長沙萬家麗電力盾構隧道工程施工階段BIM技術應用

陳亞軍 王 灝 呂 濤 周艷文 徐志柏 劉 珍 龍 彪 王 文

(中建五局土木工程有限公司,長沙 410004)

1 工程概況

1.1 項目簡介

萬家麗路220KV電力隧道項目是湖南省首條電力盾構隧道，跨越長沙市開福區、芙蓉區以及長沙縣。項目建成后隧道內將接入220KV電纜4回， 110KV電纜8回，可滿足區域內湖南廣電中心的國際會展中心項目、城際鐵路交通、長沙地鐵3號及5號線用電，改善長沙市河東城區北部電網結構，縮短供電距離，提高電網供電可靠性、運行經濟性(圖1)。

圖1 項目平面位置圖

萬家麗路220KV電力隧道項目(以下簡稱“本工程”)施工內容包括一條6km長的隧道，隧道內徑3.6m，采用盾構法施工； 隧道地表沿線施工10個豎井，包括3個盾構工作井和7個電纜出線井。同時隧道包含2個盾構區間： 2號盾構井～1號盾構井、2號盾構井～3號盾構井。采用兩臺土壓平衡盾構機在2號盾構井內進行南、北雙向始發掘進(圖2)。盾構機外徑4.36m，全長128m，包括盾體以及17節臺車。總造價3.74億元，工期720天，工程總承包單位為中建五局土木工程有限公司。

圖2 施工示意圖

1.2 工程特點及難點

由于本工程為湖南省首條電力盾構隧道，其綜合技術幾乎沒有類似工程的參考經驗，因此無論豎井施工、盾構始發還是盾構掘進均存在非常大的技術難點和安全風險。結合項目特點，本工程難點主要有以下三個方面。

1.2.1 施工條件復雜

本工程盾構機長128m，而盾構始發井尺寸僅30m*10m，尺寸狹小難以進行始發； 隧道內徑僅3.6m，洞內狹小工人操作困難；沿線豎井施工均受高壓線影響，最低凈空僅12.3m；側穿既有橋樁，側穿距離僅2m；下穿既有地鐵車站，下穿距離僅4.5m。

1.2.2 盾構線型復雜

本工程盾構機單次掘進長度較長，約3km； 同時曲線長度占比高，約58%，共3.5km； 小曲率半徑(R=150m)曲線長度共約1.3km； “S”形連續轉彎數量共計18個。

1.2.3 水文地質復雜

本工程隧道穿越地層囊括長沙市所有地層類型，始發井地層平均滲透系數為3.78E+01m·d-1，是正常情況的100倍； 單位長度隧道最大涌水量為970.77m3·d-1，是正常情況的800倍； 同時盾構隧道需下穿瀏陽河，下穿距離僅9.5 m，因此安全風險非常高。

2 BIM實施策劃

2.1 BIM應用目標

針對本工程小曲率半徑電力隧道盾構施工的建設特點與難點，對BIM技術進行借鑒以及創新應用，以解決本工程的難點，指導現場施工[1-2]，優化施工工藝以及場地布置[3-5]，控制盾構隧道小半徑區間的線形偏差，達到提升管理，節約成本，加快工期，同時將本工程的BIM應用新技術進行推廣的目的。響應本公司發展BIM及時提高核心競爭力的號召，也為本工程創全國建設工程項目施工安全生產標準化工地、全國建筑業綠色施工示范工程、湖南省建筑工程質量標準化示范基地打下良好的基礎。

2.2 團隊組織與軟硬件環境

2.2.1 團隊組織

為更好地開展本工程BIM技術應用工作，項目經理部在公司BIM技術中心的指導下成立項目BIM小組，由項目經理擔任組長，項目技術負責人擔任副組長，項目BIM工程師負責本工程施工全生命周期內的BIM應用，同時協調各部門落實各項BIM技術應用點。

2.2.1 軟硬件環境

本工程BIM技術的開展主要以Revit的主要建模軟件， 3D max 作為可視化應用、虛擬樣板的輔助軟件[6]，After Effects、Premiere、Photoshop作為后期處理的主要軟件，應用Abaqus、Solidworks作為節點優化以及盾構線型糾偏的主要軟件[7-9]，應用RAVVAR平臺進行AR模型的建立[10]，同時應用移動端的BIM5D進行工程協同管理[11]。配備移動工作站、無人機、一體控觸機等硬件設施保障BIM技術的開展與應用。

