BIM技術在成都地鐵8號線盾構中的應用

陳卓，陳強，譚林彪，鄒坤秘，劉少龍，劉義

（1.中鐵二局集團有限公司，四川成都 610000；2.成都希盟泰克科技發展有限公司，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都地鐵首條線路1號線于2010年9月27日正式開通，使成都成為中國大陸第10個擁有城市軌道交通的城市。據2018年12月26日成都地鐵官方網站顯示，成都地鐵共開通6 條線路，線路總長226.017 km，均采用地鐵系統，共計156座車站投入運營，14座換乘站。

截至2018年12月，成都地鐵在建線路共有8條，共計里程321.46 km，預計2020年底前全部通車，開通里程達到515.72 km。其中成都地鐵8號線一期工程土建1標項目位于成都市雙流地區，標段內盾構區間隧道包括蓮花站—文星站、文星站—川大江安校區站、川大江安校區站—珠江路站、珠江路站—順風站，共計4個盾構區間、16個洞門、7個聯絡通道。珠江路站—順風站盾構區間里程范圍ZK23+188.698—ZK24+382.026；上行線區間長度1 218.666 m，下行線區間長度1 194.859 m。區間最小曲線半徑400 m，最大縱坡為24‰，區間隧道埋深為10.47～19.30 m。成都地鐵8號線工程建設模型見圖1。

圖1 成都地鐵8號線建設模型

1.2 工程特點及難點

8號線一期工程特點突出，項目建設過程中會遇到復雜多變的地形結構，其中，隧道穿過的主要地層結構包括砂卵石、淤泥質黏土、中密卵石、強風化泥巖、中等風化泥巖等地層結構；同時還途經工廠、酒店、管道管線、鬧市區、河流等地形建筑，這都對隧道建設提出了嚴格要求［1］。

該工程的實施具有一定風險，主要體現在：付出了一定人力、資金和時間，在一定條件和時期內并沒有達到預期系統建設目標，或產生了消極影響。具體風險分析如下：

（1）基于BIM 的盾構遠程監控系統需要BIM 咨詢單位和盾構機監控提供商進行接口對接完成，協調溝通難度大，系統對硬件系統要求高。

（2）施工難度大、質量控制要求高、安全風險大，需要借助信息化手段，施工部門輔助決策系統進行科學合理的施工組織策劃、隧道監測與人員定位，以保障作業安全和施工順利進行，所以空間布置及項目設計工作量大。

2 BIM應用環境

2.1 BIM應用目標

（1）BIM技術的可視化程度高，某種程度上是實際工程的具體展現，根據BIM 技術實現的模型進行實際施工現場的場地布置、人員配置，優化施工組織設計，為具體的施工方案提供可視化演示［2］，優化施工方案。

（2）由于隧道建設與圍巖地質條件息息相關的特殊性，因而在此BIM 項目中，采用根據勘測信息完成的地質模型與隧道主體模型相結合，可以實時掌控掌子面周邊范圍內的圍巖地質條件、埋深等情況，為施工方案的確定提供可靠的依據，同時增加施工的安全性，增加未知因素的可控性［3-4］。同時，參數化隧道模型數據的準確性可增加工程量統計、成本分析、預算的準確性，減少數據偶然性引起的偏差，提高工作效率。

（3）本項目實施的目的是利用BIM 技術實現成都地鐵8 號線1 標一分部盾構區間項目現場施工的工程結構和施工主要機具及臨時場地布置三維可視化［5］、關鍵工序施工仿真、施工作業指導、單工程施工現場數據和計劃進度管理的能力，促進地鐵盾構施工管理方式的轉變，提高施工管理數字化水平。

2.2 團隊組織

根據項目特點，乙方（成都希盟泰克科技發展有限公司，簡稱希盟科技）項目小組是實施本項目的直接執行人，負責項目具體的實施工作；甲方（中鐵二局工程有限公司城通分公司）項目小組為實施本次項目提供必要的資源保障，按時準備項目執行所需的軟硬件、網絡、辦公環境，以及跟蹤與解決和軟硬件有關的技術問題，同時提供對文件、管理人員、用戶、系統環境和其他資源上的配合與協調。形成了以項目決策委員會為核心，以項目經理為項目實施的組織者，以BIM咨詢顧問、BIM服務工程師、配置工程師、開發工程師、關鍵用戶、現場項目經理、工程人員、BIM管理員為項目實施者的3層體系結構，為項目合理有效實施提供保障［6］。BIM技術小組組織結構見圖2。

