基于BIM技術的盾構隧道裝配式施工應用

賴嘉華

摘要 BIM技術優化了盾構隧道裝配式施工技術，主要是對盾構管片的參數化建模及盾構隧道的可視化交底、進度管理和材料管控，及時糾偏，調整施工方案和進度計劃。以G省S市某盾構隧道工程為例，探討BIM技術在盾構隧道裝配式施工中的應用，BIM技術優勢明顯，與盾構隧道裝配式技術的結合發展為裝配式工程施工指明了新的發展方向。

關鍵詞 BIM技術;盾構隧道;裝配式技術

中圖分類號 U452 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0056-03

0 引言

裝配式施工技術已經廣泛應用到工程建設中，但仍存在一些缺陷。而BIM技術因其可視化、可模擬與信息可傳遞的特性，能夠彌補裝配式施工技術的缺陷，保證裝配式工程的設計合理性與施工質量。盾構隧道裝配式施工環境復雜，技術難點多，將BIM技術與盾構隧道裝配式施工相結合，可以突破技術壁壘，完善施工圖設計，有效監控施工過程，確保施工安全，提高施工質量，縮短施工周期，減少工程消耗，對隧道施工技術乃至整個工程行業發展具有極大促進作用。

1 研究現狀

1.1 國內研究現狀

我國應用BIM技術在盾構隧道施工中構建完善的全壽命循環管理體系的經驗較少，在盾構隧道的施工中不能發揮出BIM技術的最大作用。因此，應當加強BIM技術在隧道施工過程中的應用研究。

戴林發寶[1]對裝配式施工隧道進行了深入剖析，總結出了BIM技術應用于裝配式隧道安裝的優選措施;徐博[2]等對BIM技術和裝配式隧道的特點進行了分析，指出BIM技術在裝配式隧道施工應用中存在的問題，提出了針對性的解決辦法;翟世鴻等[3]對裝配式隧道施工圖存在的問題進行分析，指出BIM技術應用于裝配式構件設計中可解決施工圖常規設計中存在的多數問題;鐘宇等[4]利用盾構隧道的IFC擴展方法實現了基于IFC的盾構隧道信息模型的數據表達;喻鋼等[5]運用BIM技術建立了基于BIM技術的三維可視化隧道施工管理與后期運維體系。

1.2 國外研究現狀

國外專家研究在對隧道軟土地基施工所造成的地面沉降進行研究時，StvliAnos ProviDakis等提出了使用3D技術構建BIM模型和使用Matlab軟件三維建模來分析和估計隧道施工造成的底層沉降損傷敏感性，從根本上解決了地面沉降問題;在隧道施工建立多尺度模型的潛在擴展問題研究中，A.Borrmann等采用了不同建模定義和實體間的相互影響關系對BIM的數據標準擴展分析，提供了更適合于盾構的信息模式，形成完備的裝配式隧道BIM技術應用系統。

2 BIM技術在裝配式隧道的應用

2.1 建模流程

在盾構隧道工程中，通過對隧道的盾構管片進行建模來驗證管片結構設計的合理性，實現盾構隧道施工可行性的評估。如圖1所示，為盾構隧道建模流程。

（1）準備資料、創建平面曲線和空間曲線等，進行管片族和Excel表格的制作。

（2）利用盾構隧道Civil 3D技術進行線路規劃的設計和Dynamo模型的創建。

（3）對構件進行編碼處理，更加直觀地反映隧道盾構管片。

2.2 可視化模擬交底

傳統技術交底是利用二維圖表或者文本對模擬交底加以描述，通常是比較抽象的。而可視化模擬交底是利用BIM技術構建信息模塊來進行工程設計輔助交底，較復雜的工程設計節點信息能夠直接顯現出來;盾構隧道裝配式結構施工的全部信息通過BIM模型關聯起來，BIM模型與施工平面圖結合，模擬各施工工序流程、重難點技術施工交底以及安全注意事項等，并精確傳遞到工程的各部分施工;盾構隧道裝配式結構施工流程及工藝過程等利用BIM進行三維仿真，可以直觀地反映施工過程，施工技術交底也不再只流于紙面形式，施工過程得到有效監控，施工技術人員容易理解施工要求，對提高施工質量、防止施工事故發生等具有重要的實際意義。如圖2所示，為可視化模擬交底圖。

