王瀟瀟， 姬付全， 盧海軍， 陳富強(qiáng)， 陳培帥

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武漢　430012；

2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢　430040)

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BIM虛擬技術(shù)在鐵路隧道施工管理中的應(yīng)用

王瀟瀟1， 姬付全2， 盧海軍1， 陳富強(qiáng)2， 陳培帥2

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司， 湖北 武漢430012；

2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢430040)

摘要：針對(duì)鐵路礦山法隧道施工中的進(jìn)度和技術(shù)管理現(xiàn)狀，利用建筑信息模型(BIM)可視化技術(shù)，研究面向工程結(jié)構(gòu)化對(duì)象的施工BIM模型創(chuàng)建方法，包括結(jié)構(gòu)化的構(gòu)件命名規(guī)則和建模精度要求，同時(shí)探索施工技術(shù)方案的3D模型可視化設(shè)計(jì)的方法及優(yōu)勢(shì)。利用BIM虛擬仿真技術(shù)，研究施工方案的4D模型虛擬施工推演及優(yōu)化的方法和流程。最后，建立基于BIM軟件的自動(dòng)核算階段工程量的方法和流程。依托項(xiàng)目進(jìn)行具體的技術(shù)和方案示范，結(jié)果表明，BIM虛擬技術(shù)有益于提高隧道施工進(jìn)度和技術(shù)管理水平，提供施工組織設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理決策的可視化技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型(BIM)； 礦山法隧道； 4D虛擬施工； 可視化交底； 工程量核算

0引言

鐵路隧道施工是高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，尤其是礦山法施工的復(fù)合式襯砌隧道作業(yè)面多、工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜、交錯(cuò)施工，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度管理、工程量核算、技術(shù)交底質(zhì)量要求高。目前現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度管理的技術(shù)手段相對(duì)落后，仍多采用二維的橫道圖展示形象進(jìn)度，無(wú)法真實(shí)呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工工序的空間關(guān)系，難以準(zhǔn)確表達(dá)多個(gè)作業(yè)面的施工動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底一般是用二維CAD圖紙，現(xiàn)場(chǎng)施工人員的識(shí)圖能力參差不齊，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底困難。

BIM可視化虛擬仿真技術(shù)，是以三維可視化數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)字仿真，模擬模型的三維幾何信息和非幾何信息(如進(jìn)度、材質(zhì)、體量)[1]。通過(guò)創(chuàng)建面向工程結(jié)構(gòu)化對(duì)象的施工建筑信息模型(BIM)，可視化展示工程結(jié)構(gòu)的體量以及施工方案難點(diǎn)。同時(shí)模型中加入時(shí)間維度，模擬施工工序，實(shí)現(xiàn)工程虛擬施工[2-3]?；贐IM的可視化虛擬仿真技術(shù)，為隧道施工創(chuàng)新發(fā)展提供了突破口。

本文將研究施工BIM創(chuàng)建方法，技術(shù)方案的3D模型可視化設(shè)計(jì)方法，施工方案的4D模型虛擬施工推演及優(yōu)化的方法和流程，以及利用BIM模型自動(dòng)核算階段工程量的方法和流程，以輔助施工組織設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理決策。

1隧道施工BIM模型創(chuàng)建

根據(jù)鐵路礦山法施工的復(fù)合式襯砌隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方法、工序等，開(kāi)發(fā)面向?qū)ο蟮乃淼朗┕IM模型構(gòu)件庫(kù)。所謂面向?qū)ο蟮慕７椒╗4]，即按照隧道結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，劃分不同的構(gòu)件，定義構(gòu)件的空間形狀和信息屬性，最后通過(guò)組裝構(gòu)件形成模型。隧道施工BIM模型如圖1所示。

圖1　隧道施工BIM模型

復(fù)合式襯砌隧道BIM模型的構(gòu)件可劃分為超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱填充、防排水、溝槽等6大類(lèi)別。模型構(gòu)件命名規(guī)則使用“構(gòu)件類(lèi)別+構(gòu)件類(lèi)型(圍巖級(jí)別、襯砌類(lèi)型)”。隧道圍巖級(jí)別劃分為Ⅰ—Ⅵ 6個(gè)等級(jí)，在每一圍巖級(jí)別下，又劃分為不同的襯砌類(lèi)型，以英文字母表達(dá)。限于篇幅，定義了Ⅴ級(jí)圍巖和a、b襯砌類(lèi)型的構(gòu)件命名示例，如表1所示。