2.3 軟硬件環境

（1）硬件環境：硬件由模型工作站、盾構監控服務器、VR 系統服務器、VR 頭盔構成，各硬件所需的CPU、內存、顯卡、硬盤等配件具體參數見表1。

（2）軟件環境：軟件由BIM 建模軟件、模型處理軟件、BIM 3D引擎、動畫制作軟件、VR 3D引擎構成，實現以上功能的各種軟件具體型號見表2。

表2 軟件配置及型號

3 BIM應用與設計

3.1 BIM基礎應用

3.1.1 模型構建

（1）地質模型構建。工作內容包含構建8號線一期工程中所涉及的4個區間全部地層信息的地質模型。相關地質模型構建見圖3。

圖3 地質模型示例

（2）臨建BIM 模型構建。8 號線一期工程施工場地臨建BIM 模型，用于反映施工場地布置和臨時建筑規劃、場地周邊交通疏導方案。主要模型結構類型包括場地內外交通及主要結構。相關臨建模型見圖4、圖5。另有工作內容包含施工場地及周邊臨建的模型構建，主要內容見表3。

圖4 項目部場地臨建BIM模型

圖5 施工場地臨建BIM模型

（3）線路區間模型構建。8 號線一期工程包含4個盾構區間，盾構區間主要信息見表4。

線路區間除按照施工方法區分各區間段外，整體展示區間線路走向及相關聯的地質分層和與市政管網、下穿構筑物的位置關系，結合盾構機展現隧道掘進進尺、隧道管片。

（4）下穿建/構筑物模型構建。下穿構筑物BIM 模型，用于建立與主體工程相關聯的關鍵構筑物、地表建筑物的關鍵尺寸數據，用于反映與主體工程間的位置關系和重要距離參數（見表5）。

表3 臨建BIM模型清單

表4 盾構區間信息

（5）大型設備模型構建及設備模型庫管理。搭建的大型施工設備主要為盾構機模型、自卸車等，用于反映在施工掘進過程中盾構機的行進位置及渣土在施工場地的運輸方案；將各類設備進行分類管理，建立設備模型庫。

表5 主工程相關聯的關鍵建/構筑物清單

3.1.2 盾構機模型

盾構機是一種使用盾構法的隧道掘進機，其相關BIM模型見圖6。

圖6 盾構機模型

3.2 BIM高級應用

3.2.1 VR虛擬駕駛艙重點場景仿真

（1）用VR 虛擬駕駛盾構機模擬盾構機參數設置不合理導致噴涌的場景（見圖7）。

（2）用VR 虛擬駕駛盾構機模擬盾構機下穿關鍵建筑物，由于進度及參數設置不合理導致建筑沉降變形（見圖8）。

3.2.2 基于BIM的施工進度管理

在基于BIM的施工進度管理方面實現了以下功能：

圖7 VR虛擬駕駛盾構機模擬

圖8 VR場景下建筑沉降變形模擬

（1）結合BIM 模型的工程進度管理，能夠支持施工相關計劃的建立與管理［6-8］。通過工程進度計劃與施工工程結構進行關聯（WBS 結構與EBS 結構手動掛階，或Project 計劃中字段映射關聯并導入），施工工程結構EBS與BIM模型的關聯關系，達到工程進度計劃和BIM模型的直接關聯，實現施工計劃的三維動態模擬。

（2）按進度計劃模擬BIM 模型實時比對，隨時校核進度偏差，加強工程管控。開放可查看歷史版本的計劃、數據源的錄入、當前計劃和歷史計劃的模型模擬動畫展示、計劃手動關聯模型功能。

（3）依據施工計劃和施工日志的對比［9-12］，將工程各專業劃分為不同施工分區，管理人員可按照施工計劃角度，進行任務完成情況分析，展示工區進度，形象進度展示。

3.2.3 基于BIM的工程動態移動APP

基于BIM的工程動態移動APP實現了以下功能：

（1）支持蘋果和安卓操作系統，無須專用設備，直接在手機或平板電腦上使用。

（2）通過移動終端在現場推行監理日志、可視化安全管理，業主隨時通過模型審閱核查質量、安全問題整改狀態，實現移動可視化管理。

（3）隨時查詢三維BIM 模型、相關工程資料輔助施工指揮和作業人員現場作業。

3.3 BIM創新應用

在BIM 創新應用方面主要研究了基于BIM 的盾構遠程監控和盾構機施工糾偏模擬。

3.3.1 基于BIM的盾構遠程監控

（1）盾構機實時狀態監測。將盾構遠程監控系統的盾構機設備參數集成到BIM 系統，選擇BIM 系統的盾構機BIM 模型，可查詢當前盾構機的推進壓力、盾構掘進速度、盾構刀盤壓力、刀盤轉速、注脂壓力、油脂消耗量、注漿壓力、盾構豎直和水平偏差及盾構機各設備運行狀態等，為工程管理人員決策盾構機下一步掘進方案提供了實時狀態信息。

