BIM技術(shù)輔助盾構(gòu)區(qū)間下穿既有高架橋的施工技術(shù)研究
——以天津地鐵11號(hào)線一期工程為例

王松濤 李星 丁杰

(中交三公局工程總承包分公司 北京 100023)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地鐵在緩解城市交壓力問(wèn)題上扮演著極其重要的角色。而B(niǎo)IM技術(shù)在工程建造過(guò)程中，具有加快建模速率、減少圖紙重復(fù)率和快速計(jì)算工程量等優(yōu)點(diǎn)，使其在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用和作用越來(lái)越不可或缺[1]。劉英城等人[2]從220 kV石井～環(huán)西電力隧道工程實(shí)際出發(fā),分析了盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)源分布情況,并針對(duì)電力隧道本身和風(fēng)險(xiǎn)源創(chuàng)建BIM模型,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)源管控可視化。BIM技術(shù)的使用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)管控在實(shí)際使用過(guò)程的一些不足。魏林春等人[3]分析了現(xiàn)有盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)的不足，即多源異構(gòu)信息整合不全、工程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析不足、決策支持可視化程度不高等問(wèn)題，結(jié)合BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目信息管理的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了基于BIM的盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)。

本文依托天津地鐵11號(hào)線一期工程中，東江道站～學(xué)苑北路站區(qū)間下穿已有的地鐵高架橋這一背景，探討B(tài)IM技術(shù)輔助城市地鐵建設(shè)施工的過(guò)程與優(yōu)勢(shì)。

1 工程背景及應(yīng)對(duì)措施

1.1 工程背景

天津地鐵11號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)22.6 km，本工程?hào)|江道站～學(xué)苑北路站區(qū)間沿線下穿既有運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線高架橋，高架橋1#橋樁距隧道結(jié)構(gòu)外皮距離4.17 m，2#橋樁距離隧道結(jié)構(gòu)外皮最小凈距3.23 m，穿越區(qū)域盾構(gòu)頂覆土10.6 m。

1.2 應(yīng)對(duì)措施

如何有效降低盾構(gòu)掘進(jìn)地層擾動(dòng)對(duì)高架樁基的影響，平穩(wěn)、快速通過(guò)高架橋，繼而確保既有運(yùn)營(yíng)線路安全，是本工程的重難點(diǎn)。采用如下施工應(yīng)對(duì)措施：

(1)盾構(gòu)穿越高架橋樁基施工前編制專(zhuān)項(xiàng)方案、安全應(yīng)急預(yù)案，并按照要求組織方案評(píng)審，做到連續(xù)一次性穿越，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間下穿高架橋平面示意圖

(2)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)并提高監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)推進(jìn)施工；確保同步注漿和二次注漿施工質(zhì)量，適當(dāng)縮短漿液膠凝時(shí)間，做到早填充，早穩(wěn)定，減少地層損失。

(3)穿越過(guò)程中嚴(yán)格控制施工參數(shù)，適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，做到勻速平穩(wěn)推進(jìn)，姿態(tài)糾偏做到“勤糾偏、緩糾偏”，控制土倉(cāng)壓力，嚴(yán)禁超挖。

(4)配備應(yīng)急保障物資，根據(jù)結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)變形情況，及時(shí)采取地面跟蹤注漿加固等措施。

(5)與既有線運(yùn)營(yíng)單位建立聯(lián)系，及時(shí)掌握線路運(yùn)營(yíng)相關(guān)情況，盡量在運(yùn)營(yíng)空窗期完成盾構(gòu)穿越施工。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM技術(shù)是一種建筑全生命周期信息化管理技術(shù)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖五大特點(diǎn)[4]。通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬建造、虛擬驗(yàn)收等，能有效減少現(xiàn)場(chǎng)簽證和變更、提高工程質(zhì)量；優(yōu)化施工籌劃、縮短工期、控制投資；并可在工程竣工后，根據(jù)竣工建筑信息模型，提供三維可視化信息檔案。

(1)工區(qū)場(chǎng)地布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)場(chǎng)地平面布置模型和交通疏解進(jìn)行模擬，場(chǎng)地內(nèi)根據(jù)需要擺放出合理的工區(qū)場(chǎng)地模型及圖紙，如圖2所示。