表1復(fù)合式襯砌隧道BIM模型構(gòu)件命名

Table 1Components of BIM model of composite tunnel lining structure

構(gòu)件類(lèi)別 構(gòu)件類(lèi)型命名示例1命名示例2超前支護(hù)超前小導(dǎo)管超前小導(dǎo)管-Ⅴa超前小導(dǎo)管-Ⅴb管棚管棚-Va管棚-Vb初期支護(hù)噴射混凝土噴射混凝土-Ⅴa噴射混凝土-Ⅴb中空錨桿中空錨桿-Ⅴa中空錨桿-Ⅴb砂漿錨桿砂漿錨桿-Ⅴa砂漿錨桿-Ⅴb鋼筋網(wǎng)鋼筋網(wǎng)-Ⅴa鋼筋網(wǎng)-Ⅴb型鋼鋼架型鋼鋼架-Ⅴa型鋼鋼架-Ⅴb格柵鋼架格柵鋼架-Ⅲa格柵鋼架-Ⅲb二次襯砌拱墻拱墻-Ⅴa拱墻-Ⅴb仰拱仰拱-Ⅴa仰拱-Ⅴb底板底板-Ⅱa底板-Ⅱb仰拱填充仰拱填充仰拱填充-Ⅴa仰拱填充-Ⅴb防排水防水板防水板-Ⅴa防水板-Ⅴb止水帶止水帶排水板排水板溝槽中心溝槽身溝槽身中心溝蓋板蓋板側(cè)溝槽身側(cè)溝槽身側(cè)溝蓋板側(cè)蓋板

針對(duì)構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造，建模時(shí)需考慮進(jìn)一步結(jié)構(gòu)化分解，從而設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。細(xì)部構(gòu)造的命名也宜使用“構(gòu)造類(lèi)別+構(gòu)造類(lèi)型”規(guī)則，而構(gòu)造類(lèi)型一般宜使用“規(guī)格”參數(shù)。以下以格柵鋼架為例，進(jìn)行詳細(xì)的細(xì)部構(gòu)造分解，如表2所示。

表2　格柵鋼架結(jié)構(gòu)化分解

BIM模型建模的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)構(gòu)件資源庫(kù)，構(gòu)件定義的內(nèi)容主要包括構(gòu)件命名、構(gòu)件編碼、建模精度和信息粒度4方面，其中信息粒度包括幾何信息和非幾何信息[5]。建模精度是指構(gòu)件在模型中的單元大小，隧道施工BIM模型中各構(gòu)件的建模精度需滿(mǎn)足施工工序管理的要求，具體如下。

1)超前小導(dǎo)管、管棚、中空錨桿、砂漿錨桿的構(gòu)件單元，宜按1環(huán)的組件形式，相鄰2環(huán)呈梅花狀布置。

2)鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、格柵鋼架的構(gòu)件單元，宜按1環(huán)的組件形式。

3)噴射混凝土的構(gòu)件單元，宜按開(kāi)挖步縱向長(zhǎng)度。不同圍巖級(jí)別差別較大，一般為0.5～3.5 m。

4)仰拱填充、底板、仰拱及仰拱部防水板構(gòu)件單元，宜采用施工模板的模筑長(zhǎng)度，一般為6～8 m。

5)拱墻構(gòu)件單元，宜按模筑縱向長(zhǎng)度，一般為 10～12 m。

2BIM在隧道施工中的應(yīng)用

2.14D虛擬施工

4D虛擬施工是用Autodesk Navisworks的虛擬仿真環(huán)境，對(duì)3D幾何空間模型添加時(shí)間維度，虛擬推演實(shí)際施工過(guò)程[6-7]。具體來(lái)說(shuō)，是將BIM模型與施工組織進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，以進(jìn)度驅(qū)動(dòng)模型的虛擬仿真。

具體技術(shù)路線如下： 1)用Autodesk Revit建立3D數(shù)字模型，賦予每一構(gòu)件施工工序?qū)傩詤?shù)；2)用project編制工序的時(shí)間任務(wù)項(xiàng)數(shù)據(jù)源；3)用Navisworks集成模型和工序時(shí)間數(shù)據(jù)源，在虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模型的虛擬建造。同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的過(guò)程交互，虛擬推演施工方案，動(dòng)態(tài)檢查方案可行性及存在的問(wèn)題，優(yōu)化調(diào)整施工裝備、工藝等[8-9]?；贐IM的虛擬施工方案流程見(jiàn)圖2。

圖2　基于BIM的虛擬施工方案流程

圖3(a)展示了隧道4D虛擬施工過(guò)程，對(duì)超前支護(hù)、初期支護(hù)、仰拱填充和二次襯砌所有結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工模擬。圖3(b)展示了施工進(jìn)度信息和橫道圖，對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行施工流水段、時(shí)間的定義。

