程施工等方面，利用先進科學技術提高施工效率和質量已經成為現階段工程施工管理中的常見手段。例如在鐵路隧道施工中采用BIM虛擬技術，對鐵路隧道施工進行模擬和3D成像，便于對施工方案和施工計劃進行對比評估和優化，確保鐵路隧道工程能夠順利進行。

1 BIM虛擬技術

BIM虛擬技術是基于現階段工程行業內的最新技術而設計研發的一種數字化技術，BIM虛擬技術的出現使得建筑工程行業直接從2D平面設計進入到3D立體化設計時代。在鐵路隧道工程的施工中應用BIM虛擬技術，首先，需要將施工地點即鐵路隧道工程有關的建筑信息、構件信息、環境信息、專業信息等進行收集整理，其次，將前期所收集到的信息錄入到BIM信息庫中，并利用BIM虛擬技術構建一個與真實鐵路隧道工程完全一致的建筑模型，在該模型中要包含該鐵路隧道工程的全部信息。因此從某種角度來看，BIM虛擬技術是聚合鐵路隧道工程內所有信息而整合完成。最后，根據建立的建筑模型對工程施工方案進行修改優化，在確保施工質量的同時加快工程進度。

2 BIM虛擬技術的應用

2.1 場地分析

隨著我國交通運輸行業的快速發展，鐵路隧道工程的施工質量愈來愈受到人們的關注。為了提高鐵路隧道工程質量，就需要利用BIM虛擬技術收集、整理并分析施工地點附近的各種信息，建立相關構件模型，從而搭建出該施工地點的鐵路隧道模型。不同于傳統2D技術只能展示設計結構的平面圖，通過應用BIM虛擬技術能夠建立與附近環境完全融合的鐵路隧道工程，從而打破傳統技術分析存在的主觀因素過重的情況。此外，將BIM虛擬技術與其他先進技術如地理信息系統技術等進行結合使用，能夠在收集大量數據信息的基礎上，對附近環境以及建筑物進行快速分析和數據收集，便于建立更加全面具體的鐵路隧道工程三維成像模型，在確保工程施工質量的基礎上，加快工程進度和效率。

以某鐵路隧道工程項目為例，根據鐵路隧道復合式襯砌隧道結構設計以及相應施工方法進行施工，并以所開發的隧道作為BIM設計模型進行建模處理，依據相應空間結構關系，收集與隧道相關的參數數據組建成為相應模型。鐵路隧道復合式襯砌隧道結構設計的BIM構件分為超前支護、初期支護、防水溝等六大構件，同時根據構件附近圍巖的級別進行劃分，共劃分為六個等級，在BIM構件圖內進行重新命名。在鐵路隧道工程施工管理中，利用BIM虛擬技術進行建模是關鍵。BIM建模技術主要包括開發構件數據資源庫、對構件進行重命名、對構件進行編碼、確定建模精度以及確定信息粒度幾個方面，其中開發建設構件數據資源庫以及對構件進行重新命名比較簡單，確定建模精度是指需要精確測量建模內模型的單元大小，降低模糊程度。根據鐵路隧道施工管理中對于BIM虛擬技術建模精度的要求，工程人員需要依照下列要求進行施工。首先，隧道工程內的超前小導管、管棚以及砂漿錨桿的構件單元需要按照1環組件形式進行布置，同時以相鄰2環梅花狀的形狀布置；鋼筋網以及型鋼鋼架的構件單元按照1環組件形式進行布置。其次，噴射混凝土的構件單元需要控制在0.5～3.5m范圍內，根據縱向進行開挖。仰拱以及仰拱填充相關的構件可以根據隧道的實際施工長度進行施工，一般在6～8m范圍內。拱墻構件單元需要按照隧道實際施工方向進行建模，一般長度在10～12m范圍內。如圖1所示。