2.3 進度管理

BIM技術可以將現場施工進度與BIM模型進行關聯，形成4D BIM模型，實現裝配式隧道施工全過程管理，更加準確、及時查看現場施工的情況，達到精確管控現場情況目的。BIM技術的應用可以提高隧道盾構管片的施工安裝進度，施工效率大大提升，從而保障了盾構隧道施工進度。用Revit隧道模型的數據集成能力建立3D模型，當前實際進度與施工進度計劃同時顯示，盾構隧道裝配式施工現狀得到精確反映。用不同顏色來對施工狀態和施工環節進行區分，直觀地反映出施工的現場情況，使其形成動態的施工進度模型，為制定盾構隧道裝配式其他施工管理方案提供依據。施工進度管理人員依據Revit隧道模型制定出相應的管理方案及進度控制計劃，有效控制了人員及管理成本，保證了盾構隧道的施工效率和施工進度。

2.4 其他施工管理應用

BIM施工協同管理平臺，實現協調管理，發揮出施工管理的最大作用。該平臺將工程質量認證檢測信息和施工模型進行統一分析，將檢修與保養記錄、現場施工質量信息等相關信息用App軟件及時地反映給施工管理人員，便于利用這些信息制定有效的施工質量管理方案，保證施工質量。相應的施工信息可以進行搜索和傳遞，信息傳遞的及時性可以方便施工管理人員更好地管理施工現場。

3 工程應用案例

3.1 工程概況

以G省S市某盾構隧道工程為例。該工程全長約5.08 km，其中隧道長約4.82 km，盾構段長約3.58 km。該隧道采用單洞雙層的結構形式，且設計速度為60 km/h，該項目的施工時間為四年，且盾構隧道工程是S市 “東進戰略”的重大交通項目，對于國家發展和社會經濟發展具有重要的作用。

該工程施工環節復雜，需要的施工材料、施工人員和施工設備較多，對施工的質量影響較大。因此，使用BIM技術開展工程施工管理至關重要。

3.2 盾構模型創建

用Autodesk Revit軟件按照盾構流程進行WBS工作分解，構建管片三維模型。盾構法施工開挖斷面為圓形斷面，管片采用7+2+1分塊形式，用襯砌環，錯縫拼裝的施工方式，而斷面結構采用管片+口子件的形式。其中，管片外徑15.2 m，管片內徑13.9 m，管片環寬2 m，管片塊與塊、環與環之間采用螺栓連接。

根據項目施工設計圖快速建立BIM模型。其中，建模按照工程項目進行劃分，劃分為明挖段模型和盾構隧道模型。建模完成后可以獲得整個項目的施工圖工程量，把預算模型掛接BIM施工協同管理平臺進行內部共享，項目參建人員可以用后臺控制系統對所需要的數據進行查詢。BIM數據與施工圖紙高度對應，模型輸出的工程量清單和材料清單可直接應用于材料計劃，結合項目BIM模型，進行工程管理、驗收及計量支付。

使用Revit地形命令進行場地繪制，用放置點的方式確定地表各點的高程坐標，生成地表模型。通過分割命令將地表各個區域分割形成單獨的表面，賦予相應材質，能夠模擬地面的真實情況。下部土層可以采用內建場地模型的方式，借助勘探圖土層邊界線、拉伸命令繪制各個土層，分別賦予相應材質、顏色，生成整體土層模型。針對該項工程實例，結合BIM建模規范標準和參照工程所提供的具體數據，構建盾構區間上部建筑物及地層BIM模型。

