BIM在機械法聯絡通道修建中的應用

(中鐵上海工程局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，上海 200431)

1 工程概況

1.1 項目簡介

寧波市軌道交通機械法聯絡通道科研、設計、施工總承包項目包含寧波在建的2號線、3號線、4號線共計26座聯絡通道，全部采用機械法施工，14座采用頂管法，另外12座采用盾構法，以其中2座聯絡通道作為實驗工程，開展結構設計研究、防水研究及施工裝備研發等工作。掘進設備設計模型如圖1所示。

圖1 機械法聯絡通道設備設計模型

首個機械法聯絡通道試驗段項目位于在建的3號線一期工程南部商務區站至鄞州區政府站區間中，該聯絡通道頂部埋深16.94m，線間距17m，處于鄞州公園內綠化帶下方，西側為鄞州公園，東側為天童南路。穿越地層包括：②2b淤泥質黏土層和③2粉質黏土層，土層軟弱。

目前正在施工的第二個機械法聯絡通道位于在建3號線一期工程兒童公園站至櫻花公園站區間中，該聯絡通道頂部埋深20.5m，線間距17m，處于中興路下方，西側為崇光大廈，東側為開元大酒店，地處鬧市區，交通繁忙。穿越地層包括：⑤1黏土和⑤3砂質粉土層，土層富水軟弱，賦存承壓水，水土壓力約0.25mpa，存在搖振反應，屬軟弱地層。

1.2 工程特點和難點

由于機械法聯絡通道施工前國內沒有類似先例，針對本工程設計復雜、技術難點多而且沒有相關施工經驗，項目建設之初即對聯絡通道機械法施工情況在國內外進行了廣泛調研，至項目開工前共召開技術研討會30余次，項目團隊對每一個技術細節反復斟酌研究，開展了大量的理論分析、模型檢算和足尺試驗，為工程實施提供了充分的理論依據和技術支持。機械法聯絡通道作為新工法，其實施難點主要有：作業空間狹小受控、旁出結構設計復雜、工序繁瑣銜接性強、新設備進場后短期難以掌握其操作技巧。由于單個機械法聯絡通道施工工期極短，各個聯絡通道施工過程又大同小異，通過實驗工程的經驗總結，可形成特有的快速施工管理模式，方便推廣全國范圍內的各種旁出通道的實施。

2 BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

(1)結合機械法聯絡通道施工工期短、工序緊湊的特點，為實現全過程數字化模擬，施工可視化，深入探索各種地層盾構始發、接收技術和試驗段數據的采集分析，尋找一套機械法聯絡通道在各種地層普適的成套施工技術。

(2)對主隧道結構和掘進設備之間進行碰撞檢查，數字化加工、深化設計、預制化加工和虛擬建造技術的應用減少設備和結構設計過程中錯誤的出現，也為機械法聯絡通道的施工過程中避免錯誤施工而造成工程質量缺陷。

(3)提高施工階段的造價控制能力和管理精細化水平。將成本控制深入應用過程管理，實現造價基礎數據的共享與協同、形成統一的造價數據積累，提高項目效益。

(4)進行進度管理的優化，旨在避免進度管理中項目信息嚴重丟失、有效發現施工進度計劃中的潛在沖突、跟蹤分析工程施工進度、整體性處理工程施工進度偏差。

2.2 實施方案

設計之初，課題組即召開模型設計討論會，統一各專業建模規則、建模標準；利用傾斜攝影和虛擬現實與BIM融合實現快速、精確建模；施工階段通過利用BIM結合有限元分析保證主隧道結構受力的安全，優化聯絡通道小管片的結構和T接洞門結構的設計；三維掃描刀盤切削軌跡，模擬主隧道管片切削過程，優化刀盤設計。并在設計模型的基礎上進行施工工序模擬、施工信息錄入和模型優化調整，成果反饋深化設計，形成最終模型，如圖2所示。

圖2 機械法聯絡通道最終模型

2.3 應用措施

機械法聯絡通道屬于創新工法，工程結構和掘進設備均需要重新設計，BIM建模復雜，信息表達傳遞、運行難點較多，多源BIM信息的實施難度大，技術要求高，采取以下BIM應用措施予以解決：