從圖3可清晰查看所有構(gòu)件的施工順序和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析施工計(jì)劃和實(shí)際施工進(jìn)度的狀態(tài)，便于項(xiàng)目管理者實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌控施工進(jìn)度，確定最好的施工順序和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，快速調(diào)整施工資源，隨時(shí)為制定物資采購(gòu)計(jì)劃提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)項(xiàng)目成本管控提供技術(shù)支持，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精細(xì)化施工管理。

(a) 剖視圖

(b) 施工進(jìn)度橫道圖

2.2方案與工法可視化交底

傳統(tǒng)的二維CAD圖紙表達(dá)工程結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要平面圖結(jié)合多個(gè)剖面圖才能表達(dá)清楚，而B(niǎo)IM以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，真實(shí)表達(dá)工程結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的空間幾何形狀、位置與功能關(guān)系，將復(fù)雜空間的設(shè)計(jì)變得更加直觀，實(shí)現(xiàn)模型“所見(jiàn)即所得”的效果，且可以進(jìn)行360°視角的空間可視化[10]，降低了施工作業(yè)人員理解圖紙的難度，有效避免了因?qū)D紙理解不清而產(chǎn)生的施工錯(cuò)誤。

復(fù)合式襯砌隧道的環(huán)向施工縫需設(shè)置中埋式橡膠止水帶，縱向施工縫需設(shè)置中埋式鋼邊橡膠止水帶。圖4(a)是CAD圖，圖4(b)是BIM模型。通過(guò)兩者對(duì)比可知，利用三維模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工員和班組進(jìn)行技術(shù)交底的效果顯著。

環(huán)向施工縫防水圖縱向施工縫防水圖

(a) CAD平面圖

(b) 三維模型

利用BIM虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工工法的三維展示，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案變得更加直觀，方便施工作業(yè)人員的理解運(yùn)用。通過(guò)Autodesk Revit軟件創(chuàng)建施工BIM模型，并定義構(gòu)件“階段化”施工順序，將模型導(dǎo)入Autodesk Navisworks軟件，搭建虛擬仿真環(huán)境，以展現(xiàn)模型的施工工法，進(jìn)行可視化交底。圖5是Ⅴ級(jí)圍巖隧道采用的三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法，圖6是橋臺(tái)進(jìn)洞段采用的CD法開(kāi)挖工法。

2.3工程量動(dòng)態(tài)核算

在施工過(guò)程中，根據(jù)二維圖紙計(jì)算工程量十分繁瑣、重復(fù)冗余，浪費(fèi)了大量的人力物力，且精度普遍不高，對(duì)工程計(jì)量影響很大；而B(niǎo)IM數(shù)字信息模型具有精準(zhǔn)的三維體量，結(jié)合施工進(jìn)度，可以快速獲取階段工程量[11]。具體方法是： 1)用Revit建立分部分項(xiàng)工程BIM模型，賦予模型構(gòu)件的體量、施工階段屬性信息；2)根據(jù)實(shí)際施工狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前施工階段的分部分項(xiàng)模型體量明細(xì)表； 3)參照工程量計(jì)算量綱公式規(guī)則，由模型體量生成分部分項(xiàng)工程量。

例如，圖7是Ⅳb型隧道開(kāi)挖步模型，其中初期支護(hù)、仰拱及仰拱填充軸向長(zhǎng)度是6 m，拱墻軸向長(zhǎng)度是12 m。表3是Revit自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出的模型構(gòu)件體量，按照工程量量綱公式規(guī)則，最終得到開(kāi)挖步的工程量(見(jiàn)表4)。經(jīng)比對(duì)，模型輸出的工程量與二維施工圖工程量清單一致。

圖5　三臺(tái)階七步開(kāi)挖模擬

圖6　橋臺(tái)進(jìn)洞段CD法開(kāi)挖模擬

圖7?、鬮型復(fù)合式襯砌隧道模型

3結(jié)論與討論

1)目前，BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用尚處于探索階段。按照工程結(jié)構(gòu)化的構(gòu)件命名規(guī)則，以及工序管理的精度要求，利用面向工程實(shí)體對(duì)象的三維建模方法，創(chuàng)建了鐵路礦山法隧道復(fù)合式襯砌施工BIM模型，可輔助隧道工程施工組織3D可視化設(shè)計(jì)和4D虛擬施工管理。

表3　模型構(gòu)件體量

表4　模型工程量統(tǒng)計(jì)

