BIM技術在鐵路隧道施工中的應用

王 新,劉振華,謝旺軍,張彭云

(1.廣西交通職業技術學院,廣西 南寧 530023;2.中鐵一局集團新運工程有限公司,陜西 咸陽 712099)

0 引言

在鐵路工程建設中,鐵路隧道是十分重要的一部分,通常此類工程位于偏僻的山區、峽谷,不僅施工條件惡劣,而且還會受到工程現場水文地質的影響,給隧道施工管理帶來困難,因此順利、安全地開展隧道施工并有效完成,成為工程行業亟須探討并解決的問題。信息科技的高速發展為解決上述問題打好了基礎,要想科學管理鐵路隧道施工,施工單位可將BIM技術合理應用到工程管理工作中,BIM技術基于三維數字技術,通過綜合工程項目數據信息能有效構建信息模型。而且在工程建設各環節的設計部門、施工人員都能參與到模型信息提取、修改與更新中,這樣也能幫助各部門協同作業。

本文提出鐵路隧道施工中BIM技術應用模式、模型構建方法、管理技術、管理平臺等應用策略,為今后的鐵路隧道決策、施工管理、運維工作提供參考依據。

1 鐵路隧道BIM應用模式分析

依據中國鐵路隧道施工的管理體制以及建設情況,本文可通過由建設單位主導,施工與設計單位一同參與的形式應用BIM技術,而該技術的應用模式如圖1所示。

圖1 鐵路隧道施工的BIM應用模式圖

在應用BIM技術的過程中,在設計初期建設單位就要做好BIM技術的整體應用規劃,還要明確設計單位、施工單位的應用內容與責任,隨后還要協調性管理BIM技術的實際應用。對于設計單位而言,設計人員要結合工程實際情況構建BIM技術模型,合理應用BIM技術能將鐵路隧道的設計情況直接呈現出來,這不僅有利于設計人員及時發現出錯的地方,還能不斷優化、改進設計,進而提高設計工作的有效性、先進性。在結束上述工作后,設計單位需將設計初稿、模型交給施工單位,其間要確保模型信息與圖紙上的內容相一致,施工單位便可結合圖紙與模型合理制定施工方案,構建施工BIM模式。在此技術與模擬科技的幫助下,施工方案能得到優化,能及時發現問題并與設計單位有效溝通進行整改,設計單位在確保沒有任何問題后便可出圖。此外,在實際建設的過程中,施工單位要結合工程情況合理構建BIM管理平臺,還要對施工進度、質量等方面進行可視化管理,科學指導施工建設,將隧道施工的風險降到最低。在完成項目作業后,施工單位要將竣工BIM模型交給建設單位[1]。

2 鐵路隧道BIM模型的構建方法

鐵路隧道施工存在線性特征,不同區域的地質環境不同,單位可根據地質情況以及隧道建筑分別建模,具體情況如圖2所示。結合圖例可以發現,地質模型可在虛擬場景布置中進行應用,也能優化設計單位的圖紙與模型設計工作。隧道建筑模型有利于施工管理工作的開展,能對施工過程進行有效模擬。在構建完模型之后,借助線路里程以及地理坐標關系便可將建筑模型投放到地理空間內,隨之整合模型進而構建出一個較為真實的虛擬施工環境。之所以構建地質模型與隧道建筑模型,是為了在鐵路隧道復雜的地質情況下,方便計算機操作,精準地展現BIM技術的優勢。地質模型主要依據地形數據構建三維地形模型,結合隧道地質測繪情況與橫斷面等便能構建地質模型,同時可用不同顏色代表不同地層,再依據現場圖片便能實現地層處理,從而確保構建的模型與工程實際情況相一致。隧道建筑模型的構建是通過不同單位對工程項目管理的分工來完成,涉及很多構件信息,如混凝土強度以及材質等方面。

圖2 設計期間鐵路隧道BIM技術模型圖

3 以BIM技術為主的鐵路隧道施工管理技術

3.1 4D虛擬施工

在實際作業中,單位可采用Project計劃,實現工程三維模型和進度計劃的有機結合,以構建4D施工模型。此模型能夠真實模擬項目的不同施工過程,呈現隧道施工工序,有利于后續的施工管理。針對較為關鍵的施工工序也可模擬和優化,得到更加高效、優質的施工方案,并結合工程情況制作施工動畫[2]。

3.2 可視化交底管理

在施工建設中,相關人員還應將工程交底信息與施工情況、BIM模型有機整合到一起,這樣便可構建出綜合性較強的交底信息資料庫,從而進行可視化交底作業,具體情況如圖3所示。在施工人員觸碰任一構件時便可查找到此構件的詳細信息,其中包括設備情況、驗收標準以及材料數據等,可讓施工人員迅速了解工程施工的具體要求。