圖2 工區(qū)大門(mén)效果圖

(2)依據(jù)施工圖紙，創(chuàng)建盾構(gòu)管片模型(圖3～圖4)，確定每個(gè)管片的關(guān)鍵點(diǎn)，以管片環(huán)半徑、管片寬度、標(biāo)準(zhǔn)塊、連接塊、封頂塊的角度等參數(shù)作為基本參數(shù)[5]。

圖4 盾構(gòu)管片拼裝效果圖

(3)應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)盾構(gòu)工程中的管線模型(圖5)進(jìn)行漫游碰撞檢測(cè)(圖5中管底最低標(biāo)高2.54 m，能滿足后勤走到通行要求)，檢查施工圖上所布置的管線與管線碰撞、管道與墻體碰撞等問(wèn)題，最終形成碰撞報(bào)告，積極與設(shè)計(jì)院溝通協(xié)商解決問(wèn)題。減少施工圖碰撞問(wèn)題、準(zhǔn)確確定裝修砌筑專(zhuān)業(yè)預(yù)留孔洞位置、合理規(guī)劃設(shè)備房管路路由，避免施工返工，提高施工效率，為后期地鐵設(shè)備維護(hù)的BIM管理提供方便[6]。

圖5 經(jīng)過(guò)BIM模型優(yōu)化后的管線

(4)采用Revit軟件，建立已有高架橋的樁基、承臺(tái)、立柱、蓋梁等構(gòu)件的BIM模型(圖6)。模型中包含高架橋各個(gè)構(gòu)件的鋼筋型號(hào)、直徑、形狀、長(zhǎng)度等基本信息，并包括各構(gòu)件波紋管、預(yù)埋件、吊點(diǎn)等模塊位置的參數(shù)信息[7]。

圖6 高架橋整體BIM模型

3 BIM的優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)為施工團(tuán)隊(duì)和顧問(wèn)提供了最大限度節(jié)省時(shí)間和資源的機(jī)會(huì)，從而減少了項(xiàng)目的預(yù)算支出。BIM不僅常用于預(yù)施工和設(shè)計(jì)階段，其在施工完成之后也具有明顯優(yōu)勢(shì)。以BIM應(yīng)用為載體對(duì)施工項(xiàng)目進(jìn)行信息化管理，項(xiàng)目的生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量均得以提升，項(xiàng)目工期與建造成本均得到減少。體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

(1)加強(qiáng)溝通和團(tuán)隊(duì)合作

BIM技術(shù)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)師、客戶、承包商和項(xiàng)目中涉及的其他相關(guān)方之間的溝通。因?yàn)锽IM依賴于“單一事實(shí)來(lái)源”系統(tǒng)；意味著所有相關(guān)信息(包括模型、估計(jì)和設(shè)計(jì)說(shuō)明)都可以從一個(gè)地方共享和存儲(chǔ)。項(xiàng)目各個(gè)參與者不僅能看到共享的信息，還可以提出自己的建議。這種協(xié)作既消除了信息孤島，又幫助架構(gòu)師基于數(shù)據(jù)分析，找到最佳解決方案。

同時(shí)，客戶可隨時(shí)隨地訪問(wèn)BIM軟件，可以根據(jù)最新的計(jì)劃和工作流程來(lái)建造建筑物。這既減少了沖突，也不必浪費(fèi)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)尋找解決方案。

(2)節(jié)省成本和資源

BIM的優(yōu)勢(shì)在于，它可以在施工階段開(kāi)始之前就提供可靠的施工成本估算。設(shè)計(jì)者可以使用BIM 360 Docs之類(lèi)的工具，估算用料成本、物料與預(yù)制件的運(yùn)輸成本、人工成本。設(shè)計(jì)師不僅可以更好地了解項(xiàng)目的成本，更能借助BIM平臺(tái)發(fā)現(xiàn)降低成本的方法。例如：選擇更具成本效益的材料、尋找以最低市場(chǎng)價(jià)格購(gòu)買(mǎi)材料的理想時(shí)間、確定預(yù)制還是在現(xiàn)場(chǎng)建造便宜、簡(jiǎn)化施工流程、減少導(dǎo)致項(xiàng)目延誤或昂貴維修的人為錯(cuò)誤。

