基于BIM技術的隧道施工過程模擬

王 輝

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 概述

隨著中國交通基礎設施主戰場向山區轉移，復雜地質條件地區大規模隧道的數量不斷增加，施工階段是整個項目的重要環節，施工期間的項目管理能力和水平決定了工程項目最終能否順利完成。山區隧道施工的信息化程度也決定了施工建設的效率。現場經常會出現因為工作人員的技術水平不一和對二維圖紙的理解差錯，造成很多不必要的返工情況。為了有效解決這些問題，基于計算機模擬應用的建筑信息模型技術逐漸應用于隧道工程中。

美國佐治亞州喬治亞州研究所的Chuck Eastman博士于1975年首次提出建筑信息模型技術[1]，至今已有40余年的歷史。國外許多國家，如美國、英國、日本都將BIM技術應用于建筑、橋梁、隧道等行業中，發展均較為成熟。國內BIM技術最早出現在2002年[2]，發展應用主要在建筑工程，而隧道工程的信息化水平較低[3]且大多集中在設計階段。路耀邦等[4]利用Dassault平臺對重慶大石壩車站工程的三臺階法和雙側壁導坑法進行了模擬，分析并對比了兩種工法施工工序中的沖突。常建軍[5]應用Navisworks軟件對天津地鐵6號線施工過程進行了4D進度模擬。從上述學者的研究成果可以看出，目前的研究工作雖然集中在施工階段的工法模擬與施工進度模擬上，然而卻并不完善。

本文從BIM技術應用于隧道施工的全生命周期角度出發，在構建三維模型的基礎上利用可視化技術，完成基于BIM技術的隧道CRD施工工法與隧道施工4D與5D進度模擬，希望能為后續隧道工程的施工進度管理提供參考。

2 隧道概況與BIM模型

隧道位于我國東南沿海，全長6 280 m，施工方法采用CRD法和三臺階開挖法。其中跨海寬度2 km，跨海段采用2孔行車隧道+1孔服務隧道的形式。施工標段設行人橫洞9處，行車橫洞4處。明挖段部分地層含水量較為豐富，主要為地表雜填土、淤泥層、全風化層中的孔隙水與強風化層中的裂隙水，開挖時坑內設置部分疏干井來疏干地下水以確保邊仰坡的穩定。在施工段設置了雨水泵房，因開挖深度較深，圍護結構采用鉆孔灌注樁。隧道圍巖等級多為Ⅱ級～Ⅴ級，隧道洞身結構按照新奧法原理進行設計，采用錨桿、噴射混凝土、鋼架和鋼筋網組成的初期支護與模筑混凝土二次襯砌相結合的復合襯砌方式。

本次建模采用Autodesk Revit三維建模軟件，以BIM技術建模為核心，建立三維可視化模型。依托隧道施工項目信息，協調隧道施工管理全過程。采用Revit軟件公共輪廓，根據隧道洞口橫截面圖和縱斷面里程二維圖紙，繪制三維隧道實體模型。根據不同圍巖地段的支護方式不同，按照圍巖等級劃分來分段建立隧道主體。具體步驟包括導入跨海隧道平面線路布置圖，確定三維模型布置位置；新建族項目，選取公制常規模型，導入隧道洞口橫界面CAD圖紙，繪制隧道輪廓族，根據隧道設計圖，采用放樣或拉伸工具繪制隧道結構輪廓，最后載入項目；在生成的隧道模型基礎上，添加創建構件屬性信息；在隧道項目文件中，連接載入項目的自制族文件，沿隧道走向跡線延伸隧道洞口輪廓，逐段生成主體隧道。由于三維建模對計算機硬件條件要求較高，故分別建立隧道主體左洞、右洞、服務洞和行車行人橫洞等附屬結構，如圖1所示。

3 隧道施工過程模擬

模擬隧道施工過程采用的是國內廣聯達公司的BIM5D軟件，方便溝通集成施工過程模擬。BIM4D技術是在三維建筑信息模型的基礎上附加時間信息，BIM5D技術是在BIM4D技術的原有基礎上再附加成本信息，形成五維建筑信息模型新技術。附加成本信息是BIM5D技術在項目工程建設中最具有價值的創新點。

