基于BIM的地鐵隧道結構分析與安全預警探究

韓巖青，馬建雷，周揚

（1.青島市地鐵四號線有限公司，山東 青島 266000；2.青島市市政公用工程建設發展中心，山東 青島 266071；3.青島市建筑工程質量監督站，山東 青島 266071）

0 引言

現階段，地鐵在城市交通體系中的作用日益重要，利用地鐵可以更好的改善地面交通的擁堵狀況，極大的方便人們的出行。當前，諸多城市都在加緊地鐵線網規劃和立項。在地鐵建設過程中，隧道工程占據了非常重要的位置，為了強化地鐵隧道工程項目的管理能力，就需要借助先進的BIM技術，從而實現對隧道結構的分析以及對隧道安全的預警，更好地幫助地鐵建設單位掌控整個隧道工程的詳細信息，從而大大提升隧道建設工程的質量和安全性。

1 運用BIM技術的意義

地鐵建設單位可以通過BIM技術實現對隧道工程的數字化模擬，建立一個具有高度統一和一致性的可運算三維模型，使得各項工程數據變得可視化。通過這項技術，各部門可以憑借統一的可視化數據，使業務溝通更加準確便捷，使數據能夠實現最大限度的共享，極大提升各個部門之間的協同效率，使隧道工程能夠更加安全高效的實施，最大限度的提升隧道施工企業的施工效率和安全性，確保隧道建設目標的實現。

2 構建隧道結構模型

2.1 利用BIM技術構建隧道模型

BIM技術中所運用到的軟件眾多且十分復雜。其中包含了Revit、3ds max、Rhino、Navisworks等等，這些軟件共同構建起一個完整的BIM軟件體系。在進行隧道結構模型構建的過程中，需要充分運用這些軟件的功能來實現對隧道結構的模擬。以Revit為例，在BIM軟件中可以利用Revit軟件實現對地質模型的構建。Revit軟件是專為建筑信息模型（BIM）構建的，它可以構建非常復雜的建筑模型，但沒有針對地質建立的模型，因此需要借助一定的技術手段來實現隧道結構模型的建立[1]。相關技術人員可以利用Revit軟件中構建樓板的功能對地質模型進行構建和模擬，同時也可以在BIM軟件中建立專門的地質數據庫，從而使地質模型的構建更加方便、高效。在Revit軟件中，為使用者提供了非常多的建筑構件族庫，可以更好實現對地鐵隧道工程的模擬。

2.2 地質結構分析

在進行地鐵地下結構分析時，要充分考慮到周邊巖土對地鐵隧道工程產生的影響，這就需要對地鐵隧道工程周邊的地質結構進行精確的分析，從而更好地掌握地下結構的現狀，進而保證地鐵工程的順利進行。首先，應該在BIM軟件中，進行相關地質數據的設置，這其中包含了工程項目的地理位置、勘探數據、地層巖性、空間坐標等等數據，依據相關的數據建立專門的地質數據庫，從而為建立地質結構模型提供數據支持。在相關數據完備的基礎上，就需要利用BIM技術建立相關的地質模型。其次，要利用Revit軟件的接口進行二次編程開發，在初始地質數據上，利用先進的算法對地址數據進行優化，這樣有利于構建復雜的地層結構，保證地質模型的準確性和合理性[2]。再者，技術人員就需要利用HyperMesh軟件對整個地質模型進行網格的劃分，生成數值分析網格，從而更好地幫助系統進行地質結構數據的精準分析。最后，需要對地質結構數據進行進一步處理和計算。在這個過程中可以利用FLAC 3D進行后續的數據處理和分析。在Revit軟件中，用戶可以對很多數據進行自定義，包括建筑模型表面等等，使得模型能夠更加符合工程的需求，然后利用相關的軟件對模型進行渲染，從而更好地將地質結構模型以合適的方式展現出來，進而幫助相關企業更加直觀，便捷的掌控整個地鐵隧道工程的地質結構。通過BIM技術對計算結果進行優化處理，然后利用先進的圖像處理技術形成更為精準的圖像信息，更好地實現對數據可視化展示。

2.3 地質結構分析的最終實現

在BIM軟件中，需要將隧道結構和地質結構模型進行結合，綜合兩個模型中的數據進行計算，實現對兩個模型數據的有效集成，這樣更加有利于展示整個隧道工程的結構，同時也有利于真實模擬施工開挖過程。利用相關軟件提供的接口可以進行軟件的二次編程開發，構建地鐵隧道工程的三維數字模型。首先，將巖土結構計算模型中的數據與坐標進行一一對應。這些數據包括了節點編號、上下邊界、應力應變等巖土結構數據。其次，通過二次編程開發，利用相關的命令將巖土結構的相關數據讀取出來，再利用插值原理對這些數據進行科學的處理，計算出模型應力、變形等數據的等值線。同時，利用數值計算云圖將數據展示出來，在這其中不同的顏色代表著不同的數值大小和變化。最后，將生成的數據重新導入Revit軟件中，將這些數據與位置信息進行一一對應，然后利用圖形處理軟件進行渲染和輸出。通過BIM技術完成對地鐵隧道地質結構的研究和分析，這樣可以更好地幫助地鐵建設單位實現對工程項目的控制。

