基于BIM技術(shù)的隧道施工過程模擬

王 輝

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 概述

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施主戰(zhàn)場向山區(qū)轉(zhuǎn)移，復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)大規(guī)模隧道的數(shù)量不斷增加，施工階段是整個項目的重要環(huán)節(jié)，施工期間的項目管理能力和水平?jīng)Q定了工程項目最終能否順利完成。山區(qū)隧道施工的信息化程度也決定了施工建設(shè)的效率?，F(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)因?yàn)楣ぷ魅藛T的技術(shù)水平不一和對二維圖紙的理解差錯，造成很多不必要的返工情況。為了有效解決這些問題，基于計算機(jī)模擬應(yīng)用的建筑信息模型技術(shù)逐漸應(yīng)用于隧道工程中。

美國佐治亞州喬治亞州研究所的Chuck Eastman博士于1975年首次提出建筑信息模型技術(shù)[1]，至今已有40余年的歷史。國外許多國家，如美國、英國、日本都將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等行業(yè)中，發(fā)展均較為成熟。國內(nèi)BIM技術(shù)最早出現(xiàn)在2002年[2]，發(fā)展應(yīng)用主要在建筑工程，而隧道工程的信息化水平較低[3]且大多集中在設(shè)計階段。路耀邦等[4]利用Dassault平臺對重慶大石壩車站工程的三臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了模擬，分析并對比了兩種工法施工工序中的沖突。常建軍[5]應(yīng)用Navisworks軟件對天津地鐵6號線施工過程進(jìn)行了4D進(jìn)度模擬。從上述學(xué)者的研究成果可以看出，目前的研究工作雖然集中在施工階段的工法模擬與施工進(jìn)度模擬上，然而卻并不完善。

本文從BIM技術(shù)應(yīng)用于隧道施工的全生命周期角度出發(fā)，在構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)上利用可視化技術(shù)，完成基于BIM技術(shù)的隧道CRD施工工法與隧道施工4D與5D進(jìn)度模擬，希望能為后續(xù)隧道工程的施工進(jìn)度管理提供參考。

2 隧道概況與BIM模型

隧道位于我國東南沿海，全長6 280 m，施工方法采用CRD法和三臺階開挖法。其中跨海寬度2 km，跨海段采用2孔行車隧道+1孔服務(wù)隧道的形式。施工標(biāo)段設(shè)行人橫洞9處，行車橫洞4處。明挖段部分地層含水量較為豐富，主要為地表雜填土、淤泥層、全風(fēng)化層中的孔隙水與強(qiáng)風(fēng)化層中的裂隙水，開挖時坑內(nèi)設(shè)置部分疏干井來疏干地下水以確保邊仰坡的穩(wěn)定。在施工段設(shè)置了雨水泵房，因開挖深度較深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁。隧道圍巖等級多為Ⅱ級～Ⅴ級，隧道洞身結(jié)構(gòu)按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計，采用錨桿、噴射混凝土、鋼架和鋼筋網(wǎng)組成的初期支護(hù)與模筑混凝土二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合襯砌方式。

本次建模采用Autodesk Revit三維建模軟件，以BIM技術(shù)建模為核心，建立三維可視化模型。依托隧道施工項目信息，協(xié)調(diào)隧道施工管理全過程。采用Revit軟件公共輪廓，根據(jù)隧道洞口橫截面圖和縱斷面里程二維圖紙，繪制三維隧道實(shí)體模型。根據(jù)不同圍巖地段的支護(hù)方式不同，按照圍巖等級劃分來分段建立隧道主體。具體步驟包括導(dǎo)入跨海隧道平面線路布置圖，確定三維模型布置位置；新建族項目，選取公制常規(guī)模型，導(dǎo)入隧道洞口橫界面CAD圖紙，繪制隧道輪廓族，根據(jù)隧道設(shè)計圖，采用放樣或拉伸工具繪制隧道結(jié)構(gòu)輪廓，最后載入項目；在生成的隧道模型基礎(chǔ)上，添加創(chuàng)建構(gòu)件屬性信息；在隧道項目文件中，連接載入項目的自制族文件，沿隧道走向跡線延伸隧道洞口輪廓，逐段生成主體隧道。由于三維建模對計算機(jī)硬件條件要求較高，故分別建立隧道主體左洞、右洞、服務(wù)洞和行車行人橫洞等附屬結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3 隧道施工過程模擬

模擬隧道施工過程采用的是國內(nèi)廣聯(lián)達(dá)公司的BIM5D軟件，方便溝通集成施工過程模擬。BIM4D技術(shù)是在三維建筑信息模型的基礎(chǔ)上附加時間信息，BIM5D技術(shù)是在BIM4D技術(shù)的原有基礎(chǔ)上再附加成本信息，形成五維建筑信息模型新技術(shù)。附加成本信息是BIM5D技術(shù)在項目工程建設(shè)中最具有價值的創(chuàng)新點(diǎn)。

3.1 隧道施工CRD工法模擬

本項目隧道的施工工法有CRD法和臺階法。CRD施工工法主要應(yīng)用于隧道圍巖環(huán)境最差的V級圍巖，工序比較復(fù)雜。如圖2所示，利用Autodesk navisworks軟件對隧道施工所應(yīng)用的CRD工法進(jìn)行模擬，預(yù)先對隧道開挖過程進(jìn)行了生動形象的演示，幫助施工人員對施工工法有更深的理解，便于優(yōu)化施工方案。