3.1 隧道施工CRD工法模擬

本項目隧道的施工工法有CRD法和臺階法。CRD施工工法主要應用于隧道圍巖環境最差的V級圍巖，工序比較復雜。如圖2所示，利用Autodesk navisworks軟件對隧道施工所應用的CRD工法進行模擬，預先對隧道開挖過程進行了生動形象的演示，幫助施工人員對施工工法有更深的理解，便于優化施工方案。

模擬CRD工法具體包括利用Autodesk Revit軟件建立CRD施工工序開挖模型，將三維模型導入Autodesk navisworks軟件并進行模型渲染；利用TimeLiner工具并按照CRD施工開挖順序編制模型開挖進度表，關聯匹配模型構件；最終生成隧道CRD工法開挖三維動畫，對施工開挖進行模擬，生動形象地交流施工方案，便于施工人員理解。同時根據動畫演示的開挖過程，可以預先調整施工工序。

3.2 隧道施工4D進度模擬

利用施工單位編制的項目整體施工計劃與BIM技術相結合，虛擬項目施工建設，通過進行多次施工過程模擬，管理隧道工程施工進度。對施工階段可能發生的問題進行提前模擬，逐步修改并提前制定對策，優化進度和施工方案，指導實際工程施工。比較計劃進度和實際施工進度，隨時調整項目建設進度，確保項目建設順利完成。

隧道施工4D進度模擬具體包括：根據施工單位提供的隧道施工進度計劃表分別生成項目左線隧道、右線隧道、服務隧道的施工進度文件；在BIM5D軟件中對隧道模型進行流水段劃分關聯，將進度文件導入并關聯圖元，匹配構件實際施工進度和計劃進度；設置不同時段隧道施工4D進度顯示動畫，對比實際和計劃進度時用不同顏色進行區分，看出哪里進度落后或者進度提前，在哪個里程段哪個步驟，宏觀調控施工進度，具體應用步驟如圖3所示。

根據進度動態模擬結果顯示，從2017年3月計劃施工開始到2018年5月期間，隧道左側開挖速度過慢，嚴重影響施工進度。如圖4所示，A部分里程段全部屬于未能按照計劃施工的部分，B部分里程段表示正在施工部分，C部分里程段表示已經完工部分。從施工項目的整體把握施工進度節奏，分析施工延遲的原因，管理人員并及時調整施工計劃。

3.3 隧道施工5D進度成本模擬

能否有效控制工程成本決定單位的施工效益，材料的進價成本和消耗量都是決定因素。廣聯達BIM5D軟件可以統計隧道材料工程量以及材料成本和消耗量，指導編制采購計劃和物資供應計劃。在軟件界面中可以進行工程量統計，選定時間區間，然后導出工程量就可以查詢某一時間段的隧道施工材料消耗量，按照建模單元分類。基于BIM模型可以協助統計項目工程量。本次項目應用過程中統計了混凝土用量以及消耗成本，并且對混凝土消耗成本作出計劃與實際的對比,如圖5，圖6所示。

根據模擬結果可以看出，從2017年3月至2018年1月，混凝土的計劃用量為8 380 m3左右，實際用量僅為6 075 m3左右，比計劃用量少了2 000多立方米。計劃資金消費7 000萬元左右，實際消費金額僅有4 000萬元左右。數據顯示混凝土材料實際消耗比預算金額消耗少得多。再根據圖中的進度顯示可知，工程施工進度嚴重落后，說明項目管理人員在此時間段內對建設進度和資金消耗的把控欠佳，需要及時做出調整。BIM技術對項目管理方控制資金成本起到了很大作用。

4 結語

BIM建模技術在隧道施工過程中的CRD工法模擬可以有效幫助工人對工法步驟有更深的理解并且優化施工工序，同時由于在其他隧道工程中應用BIM技術對CRD工法的模擬實例較少，此次模擬過程可作為今后同行業之參考。

對隧道施工進行4D,5D進度模擬可以切實減少由于施工過程中的各種問題所浪費的時間、資源等，提高施工效率和資源利用率。尤其是對隧道施工5D進度成本模擬，5D模擬技術雖然在國外應用較廣，技術也比較成熟，但在國內應用很少，本項目應用5D進度成本模擬技術有效控制與管理了施工進度與資源消耗，今后在類似的隧道工程中可以推廣使用。