2)利用BIM可視化虛擬仿真技術(shù)，建立了隧道施工技術(shù)方案的3D模型可視化設(shè)計(jì)與交底、施工方案的4D模型虛擬施工推演與優(yōu)化，以及自動(dòng)核算階段工程量的方法和流程，可為隧道工程BIM技術(shù)的實(shí)踐和推廣提供應(yīng)用參考。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]中建《建筑工程施工BIM應(yīng)用指南》編委會(huì). 建筑工程施工BIM應(yīng)用指南[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2014. (China Architecture Editorial Board. BIM application guide of building construction [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014. (in Chinese))

[2]盧祝清. BIM在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2011(10): 4-7. (LU Zhuqing. Application analysis of BIM in railway construction projects [J]. Railway Standard Design, 2011(10): 4-7. (in Chinese))

[3]高永剛,李光金.基于BIM可視化技術(shù)在杭州東站中的應(yīng)用[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2010,2(4): 55-58. (GAO Yonggang, LI Guangjin. Application of BIM-based design visualization in the Hangzhou-East railway station project [J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2010, 2(4): 55-58. (in Chinese))

[4]曾旭東,譚潔.基于參數(shù)化智能技術(shù)的建筑信息模型[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,29(6): 107-110. (ZENG Xudong, TAN Jie. BIM based on intelligent parametric modeling technology [J]. Journal of Chongqing University(Natural Science Edition), 2006, 29 (6): 107-110. (in Chinese))

[5]逯宗田. 鐵路設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM的思考[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2013(6): 140-143. (LU Zongtian. Some views on using BIM in railway design [J]. Railway Standard Design, 2013(6): 140-143. (in Chinese))

[6]蔣愛(ài)明, 黃蘇. BIM虛擬施工技術(shù)在工程管理中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43(15): 86-89. (JIANG Aiming, HUANG Su. Application of BIM virtual construction technology in project management [J]. Construction Technology, 2014, 43(15): 86-89. (in Chinese))

[7]紀(jì)凡榮,曲娣,尚方劍.BIM情景下的可視化工程進(jìn)度管理研究[J].建筑經(jīng)濟(jì),2014, 35(10): 40-43. (JI Fanrong, QU Di, SHANG Fangjian. Study on visualization of construction schedule management under BIM scenarios [J]. Construction Economy, 2014, 35(10): 40-43. (in Chinese))

[8]苗倩.BIM技術(shù)在水利水電工程可視化仿真中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2012,30(10): 139-142. (MIAO Qian. Application of BIM in visual simulation for hydraulic engineering [J]. Water Resources and Power, 2012, 30(10): 139-142. (in Chinese))

[9]張建平,李丁,林佳瑞,等.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2012,41(16): 10-17. (ZHANG Jianping, LI Ding, LIN Jiarui,et al. Application of BIM in engineering construction [J]. Construction Technology, 2012, 41(16): 10-17. (in Chinese))

[10]黃亞斌.BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[J].土木建筑工程信息技術(shù),2010,2(4): 71-78. (HUANG Yabin. Application of BIM technology in design [J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2010, 2(4): 71-78. (in Chinese))

[11]林韓涵,周紅波,何溪.基于BIM設(shè)計(jì)軟件的工程量計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法研究[J].建筑經(jīng)濟(jì),2015,36(4): 59-62. (LIN Hanhan, ZHOU Hongbo, HE Xi. Computing method study of quantity of construction works based on BIM design software [J]. Construction Economy, 2015, 36(4): 59-62. (in Chinese))

Application of BIM Technology in Construction Management of Railway Tunnel

WANG Xiaoxiao1, JI Fuquan2, LU Haijun1, CHEN Fuqiang2, CHEN Peishuai2

(1.No.5BranchofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430012,Hubei,China;2.TechnicalCenterofCCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China)

Abstract:The building information modeling(BIM) methods for construction management of railway tunnel, including naming rules of structuralized components and modeling precision requirements, are studied by means of BIM technology. The methods for and advantages of visualized design of 3D model of construction technologies for railway tunnel are explored. The methods for deducing and optimizing 4D model of construction of railway tunnel are studied. The automatic construction quantity calculating method based on BIM software is established. The construction practice shows that the BIM technology can improve the construction scheme and technology management, and can provide visualized version for construction organization and management decision.

Keywords:building information modeling(BIM); mined tunnel; 4D virtual construction; visualized programming; construction quantity calculation

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)02-0228-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.016

作者簡(jiǎn)介：第一 王瀟瀟(1983—)，男，海南樂(lè)東人，2005年畢業(yè)于北京科技大學(xué)，土木工程專(zhuān)業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道施工技術(shù)工作。E-mail:82711106@qq.com。

收稿日期：2015-10-22; 修回日期: 2015-12-20