2.3 BIM實施標準

BIM小組根據行業規范《建筑信息模型施工應用標準 GB/T51235-2017》[12]和公司相關標準，編制BIM實施策劃方案和BIM建模標準。統一確定名稱、格式、提高建模精度(表1)，明確BIM實施目標，打造BIM應用標準，規范人員管理分工，提高工作效率和質量。

表1 BIM模型標準

3 BIM技術應用

3.1 基礎功能應用

3.1.1 建立標準化族庫

本工程包括土建工程以及盾構工程，零構件較多。小組依據專業圖紙以及建模標準，建立標準化族庫，包括土建工程53個族，盾構工程39個族，提高模型的利用效率，加快BIM工程師的工作進度(圖3)。

圖3 BIM族模型

3.1.2 創建BIM實體模型

根據BIM建模標準，規范整個項目BIM建模體系，對模型進行整體深化，提升模型精度，保證模型與施工現場的一致性，截止目前為止已完成工作井模型10個、圍護結構10個、場地布置模型10個、管片模擬拼裝6 000環、盾構機及配套設施模型等，工程實體建模覆蓋率100%(圖4)。

圖4 實體實體BIM模型

3.1.3 模型渲染出圖

在方案編制過程中，利用BIM模型進行渲染出圖，作為圖示以對方案進行說明，至今已應用在本工程所有的54個施工方案中，提高了方案的理解效率，加速了監理、業主的審批速度(圖5)。

圖5 方案編制

在進行科研創新如編制專利、工法等材料時，將創新思路進行BIM建模后渲染出圖，逼真地展示科研成果思路，同時對科研成果加以優化(圖6)。

圖6 輔助科研創新

3.1.4 模型指導施工

圖8 AR虛擬樣板技術應用

對現場以及駐地的布置進行參數化合理布置模擬，BIM直接出圖用以指導現場施工，達到節地、節材，合理利用場地的效果。對關鍵施工工序提前建立BIM模型并深化后直接指導現場施工，確保現場施工效果與模型100%吻合(圖7)。同時采用BIM設計軟件模擬優化裝配式集裝箱的建造過程，建立構件集裝箱尺寸、材料總數據庫，有效地解決了在裝配過程中“錯、漏、碰、缺”等問題，提高裝配精度以及裝配效果。建立始發井周邊地層模型，清晰地展示周邊土質條件與特點，同時配合盾構監控平臺，對掘進參數進行動態管理，更好地對盾構始發進行風險源預判以及安全管控[13]。

3.1.5 AR虛擬樣板技術應用

利用RAVVAR技術平臺結合Revit模型，技術平臺結合，生成AR虛擬樣板模型。只需用手機在圖紙上進行掃描，手機中的畫面則會生動地出現一個三維BIM模型，位于圖紙的上方，同時可移動手機對模型進行全方位的觀察。減少由于對圖紙的誤讀和信息傳遞失真所造成的巨大損失，減少施工人員反復讀圖、識圖所耗費的時間[14](圖8)。

3.2 優化功能應用

3.2.1 優化場地布置

通過BIM技術對施工場地進行優化、協調管理，檢驗施工場地布置的合理性。模擬完成現場由土建施工階段場地布置到盾構施工階段場地布置的轉變(圖9)，從源頭減少安全隱患，利用率提高約15%，沖突率下降約30%，節省工期約20天，充分體現現場綠色施工特點[15]。

圖9 優化場地布置

圖10 狹小盾構井盾構機優化分體

3.2.2 優化設計圖紙

通過模型進行碰撞檢查，發現設計圖紙中的問題，形成碰撞沖突報告[16]，避免因圖紙問題而造成返工損失以及對進度所帶來的影響，累計發現并解決主體結構碰撞問題11處。

利用BIM軟件模擬豎井施工區域和高壓架空線的空間位置關系，與實地調查結果進行對比符合。通過該方法發現了有幾處豎井施工區域周邊環境與設計給出的數據不相符的情況，最后都及時予以了糾正及優化。

本工程盾構區間管片原設計采用標準襯砌環管片，擬變更為通用襯砌環管片。通過BIM技術分別建立盾構標準環管片和盾構通用環管片的盾構區間，同時分別導出所需的管片數量、零構件數量以及工期等參數。

圖11 鋼套筒過渡環優化

3.2.3 優化施工方案

(1)狹小盾構井盾構機優化分體

本工程盾構機總長128m，而始發井長度僅29m，始發時無法采用常規方法將盾構機直接放入井下始發掘進。因此采用BIM技術，模擬優化盾構機的始發方案，對盾構機進行分體始發(圖10)。最終形成工法以及專利。