圖3 交底信息資料庫圖

3.3 4D施工進度管理

使用不同的顏色區分構件的進展情況,如未開始施工、施工過程中等,之后還要依據進度計劃制定項目高亮預警,以便管理人員能直觀、清晰掌握工作的進展狀態,同時也能了解哪些區段處于進度滯后情況,以便對這些區段進行重點監控。施工人員可將拍攝的施工圖片上傳到模型中,這不僅能記錄施工整個過程,還能提高信息的完整性、科學性,了解施工與計劃存在的差異,有利于糾偏工作的開展。

3.4 4D施工安全評估管理

在這一階段涉及了很多內容:(1)安全風險評估工作,結合圍巖等級以及地質條件自動識別施工風險等級,用不同的顏色標注施工環節的風險程度,在一定程度上有利于后續施工的開展;(2)進行安全風險預警,通過將地質超前預報以及BIM有機聯系到一起,在拱頂下沉等一系列監測數據超過最初設定的閾值時模型系統會自動報警,同時在模型中以紅色顯示危險區域;(3)日常安全管理,在實際工作中工程安全隱患的可視化管理涵蓋了很多內容,如定位、查找隱患區域以及提示預警等,這一過程在很大程度上都有利于日常安全管理工作的開展。

3.5 4D質量監控

(1)需將三維構件與技術質量有機聯系在一起,使用不同顏色標注構件的不同檢測結果,這不僅有利于施工管理人員快速找到出現質量問題的區域,還能結合具體情況進行針對性質量管控。(2)施工人員能迅速查閱構件相關的質量資料,其中包括質量標準與檢測文件等,這不但能幫助管理人員更好地管理施工現場,還能追溯工程構件質量資料。(3)還要結合構件展開全面的質量檢查工作。在此作業中施工人員要及時上傳質量相關的照片,有利于單位開展閉合式質量管理工作[3]。

3.6 資源管理以及項目總控

在工程建設中要結合條件與區域情況合理統計各種材料的使用用量,這不僅有利于構建材料需求方案,還能針對材料消耗情況進行分析。而要想全面落實項目總控,還要將施工進度、質量以及安全等信息有機整合到一起,找到工程項目存在的問題,以指標趨勢進行展示,以利于項目管理人員整體把握。

4 施工管理平臺的構建

通過BIM技術可有效構建BIM施工管理平臺。從整體角度看,管理平臺是基于三維數字、BIM技術施工模型來搭建,同時將施工涉及的各種信息融入模型之中,隨之產生了施工集成管理環境。以IFC為基礎來落實BIM數據集成管理,不僅能將各種軟件的數據有效集成、共享,還能不斷擴展施工環節的工程數據,如下頁圖4所示為管理平臺的系統框架。

由圖4可知,該平臺可分成三級架構,在數據層可管理并存儲BIM數據信息,其數據庫采用了適宜的應用軟件,不僅能存儲大量的數據信息,還能對分布異構數據進行協調、共享;數據轉換接口可快速轉換施工進度等非IFC格式的數據,文件解析器可導入、解析BIM建模軟件構建的IFC格式模型。在模型層可結合實際應用需求開展BIM數據集成式管理并通過3D方式呈現,隨后可生成4D施工模擬等子信息模型。在應用層可把握進度管理,突出風險控制,做好4D施工模擬以及進度管理等其他業務管理,有利于BIM技術以及總控管理的作用全面發揮。由于鐵路隧道施工涉及很多方面的內容,再加上網絡條件差,無法便利攜帶計算機,所以可以移動終端為基礎添設輕量化查詢以及信息報送等功能,由施工管理人員運用智能手機便可及時查詢模型與技術相關的質量資料,還能將工程現場的施工進度、質量等以圖片的形式上傳到相應構件,自動保存進BIM數據庫[4]。

圖4 施工管理平臺系統構架圖

5 BIM在清涼山隧道工程中的具體應用

我國清涼山隧道總長共計12 553 m,該工程不但跨越了秦嶺山地,還途經很多水域,其間難免存在不良地質情況,施工也具備較大的風險。依據工程項目的具體需求,構建了BIM施工模型,對施工開挖、襯砌等諸多工序也進行了施工模擬,如圖5所示,不僅取得了較好的成效,還將工程施工的質量、效率全面提高[5]。

圖5 施工過程模擬圖

6 結語

總而言之,將BIM技術靈活應用到鐵路隧道施工建設中,不但能在施工建設前將工程設計問題全面解決,還能將設計內容與施工建設不符的情況消除。在BIM模型信息屬性的幫助下,隧道工程的施工建設也能趨于數字化發展,這不僅能實現工程項目的可視化與集成化管理,還能將工程的風險管控能力最大限度地提升。此外,結合具體工程實踐,BIM技術可實現工程設計與施工的一體化發展,在施工管理平臺的作用下施工現場可得到精細化管理。BIM技術具備極大的應用價值與空間,應進一步提高對BIM技術在各行業領域應用的研究力度。