模擬CRD工法具體包括利用Autodesk Revit軟件建立CRD施工工序開挖模型，將三維模型導(dǎo)入Autodesk navisworks軟件并進(jìn)行模型渲染；利用TimeLiner工具并按照CRD施工開挖順序編制模型開挖進(jìn)度表，關(guān)聯(lián)匹配模型構(gòu)件；最終生成隧道CRD工法開挖三維動畫，對施工開挖進(jìn)行模擬，生動形象地交流施工方案，便于施工人員理解。同時根據(jù)動畫演示的開挖過程，可以預(yù)先調(diào)整施工工序。

3.2 隧道施工4D進(jìn)度模擬

利用施工單位編制的項目整體施工計劃與BIM技術(shù)相結(jié)合，虛擬項目施工建設(shè)，通過進(jìn)行多次施工過程模擬，管理隧道工程施工進(jìn)度。對施工階段可能發(fā)生的問題進(jìn)行提前模擬，逐步修改并提前制定對策，優(yōu)化進(jìn)度和施工方案，指導(dǎo)實(shí)際工程施工。比較計劃進(jìn)度和實(shí)際施工進(jìn)度，隨時調(diào)整項目建設(shè)進(jìn)度，確保項目建設(shè)順利完成。

隧道施工4D進(jìn)度模擬具體包括：根據(jù)施工單位提供的隧道施工進(jìn)度計劃表分別生成項目左線隧道、右線隧道、服務(wù)隧道的施工進(jìn)度文件；在BIM5D軟件中對隧道模型進(jìn)行流水段劃分關(guān)聯(lián)，將進(jìn)度文件導(dǎo)入并關(guān)聯(lián)圖元，匹配構(gòu)件實(shí)際施工進(jìn)度和計劃進(jìn)度；設(shè)置不同時段隧道施工4D進(jìn)度顯示動畫，對比實(shí)際和計劃進(jìn)度時用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，看出哪里進(jìn)度落后或者進(jìn)度提前，在哪個里程段哪個步驟，宏觀調(diào)控施工進(jìn)度，具體應(yīng)用步驟如圖3所示。

根據(jù)進(jìn)度動態(tài)模擬結(jié)果顯示，從2017年3月計劃施工開始到2018年5月期間，隧道左側(cè)開挖速度過慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。如圖4所示，A部分里程段全部屬于未能按照計劃施工的部分，B部分里程段表示正在施工部分，C部分里程段表示已經(jīng)完工部分。從施工項目的整體把握施工進(jìn)度節(jié)奏，分析施工延遲的原因，管理人員并及時調(diào)整施工計劃。

3.3 隧道施工5D進(jìn)度成本模擬

能否有效控制工程成本決定單位的施工效益，材料的進(jìn)價成本和消耗量都是決定因素。廣聯(lián)達(dá)BIM5D軟件可以統(tǒng)計隧道材料工程量以及材料成本和消耗量，指導(dǎo)編制采購計劃和物資供應(yīng)計劃。在軟件界面中可以進(jìn)行工程量統(tǒng)計，選定時間區(qū)間，然后導(dǎo)出工程量就可以查詢某一時間段的隧道施工材料消耗量，按照建模單元分類?；贐IM模型可以協(xié)助統(tǒng)計項目工程量。本次項目應(yīng)用過程中統(tǒng)計了混凝土用量以及消耗成本，并且對混凝土消耗成本作出計劃與實(shí)際的對比,如圖5，圖6所示。

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，從2017年3月至2018年1月，混凝土的計劃用量為8 380 m3左右，實(shí)際用量僅為6 075 m3左右，比計劃用量少了2 000多立方米。計劃資金消費(fèi)7 000萬元左右，實(shí)際消費(fèi)金額僅有4 000萬元左右。數(shù)據(jù)顯示混凝土材料實(shí)際消耗比預(yù)算金額消耗少得多。再根據(jù)圖中的進(jìn)度顯示可知，工程施工進(jìn)度嚴(yán)重落后，說明項目管理人員在此時間段內(nèi)對建設(shè)進(jìn)度和資金消耗的把控欠佳，需要及時做出調(diào)整。BIM技術(shù)對項目管理方控制資金成本起到了很大作用。

4 結(jié)語

BIM建模技術(shù)在隧道施工過程中的CRD工法模擬可以有效幫助工人對工法步驟有更深的理解并且優(yōu)化施工工序，同時由于在其他隧道工程中應(yīng)用BIM技術(shù)對CRD工法的模擬實(shí)例較少，此次模擬過程可作為今后同行業(yè)之參考。

對隧道施工進(jìn)行4D,5D進(jìn)度模擬可以切實(shí)減少由于施工過程中的各種問題所浪費(fèi)的時間、資源等，提高施工效率和資源利用率。尤其是對隧道施工5D進(jìn)度成本模擬，5D模擬技術(shù)雖然在國外應(yīng)用較廣，技術(shù)也比較成熟，但在國內(nèi)應(yīng)用很少，本項目應(yīng)用5D進(jìn)度成本模擬技術(shù)有效控制與管理了施工進(jìn)度與資源消耗，今后在類似的隧道工程中可以推廣使用。