(1)硬件上采用高性能、高配置計算機；

(2)建模技術上采用參數化建模、反饋優化的BIM建模方案；

(3)鑒于機械法聯絡通道施工過程中刀盤切削主隧道管片和聯絡通道小管片結構和T接洞門結構設計問題，采用數字化加工小管片結構虛擬建造和預制化生產等BIM技術解決了機械法聯絡通道施工中的難點痛點。

2.4 軟硬件環境

根據項目BIM應用的實際需求配置如下軟硬件：

硬件：中心服務器：處理器：CPU：Inter Xeon(R)E5-2620；

顯卡：NVIDIAQuadro4000；

內存：32G硬盤1T；

項目工作站：處理器：intel(R)Corei7-4790k；

內存：16g硬盤1T；

顯卡：NVIDIA GeForce GTX 970M；

移動終端：iPad Pro 64G WIFI。

項目使用了如下軟件，實現如下功能：

CAD：設計圖紙格式，二維平面圖處理；

REVIT：結構、建筑及機電建模、工程量計算；

Navis Works：碰撞檢查應用；

Project：施工進度計劃編制；

3Dmax：后期效果圖渲染。

3 BIM應用

3.1 BIM建模

(1)統一建模標準

解決方法：召開模型設計討論會，統一各專業建模規則、建模標準，解決了不同專業技術人員在協同處理圖紙及模型過程中，存在認識及理解上的偏差，導致模型建立存在重復建模，模型信息不全，模型有問題等缺陷。通過精確BIM模型的聯動可以快速反映出現場施工技術、物資材料和機械設備等存在的問題，提升各專業的協作效率，形成統一的、整體的、共同的工作目標。

(2)參數化模型建立

利用Revit軟件中一切圖元可以通過改參數達到修改目的特點，解決了以往的因設備更改，而出圖中平剖面圖不一致的情況，做到精確控制設備，合理指導施工。BIM工程師建模過程中，發揮專業特長，在此過程中發現大量隱藏設計問題進而反饋到模型當中進行優化處理。

3.2 BIM基礎應用

(1)數字化加工、預制化加工和深化設計

以基礎模型作為參考，基于BIM的數字化加工將包含在機械法聯絡通道整體模型中的管片、螺栓、機械設備等構件信息準確的、不遺漏地傳遞給構件加工單位。利用BIM技術建立三維可視化整個機械法聯絡通道的模型，在碰撞發生處可以實時變換角度進行全方位、多角度的觀察，便于討論修改，各專業在統一的模型上進行修改，各專業的調整實時實現，實時反饋。將整體模型按照各專業導出，模型導出格式為DWF或NWC的文件。在Navisworks軟件里面將各專業模型疊加成各個模型進行碰撞檢測，根據碰撞結果回到Revit軟件里對模型進行調整。將調整后的結果反饋給深化設計單位，深化設計員調整深化設計圖，然后將圖紙返回給BIM設計員，最后BIM設計員將三維模型按深化設計圖進行調整，碰撞檢測，如此反復，直至碰撞檢測結果為零碰撞為止。主隧道待切削管片和聯絡通道小管片的預制化加工分別如圖3、圖4所示。

(2)虛擬建造-復雜工序模擬和施工過程整體模擬、三維掃描

在預制化加工構件加工完成后在相關的實際數據需要反饋到BIM模型中，對預制化構件的BIM模型進行修正，在出廠前需要對修正的預制構件進行虛擬拼裝，檢查生產中的細微偏差對安裝精度的影響，若經虛擬拼裝顯示對安裝精度影響在可控范圍內，則可出廠進行現場安裝。盾構掘進設備的3D打印施工方案微縮模型，可以輔助施工人員更為直觀地理解方案內容。通過對刀盤切削軌跡進行三維激光掃描，模擬刀盤的切削能力，將根據掃描得出的點云模型與依據結構圖紙建立的模型進行比對,修改竣工圖紙與現場存在誤差的地方，減少了模型在信息傳遞中的問題。對刀盤切削鋼混復合管片試驗形成的切削面進行3D掃描，對比設計切削軌跡，為刀具配置優化提供基礎數據。根據所提供的施工組織材料，制作整個聯絡通道項目施工階段，從籌備到組織施工再到最后竣工的全過程模擬，包含所涉及到的多個板塊施工工藝、場地、機械、人員配置等模擬。運用BIM技術，可虛擬化呈現整個施工過程，能有針對性地規避不必要的返工帶來的人力物力消耗，極大降低管理成本和安全風險。3D打印如圖5所示。刀盤切削模擬如圖6所示。