3 地鐵隧道安全預警

3.1 意義

在地鐵隧道施工中，安全工作無疑是重中之重。施工中發生安全事故，不僅會影響工程進度，而且可能會造成嚴重的人員傷亡。為了更好的保證地鐵隧道施工的安全，就需要利用BIM技術實現隧道安全的預警，通過對地鐵隧道工程模擬，可以實現對整個施工空間的精確管理，能夠及時發現存在的安全隱患，采取準確的處置措施，大大減少發生事故的概率，提升隧道施工的安全性。

3.2 施工空間的管理

在地鐵隧道施工的過程中，施工空間的管理至關重要。在施工過程中，如果施工空間不能得到有效的分配，不僅會影響到施工的效率，造成施工現場的混亂，還會引發嚴重的安全隱患。因此就需要地鐵施工企業對施工空間進行詳盡的安排。利用BIM技術進行施工空間的管理，可以幫助施工企業更為精確的進行施工空間的分配和施工時間的管理，避免出現施工現場的混亂。首先，需要利用BIM技術建立相關的模型，BIM模型不同于一般的2D或者3D模型，而是在模型中賦予了大量的工程屬性，這就需要施工企業更具工程圖紙的需求，建立隧道的主體模型和施工模型[3]。主體模型包含隧道的地質結構模型，機械模型，建筑結構模型。施工模型則包括，機械運動軌跡的整體模型，以及機械施工時的空間模型。在進行模型建立時，要盡可能的保證相關數據的完整性，統一性，精確性以及相關性。在建立隧道主體模型和施工模型的基礎之上，還要將施工的進度融合進來，才能夠對施工過程進行精確的模擬。在整個模型中包含了構件的幾何屬性，空間占用數據以及時間屬性。這樣就可以對整個施工進行模擬，從而實現對施工空間的預測。在隧道施工中，空間沖突是影響施工效率的重要因素。必須保證每一個施工工序都擁有足夠的空間，因此就需要利用BIM技術在施工前在施工開始前，對施工方案進行準確的模擬，從中找到存在的問題，從而對施工空間進行合理的預測和安排，優化機械運行路線以及人員施工范圍，避免施工空間的沖突，造成施工現場的無序，增加發生安全事故的概率,還能夠大大提升施工空間的利用效率。除了進行空間沖突分析，還要對時間沖突進行分析，這就需要相關人員利用BIM技術對空間沖突和分類空間沖突進行精準的判斷，并對這些沖突所產生的結果進行預估。在進行施工空間管理的過程中，可以將其分為三類，第一類是可使用空間，顧名思義就是尚未被占用的空間；第二類是施工占用空間，就是施工中正在占用的空間；第三類就是物品占用空間，這里主要指機械設備、材料所占用的空間。

通過利用BIM技術，可以更好的實現對施工空間的安全管理。首先，就要借助隧道的三維模型以及相關的數據，建立隧道內部空間的三維模型。其次，就是要將施工進度信息與隧道空間的三維模型進行結合，從而更好地模擬整個施工過程。最后檢測施工空間沖突，通過分析和計算可以對施工空間進行分級，按出現空間沖突的概率大小，對整個空間進行劃分，這樣可以更好地實現對施工空間的管理。在BIM的隧道的三維空間模型當中，為了更好的檢測空間沖突，就需要在原有模型的基礎上加入更多的信息，這些信息包括機械設備的運動軌跡和運動半徑等等，這樣可以使整個模型更加科學和完整，從而使分析結果更加準確。在整個模擬和分析的過程中，必須保證數據的準確性和完整性，否則就不能保證數據的準確度。

3.3 隧道結構安全預測

在隧道建設過程中，隧道周圍的地質情況會對施工產生非常大的影響，因此就需要對周邊的地質數據進行詳細的分析，這其中包括，工程影響范圍內的建筑物沉降傾斜數據，隧道的結構變形數據，隧道圍巖的監測數據以及沉降數據等等[4]。將這些數據與BIM結構數據模型進行有效的結合，通過相關的技術建立監測曲線，然后對監測曲線進行特定數值的設置。通過BIM軟件可以清晰的觀測到數據的變化情況。通過BIM軟件對隧道結構與周圍巖土結構的計算結果進行科學的對比，可以更好地實現對隧道模型和巖土體模型的驗證。如果在監測的過程中，發現監測點的最大數值已經超過隧道結構穩定性，地面沉降所設定的預警值上限，系統就會啟動預警機制，發出警告，提醒相關工作人員。通過模型的計算和分析，最后將計算結果與監測數據進行比對，從而驗證數據模型的合理性和科學性，從而更好地保證隧道結構本身的安全性。

4 結語

目前，對于很多城市來說，地鐵已經成為城市建設的重要標志，因此，地鐵建設受到了社會的廣泛關注。為了更好建設地鐵工程，就需要對地鐵隧道工程進行全面的控制和分析，在這其中，BIM技術起到了非常大的作用，這項技術的應用不僅可以幫助地鐵建設單位實現對地質結構更加精準的分析，同時還能實現對地鐵隧道安全的準確預警，這樣可以更好地保證地鐵隧道工程的質量和安全。