圖1

2.2 方案輔助設計

BIM虛擬技術能夠在視覺上達到逼真效果，這主要是根據鐵路隧道施工計劃以及施工環境進行設計，并且利用大型設備布置進行展示，并應用4D模擬對施工重要節點、實際施工順序和計劃進行模擬展出，從而便于不同施工方案的對比和選擇。在創建BIM虛擬技術數據庫時，可以將6D數據庫進行關聯輔助使用，從而實現數據信息的快速校準和高精確性，以實現在極短時間內快速計算工程量的功能，提高施工管理的效率和進度。由于BIM虛擬技術在數據庫內相關數據粒度達到構件程度時，就能夠基本上達到隧道工程項目管理所需要的數據信息，提升隧道施工管理的質量和效率。同時利用BIM虛擬技術能夠模擬施工用材、進行造價管理、預測工程成本，便于施工單位進行成本控制，從而打破工程企業由于數據信息過多不能快速進行獲取、分析而導致精細化施工管理難以實現的局面。在應用BIM虛擬技術后，不僅能夠準確獲得相應工程項目的數據信息，而且能夠為施工企業的各個環節提供數據支持，降低在物流、儲存等環節的資源浪費，實現低能耗、綠色施工的目的。

實際上，BIM虛擬技術不僅僅作為虛擬技術模型在工程行業中進行使用，更是將BIM虛擬技術作為一種新型的設計方法進行使用，即將參數化設計方式納入工程設計當中。這主要是由于BIM虛擬技術所建立數據模型是基于施工地點的各種信息基礎上，當數據信息發生變化后，也會引起數據模型的改變。參數化設計方法就是在施工參數改變之后，施工人員根據建筑物的實際施工目的以及設計要求，對不同施工設計進行對比分析后，選擇其中最合適的施工方案進行施工，從而提高工程的施工質量?，F階段在鐵路隧道工程以及其他建筑工程中參數化設計的應用比較頻繁，利用參數化設計軟件對施工方案進行修改達到控制建筑物外形的目的已經成為一種趨勢。

2.3 建筑性能分析

由上述可知，使用參數化設計時需要對于建筑物的性能進行分析。一般來說，影響鐵路隧道性能的因素包括照明、安全、布局合理性、聲學、色彩等因素。通過BIM虛擬技術在建筑設計階段就可以對于這些數據進行分析評定，發現與設計方案或者設計理念不同之處，可以通過修改參數來改變建筑物的形態。BIM虛擬技術對于施工方案而言意義重大，根據國際研究所的試驗表明，通過BIM虛擬技術判定后，建筑物的使用壽命、資源消耗程度、對于環境的影響都能實現一個大幅度的提升。

2.4 可視化設計

可視化設計是BIM虛擬技術在建筑工程行業中的重要應用，與傳統2D平面效果圖相比，可視化設計圖紙能夠更加直觀具體全方位的展現施工效果，同時可視化設計能夠對工程的內部空間結構與外部外觀進行觀察監控，便于施工人員對施工過程中存在的問題進行及時修改優化。傳統鐵路隧道工程施工中一般應用二維CAD工程設計技術，在剖析工程設計圖紙的各個重要節點時，需要結合平面設計圖紙以及剖面圖才能全方位解釋清楚。而現階段應用的BIM虛擬技術則是以三維空間數字模型為基礎，將隧道工程的空間結構、設計結構、位置與功能之間的關系展現的十分清楚，使得復雜的空間設計變得立體化，達到全方位的可視化效果，從而降低工程人員對于圖紙的理解難度，極大的避免了由于圖紙理解不清楚而造成的工程問題。利用BIM虛擬技術對隧道工程的重要節點進行全方位展示，能夠使得設計施工變得更加具體形象，極大提高施工質量?，F階段BIM虛擬技術主要是利用Autodesk Revit軟件進行模型的建構，并且根據構件的建構順序進行“階段化”施工。將工程構件數據導入Autodesk Revit軟件內并且輸入環境參數，構建虛擬仿真環境，以此為基礎展現施工方法，使得工程設計變得可視化。

3 結語

BIM虛擬技術實現了對于人類生存環境的改善，從某種程度上來說，BIM虛擬技術發揮了其最大價值。利用BIM虛擬仿真技術，能夠將隧道工程施工方案的3D化呈現和可視化交底，此外施工方案的4D模型施工推演和優化以及對于工程量的自動核算，為BIM虛擬技術在鐵路隧道工程中的應用提供數據支持。