圖3 主隧道待切削管片預制化加工

圖4 聯絡通道小管片預制化加工

圖5 機械法聯絡通道盾構掘進機3D打印模型

圖6 刀盤切削模擬

(3)施工現場臨時設施規劃

項目工點處于鬧市區，現場臨時施工用地場地嚴重受限，臨時場地不能達到最大的使用率，利用無人機對場地進行全景掃描得出精準的場地數據，對整個項目的施工現場進行合理的場地布置。要盡可能地減少將來大型機械和臨時設施反復的調整平面位置，最大程度地利用大型機械設施的性能。以往做臨時場地布置是將一張張平面圖疊起來看，考慮的因素難免有所缺漏，往往施工開始了才知道影響了施工安排，利用數字化管控平臺(BIM5D)管理實現場地最優規劃，同時能動態管理修改調整施工現場的實施布置。場地布置圖如圖7所示。

圖7 場地布置圖

(4)工程造價管理

BIM的自動化工程量計算提高了算量工作的效率，將機械法聯絡通道設計方案中的成本反饋給設計院，便于在設計前期對成本進行控制。利用BIM技術造價信息與三維模型進行一致關聯，當發生變更時修改模型。BIM系統將自動檢測哪些內容發生變更，并直接顯示變更結果，統計變更工程量，將結果反饋給施工人員，使他們能直觀地了解設計圖紙的變化對造價的影響。使用BIM軟件快速建立工程實體的三維模型，通過數字化工程量計算功能計算實體工程量，進而結合BIM數據庫中的人工、材料、機械等價格信息，分析任意部位、任何時間段的造價。設計交底階段和圖紙會審階段通過BIM可以從設計、施工監理從不同的角度審核圖紙，利用BIM的可視化模擬功能，進行各專業碰撞檢查，及時發現不合實際之處，降低設計錯誤數量，極大地減少理解錯誤導致的返工費用，避免工程實施中可能發生的各類變更，做到成本的事前控制。施工過程中通過BIM的多維模擬施工計算，快速準確地拆分匯總并輸出任意工作的消耗量標準，實現限額領料，做到成本的過程控制。對BIM模型各構件進行統一的編碼，在統一的三維模型數據庫的支持下，從最開始進行模型、造價、流水段工序和時間等不同維度信息的關聯和綁定，在過程中，能夠以最少的時間實現任意維度的統計、分析、決策，保證成本分析的高效性和準確性，以及成本的有效性和針對性。成型隧道三維模型如圖8所示。

圖8 成型隧道三維模型

(5)基于BIM的施工進度管理

將三維模型與施工進度進行集成，實現對施工順序的可視化表達，可以任意選取模型組件，將其與具體施工活動關聯，實現模型和進度關聯，自動生成仿真文件，可協助項目管理人員高效地完成工程進度計劃和管理工作。利用BIM實現“先試后建”提前發現當前工程設計方案以及擬定的工程施工組織設計方案在時間、空間存在的潛在沖突和缺陷，將被動管理轉化為主動管理，實現精簡管理隊伍，降低管理成本，降低項目風險的目標。同時為工程參建主體提供有效的進度信息共享與協作環境。所有參建方都在一個與現實施工環境相仿的可視化的環境下進行施工組織及各項業務活動，創造出一個直觀高效的協同工作環境，有利于參建方直接進行直觀順暢的施工方案探討與協調，支持工程施工進度問題的協同解決。支持工程進度管理于資源的有機集成，基于BIM的施工進度管理支持管理者實現工作階段所需的人員材料和機械用量的精確計算，從而調高工作時間估計的精確度，保障資源分配的合理化。對項目整體進度和和局部進度進行4D反復模擬機動態優化分析，調整施工順序，配置足夠資源，編制更加科學可行的施工進度計劃。始發鋼套筒安裝施工進度如圖9所示。