3.3 三維模擬

利用BIM技術開展了項目施工場地模擬和交通組織模擬等。在項目實施過程中，針對不同施工階段建立不同的施工模型，構建每一個施工環節模型，保證每一個施工環節的施工質量。BIM技術將施工現狀和施工設計方案相結合，更好地反映出施工實際情況，有利于對施工進行管理和控制。建立不同區域的BIM場地模型，根據盾構隧道工程的實際施工情況確定臨建位置、塔吊布置、重型起重機械等設備，并對行走路線及空間運行合理性進行分析，布置加工場地及鋼筋、模板等堆場位置。由于該工程的施工預制構件較多，現場須留出部分空地放置預制構件，應用BIM技術信息化、可視化的特點，對預制構件進行點對點堆放模擬，避免二次搬運。

該盾構隧道工程中，需要對東面和西面兩部分進行明挖，建立相應的隧道，盾構隧道必須從西面進行構建。施工時占用了主干道，開展了交通組織模擬。BIM模型作為基礎，遵循“借一還一”的原則，進行實際交通的模擬和仿真。根據現場的施工情況和交通情況等，運用BIM技術模擬交通疏導的實際效果，結合現場實際施工情況和交通流量等，局部調整交通疏導方案，保證交通和施工同步進行，減少施工對交通的影響。利用BIM模型保證了施工質量，減少了因施工而帶來的交通問題，加快了施工進度。比如，東側明挖段交通疏解節約了4個月工期。

3.4 進度管理

在進度計劃軟件中完成該盾構隧道工程項目初步進度計劃編制，將初步計劃導入到BIM施工協同管理平臺后，通過與BIM模型關聯實現對進度計劃進行模擬，如圖3所示。

根據檢查交叉作業頻繁、工期緊迫的特殊時間段的進度情況，分析出總進度情況及穿插作業的滯后對工作面交接的影響，優化了進度計劃。進度計劃審批通過后，現場必須掃描構件二維碼錄入實際進度信息，自動關聯BIM模型顯示實時進度，對構件的編碼處理。對比分析形象進度和計劃進度，若進度偏離，關聯的構件自動進度預警，進行進度偏差可視化，輔助建設單位、監理單位協同施工單位開展進度協調糾偏。BIM技術模擬施工進度，邊箱涵、立柱現澆與盾構掘進同步、預制車道板拼裝與盾構掘進同步、隧道內部結構與盾構掘進同步施工等能夠大幅降低隧道貫通后的工期壓力，可糾偏工期2個月。

3.5 材料消耗管理

BIM技術還可以對材料消耗進行管理控制，減少材料消耗，降低因材料產生的施工成本。BIM模型對構件的數量進行統計和分析，計算出構件的需求量，預估出材料的使用費用。該技術能夠將材料的消耗以表格的形式進行顯示，將材料消耗直觀地反映給管理人員，方便管理人員對材料進行管理和對材料進行統計。材料消耗管理應用BIM技術及時地評估因設計變更造成材料數量變化而引起的成本變動，有利于工程成本控制。

4 結束語

BIM技術可使復雜的盾構隧道施工管理由繁化簡，讓信息傳遞更加方便快捷。BIM技術在盾構隧道裝配式模型構建、三維模擬、進度管理及其他施工管理等一系列應用，使質量安全管理、進度管理、施工技術管理等變得更加便捷。后續將結合盾構隧道的技術發展與BIM技術的推廣應用，持續發掘新的應用點，并將已有裝配式施工應用點進一步推廣到更多的盾構隧道項目施工管理過程中。

參考文獻

[1]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+113.

[2]徐博. 基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法研究[J]. 鐵道標準設計， 2018（4）： 35-40.

[3]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.

[4]鐘宇， 周少東， 陳健， 等. 基于IFC標準的盾構隧道結構數據模型研究[J]. 地下空間與工程學報， 2017（S2）： 613-622 .

[5]喻鋼， 胡珉， 高新聞， 等. 基于BIM的盾構隧道施工管理的三維可視化輔助系統[J]. 現代隧道技術， 2016（1）： 1-5+16.