（2）現場量測數據管理。現場量測數據管理工作應從量測基點接受后實測，以及三維掃描已完結構方面進行主抓。相較于傳統管理模式，利用BIM 技術進行現場量測數據管理（見圖9、圖10），可達到及時糾正實際與理論誤差，避免返工、節約時間。需做工作如下：將現場量測數據進行集成；實現現場量測數據實時顯示及盾構數據與BIM模型的實施關聯；定制1張現場量測數據的統計報表。

圖9 實時監測現場量測數據顯示界面

圖10 查看項目區間進度情況界面

（3）危險源數據管理及預警。集成盾構遠程監控系統的危險源信息，將其表達在BIM 模型中，并在盾構機掘進過程中提前預警。用于查詢風險源的位置、等級等信息，對已預設的風險源，BIM模型中會以閃爍的方式展現（見圖11）。

圖11 風險管理界面

3.3.2 基于BIM的盾構機施工糾偏模擬

根據甲方提供的糾偏公式和方案（見圖12），在BIM中完成快速建模，進行糾偏方案仿真驗證和展示。

圖12 糾偏施工過程

4 項目優勢與成果

（1）規避風險新手段：利用三維建模將區間地面及地下建/構筑物與隧道結構進行對比分析，找出施工中可能存在的風險或危險點，提前采取應對措施降低或規避風險發生概率，有效調整項目合同規定的施工進度目標，保證項目的有效進行［13］。

（2）施工方案規劃設計：由于地鐵施工均處于鬧市區，施工期間為盡可能減少對周邊居民和交通等的影響，地鐵施工圍擋正逐漸減小，同時受地形影響，圍蔽后的施工場地非常有限，給場地布置提出了很高技術要求，但是通過BIM 三維建?？蓪龅貎扰R時設施以仿真的形式置于模型內，反映出各臨時設施的干涉，最大程度利用現有場地進行布置，避免后期出現返工現象。

（3）智能評估施工方案：在施工方案的傳統編制過程中，很難預先判斷施工方案在實際生產過程中會遇到的各種問題，往往是在方案執行過程中遇到問題后再停下來進行討論和優化，不僅耗費不必要的成本，同時降低了施工效率。通過BIM 三維仿真技術，在進行施工技術方案編制時，就可提前進行施工方案預演，通過軟件進行模擬演練和分析，對施工方案的合理性進行評價，提前發現施工中遇到的問題，并可利用三維仿真技術對施工方案不足進行修改并重新模擬演練，幫助施工單位找出最合理、經濟的方法，提高生產效率，降低因施工方案不合理造成的生產成本浪費，達到優化施工方案的目的。

（4）工程BIM 模型應用：通過BIM 技術對盾構工程中的盾構機、相關機械機具、施工地層進行完全對應的1∶1 三維建模，將現場各施工機具完全轉化為3D施工模型，通過軟件可對各模型進行360°無死角查看、精確量取尺寸數據，較傳統二維平面圖紙形象生動、簡單易懂。通過三維模型形成的可視化交底，比普通紙張交底更加形象，能夠更好地給作業人員傳遞交底信息和意圖。

（5）施工管理信息化：施工平臺的建立真正做到了施工管理信息化［14］。通過三維模型數據及施工信息的錄入，可快速計算出施工的工程量及材料的使用量，同時根據實時施工進度反饋，可對材料消耗進行系統分析，比傳統工程量及材料分析更加準確和及時。較以往施工數據管理上，BIM施工管理平臺可幫助企業進行區域化管控，所有施工數據信息能夠及時上傳至上級公司，便于上級公司了解現場施工動態，一旦現場盾構施工發生異常，可第一時間發現問題并通過可靠數據進行分析，與現場項目部共同進行方案制定，提升工作效率，避免因時間延遲造成的不必要損失。

5 結論

（1）通過建立以BIM 技術應用為載體的盾構施工管理信息化，提升了生產效率，縮短工期。

（2）三維仿真技術能夠幫助技術管理人員與現場作業人員進行更好的互動，比傳統紙質交底更具說服力的同時提高了工作效率，確保施工交底的意圖正確落實到現場，保證施工質量。

（3）通過BIM 平臺記錄盾構施工每一環的掘進參數、施工地層、盾構機姿態、作業時間及相關各項施工數據，技術管理人員能夠第一時間掌握盾構施工數據，根據實時參數變化，對現場盾構施工做出及時響應，保證了項目數據的準確性和一致性。

（4）BIM數據庫的創建為以后類似工程提供了可靠數據，同時可準確快速計算工程量，提升施工預算的精度與效率。由于BIM 數據庫的數據粒度達到構件級，可快速提供支撐項目各條線管理所需的數據信息，有效提升施工管理效率。