圖9 始發鋼套筒安裝進度圖

3.3 BIM創新應用

(1)結合有限元分析對主隧道襯砌受力分析

通過建立BIM模型研討施工要點，通過BIM模型結合有限元分析，分析出主隧道結構薄弱點、聯絡通道小管片結構設計和T接洞門設計，確定其結構與應力分析。利用Solid works、ProE、UG等三維軟件，建好BIM模型導入Hypermesh 軟件劃分網格，然后用ansys, abaqus或者ls-dyna進行模態分析，靜動態分析。將模型接觸、連接、位移耦合，如果模型不能收斂，要檢查單元大小，各部分之間的接觸，調整邊界條件。結合有限元分別進行設計情況位移變形、卸載工況位移變形和超載工況位移變形的主隧道襯砌模型受力分析。分析結論在各工況下，最大Mises應力出現在油缸安裝板的焊縫處或開孔處，設計工況下可以滿足管片設計強度要求。而且施加重力可以減輕其轉動趨勢，但對各力學量的影響不超過5%，有效地保證了主隧道襯砌的安全。主隧道受力有限元分析如圖10所示。T接洞門結構設計分析如圖11所示。

(2)集約化設備設計模擬

利用三維激光掃描對刀盤切削軌跡精確測量，采用能夠貼合主隧道管片的弧形刀盤設計，設計具備切削混凝土能力的刀盤；因為切削管片非平面，為凹凸空間曲面，刀盤無法與切削面密貼，通過弧面到盤點的設計和各種撕裂刀刮刀、滾刀的具體布置，使鋼混管片切削部分更容易通過。通過擬合主隧道內徑，反復推敲模擬主隧道受力和始發接收套筒定位情況，集約化設計始發、接收頂撐系統。對主隧道待切削管片進行預制化加工，模擬刀盤切削過程，對鋼混管片各種材料強度均進行設計模擬反饋，深化設計，實現了狹小空間的全機械化施工。集約化設備設計模擬如圖12所示。

4 應用效果

(1)通過利用BIM工程質量得到提高，通過反復的施工模擬，深化設計，使得隧道一次性成型成功率100%；

(2)成本控制，對施工安排及人員材料的控制，節約了成本，單個項目經濟效益提高約30%；

(3)縮短了工期，施工BIM技術，施工進度優化后，項目工期縮短了40天；

(4)通過利用BIM技術提高了項目管理水平；

(5)培養了一批BIM特長人才。

圖12 集約化設備設計模擬

5 總結

(1)基于BIM的IPD模式應用

機械法聯絡通道由寧波軌道交通公司、中鐵裝備、上海隧道院、寧波大學、同濟大學、寧波廣天構件、上海同隧等數十家單位組成課題組集成化方法強化了項目實施效果，增強設計，開放、直接、坦誠的交流實現了信息的開放和共享。IPD模式倡導的基于協同工作環境和開放性的交流氛圍，為數據交換提供了最佳的實施環境，BIM技術則反過來幫助IPD的項目參與方實現了超越了傳統意義的協同工作，IPD模式與BIM融合在一起能夠實現建筑產品與施工過程同步設計，最終消除因設計缺陷所導致的施工障礙和返工浪費。

(2)機械設備集約化設計、構件數字化集成

集成了BIM技術、計算機輔助工程技術、虛擬現實的等形成的面向整個機械法聯絡通道的全信息數據庫，實現信息模型的綜合數字化集成。采用全數字化表達通過三維圖紙與施工工程。

(3)結合有限元分析，確定主隧道受力情況，對聯絡通道小管片的結構進行設計分析和T接洞門結構進行受力分析，制定有效措施保證了施工安全，解決了整個聯絡通道施工中的重難點問題。

(4)數字化管控平臺的應用，通過施工過程采集最新數值反饋到數字化管控系統中，不斷優化數字化管理系統。