(3)計(jì)算量與精度同時(shí)提升

通過(guò)構(gòu)建5D關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，打造BIM數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以精確快速計(jì)算單價(jià)，提高施工預(yù)算的精確度與管理效率。因?yàn)锽IM數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)粒徑達(dá)到鋼筋級(jí)，可以快速提供支撐建設(shè)項(xiàng)目各條線管理所需要的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，有效提高施工管理水平。

(4)更高的效率和更短的項(xiàng)目周期

通常，項(xiàng)目周期越短，在整體項(xiàng)目上花費(fèi)的資金就越少。同樣，由于工作人員可以盡快開(kāi)始使用施工場(chǎng)地，按時(shí)或提早完成項(xiàng)目，也可加快最終的投資回報(bào)。借助BIM，設(shè)計(jì)師可更快地設(shè)計(jì)建筑物并更早地開(kāi)始施工。改進(jìn)的工作流程和其他效率，也加快了項(xiàng)目速度。例如，建筑師可以決定使用機(jī)器人技術(shù)批量制造某些預(yù)制件?？梢怨?jié)省施工時(shí)間，因?yàn)槌邪讨恍柙诂F(xiàn)場(chǎng)到達(dá)時(shí)，將零件固定到位即可。

(5)更高效的預(yù)制和模塊化施工

BIM軟件非常適合制作詳細(xì)的生產(chǎn)模型，模型隨后可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制。設(shè)計(jì)師有更多的機(jī)會(huì)來(lái)設(shè)計(jì)模塊化的建造物，這些建造物可以完美地兼容在一起，完成復(fù)雜的公差計(jì)算。同時(shí)，由于承包商節(jié)約了在現(xiàn)場(chǎng)從頭開(kāi)始建造構(gòu)件的時(shí)間，施工效率得以大幅度提升，資金得到節(jié)省。

(6)虛擬模型協(xié)調(diào)施工安排

傳統(tǒng)的進(jìn)度管理過(guò)程中，在圖紙的試制、施工等工作中，都是基于二維圖紙和和平地圖圖集;現(xiàn)階段BIM技術(shù)可以將項(xiàng)目進(jìn)行三維可視化展示，它不僅通過(guò)三維的方式展示項(xiàng)目模型，還可以展示項(xiàng)目的施工管理、三維鋼筋布置的效果。同時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)下的場(chǎng)地布置模式只是二維平面，BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維的場(chǎng)地布置效果。在傳統(tǒng)模式下，構(gòu)件與各專(zhuān)業(yè)之間的碰撞問(wèn)題會(huì)在施工中或施工后表現(xiàn)出來(lái)，直接影響工期的順利進(jìn)行。通過(guò)BIM技術(shù)整合不同專(zhuān)業(yè)人員之間的三維模型，實(shí)現(xiàn)施工前的碰撞檢查，可找出部分碰撞問(wèn)題造成的設(shè)計(jì)缺陷。

(7)為決策者提供進(jìn)度管理數(shù)據(jù)

在傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理模式中，如果遇到工程質(zhì)量和安全問(wèn)題，將以書(shū)面形式進(jìn)行記錄，后者在后期修復(fù)完成后不進(jìn)行管理。然而，BIM技術(shù)會(huì)將質(zhì)量和安全問(wèn)題直接聯(lián)系到3D模型的指定位置上，不僅可以做好預(yù)記錄，還可以做好后期的“修整”“未完成”“完成結(jié)束”狀態(tài)的管理。BIM基于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可計(jì)量能力，將各個(gè)構(gòu)件在時(shí)空維度中進(jìn)行匯總和協(xié)調(diào)，為決策人員提供個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖7所示，為盾構(gòu)機(jī)在高架橋下方時(shí)的進(jìn)度管理控制圖。

圖7 進(jìn)度管理控制圖

4 結(jié)論

(1)利用BIM技術(shù)，通過(guò)建立BIM空間模型，對(duì)施工空間進(jìn)行嚴(yán)格管理和動(dòng)態(tài)模擬，可以最大程度利用施工空間，避免不必要的事故和損失。

(2)為加快運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)地鐵標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理的目標(biāo)，確保BIM標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)踐中的實(shí)施，建議地鐵項(xiàng)目特定的軟件工具，應(yīng)隨著B(niǎo)IM標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而發(fā)展。