(2)鋼套筒過渡環優化

本工程始發位置地下水豐富，始發安全風險高，項目創新采用鋼套筒密閉始發施工工藝。原方案中鋼套筒頂端的過渡環寬度為1.0m，在BIM模型的基礎上進行理論分析，最終將過渡環寬度優化為1.5m，保證了始發施工的安全(圖11)。

(3)工況分析優化

利用BIM技術，建立BIM模型，導入有限元分析軟件ABAQUS進行施工工況的節點分析、計算、驗算，如鋼筋籠吊裝、小半徑盾構掘進等，更好地指導施工(圖12)。

3.2.4 小半徑區間線形控制

創新采用工業設計軟件“SolidWorks”，以Revit模型為基礎建立高精度的襯砌管片模型。隨后在“SolidWorks”中根據現場管片實際拼裝點位進行管片模型的可視化排布以及預排布，生成盾構隧道區間模型。隨后再將盾構區間設計軸線的CAD模型導入“SolidWorks”內，將其移動至與盾構隧道區間模型的始發點位置和方向重疊，此時便可以進行可視化路徑偏差，清晰地展示出當前掘進情況，進行小半徑區間線形控制，同時更加方便現場盾構管片的拼裝(圖13)。

圖12 工況分析優化

圖13 工況分析優化

圖14 質量安全協同管理

3.3 施工管理應用

3.3.1 質量安全協同管理

利用BIM5D平臺，對工程質量、安全進行線上協同管理，將現場發現的質量安全問題，通過手機移動端上傳至BIM5D平臺，同時在平臺內的BIM模型中進行安全質量問題發生地點的定位，隨后編輯質量安全整改信息，最終在線上下發整改通知，實現高效協同管理(圖14)。

3.3.2 材料成本管理

對Revit模型進行材料信息導出，根據導出的材料信息結合節點要求編制材料計劃，細化到材料型號及尺寸，以便進行精細化管理。同時建立BIM模型后導入至Glodon GCL算量軟件，提供施工圖預算進行目標成本控制，為工程過程成本管理、與分包進行工程結算提供數據支持[17-18]。

3.3.3 進度管理

利用Navisworks，結合Revit模型動態模擬當前施工進度。提取數據分析計劃進度與實際施工進度偏差，進行多次對比，若有偏差，及時分析并采取糾偏措施。

3.3.4 信息化管理

利用二維碼信息技術，將工程實體實名制信息及模型信息，通過二維碼的形式記錄在實體上，實現工程實體質量信息的公開化，為質檢人員進行成品復測和驗收提供參考，質檢時減少了非必要的資料，實現“輕量化”管理，也便于產品的追溯本源(圖15)。

表2 BIM應用點統計表

圖15 盾構管片質量信息

4 項目應用效果

通過BIM技術在本工程的應用，在安全質量方面，提升了現場施工質量，盾構線型偏差控制在±30mm，教育效果顯著，安全零事故，通過BIM可視化交底，完成1 300人次的安全教育； 在進度方面，改變了傳統的工作模式，提高了工作效率。計劃始發需180天，實際僅150天； 截止至今盾構共掘進2 500環，計劃130天，實際100天。共節省工期60天； 在社會效益方面，通過參加各項BIM賽事、觀摩和湖南衛視等主流媒體的報道，塑造了良好的品牌形象，極大地提升了企業知名度和競爭力； 在技術效益方面，已借助BIM技術申報11項專利， 3篇工法， 2個QC成果； 在人才培養方面，組織開展BIM培訓活動達20余次，赴北京、西安等地學習交流3次，培養BIM骨干9人。得到了社會各界的好評，為今后電力盾構隧道施工領域的BIM技術應用提供了借鑒以及寶貴的經驗。

5 結語

通過BIM技術在電力盾構隧道工程的應用，成功地保證了本工程的順利施工，同時也獲得了不錯的成果。同時快速地掌握大量的工程施工數據，創建BIM信息數據庫，為后續類似工程施工提供參考依據。項目對本BIM技術應用點進行情況統計并確定可推廣程度(表2)。

盡管本工程應用BIM技術取得了較好的成果，但是在BIM技術的應用過程中，仍然存在一些問題值得改善： 1)項目應用BIM技術需要全員參與； 2)應建立項目族庫，減少低水平重復； 3)應注重信息數據的收集與傳遞工作； 4)應統一各線條標準，提高協同效率。綜上所述，就總體而言，當前對BIM技術的研究仍然屬于初級階段，BIM技術在土木建筑領域上還有很多環節有待深入的研究發展。