基于BIM技術盾構隧道管片自動拼裝研究

陳 曦 甘英聰 吳湖英 張興軍 薛劍展

(1.太原市軌道交通發展有限公司，太原 030002;2.上海城建信息科技有限公司，上海 200131)

引言

隨著隧道盾構技術與信息化技術的深入結合，將建筑信息模型技術(Building information modeling，BIM)用于地鐵工程可大大提高地鐵項目的管理水平[1]。對于軌道交通工程而言，盾構隧道管片存在建模效率低、精細化程度不足且施工困難等問題，隧道區間屬于空間曲線結構，其建模難度高于相對規整的車站結構?；贐IM技術進行隧道管片建模，雖然縮短了工期，節省了成本和造價[2]，但預制隧道盾構管片有大量獨立的幾何、材料及重量等信息參數，存在建模重復率高、工作量大、效率低且誤差大等問題[3]。BIM軟件本身存在互用性缺乏及技術缺陷問題，也使其不能很好為現有企業所用[4]。建模過程中模型構件附帶的信息數據若存在偏差，直接影響后期運維階段對數據的使用。針對隧道參數化建模，Catia及Bentley軟件有著成熟的解決方案，但基于Revit平臺的研究相較少[5]； 如何更好地使用BIM技術將盾構隧道管片順利拼裝，成為當前BIM技術應用研究的重點[6]。

在工程建設項目里引入BIM技術可以得到顯著相依[7]。BIM技術是一類強調對工程項目全生命周期相關信息進行參數化表達及集成化管理的里程碑技術[8]。戴林發寶(2015)指出現有軟件平臺沒有針對隧道BIM設計的模塊，國外軟件未能結合國內規范和流程，需開展大量的二次開發，才能保證隧道工程的BIM應用落到實處[9]。歐陽業偉等(2015)通過BIM模型需求分析法，提高BIM技術在地鐵工程中的應用質量[1]。趙璐(2016)通過將BIM模型與地理空間模型進行整合，模擬真實的施工環境[10]。鐘宇(2017)基于IFC(Industry Foundation Classes)標準提出了盾構隧道數據模型，實現了基于IFC的盾構隧道信息模型的數據表達[11]。鐘宇等(2018)建立了盾構隧道建模流程和參數化建模方法，對Revit建模軟件進行了二次開發[12]。陳桂香(2019)應用先整體后局部的方法實現通用管片的高效建模，建立關聯參數精準控制管片拼裝點位[6]。林俊等(2018)參數化自動生成模型可大幅縮減建模時間、實現過程可視化及時發現管片排版碰撞點[5]。王曉東等(2018)在實現盾構管片在指定軸線上自動生成的方法上還需要進一步開發[3]。以上研究主要集中于基于BIM技術的盾構隧道建模流程及管片排版的研究，部分進行參數化建模研究，但參數化自動生成模型的二次開發技術研究尚不成熟。

本研究針對上述問題，聚焦于隧道區間模型的創建，旨在提高建模速度和質量及信息數據的準確性。通過設計通用管片參數化建模流程指導模型創建，利用Civil3D軟件創建盾構區間三維軸線設計，并基于Revit開發Dynamo插件用于區間管片全過程自動拼裝。在此基礎上深化與BIM協同管理平臺的結合，通過將模型、數據及現場實景照片等信息上傳至平臺，實現施工階段的信息集成管理，為運營期工程維護提供數據支持。

1 參數化建?？傮w流程

1.1 參數化管片排版

參數化是指應用參數化工具對具有某些特征和規律的對象建立特定的某種關系，從而實現模型的參數化[13]。Revit Building中的圖元以構件的形式出現，通過調整參數信息來實現不同構件的排版展現。通過參數化手段對通用管片的變量參數進行處理，如族名稱、里程、角度等，即可得到不同通用管片的構件組合，便于編輯、修改，能滿足反復設計的需要。

1.2 建模流程

隧道區間主要通過Civil3D創建空間曲線，并將空間曲線導入Revit當中。依據施工圖數據資料編寫含有管片名稱、里程及旋轉角度的Excel表格。通過Dymano參數化建模拾取空間曲線形成區間樣板模型。其流程如圖1所示。

圖1 參數化建模流程圖

1.3 通用管片模型創建

1)通用管片

太原軌道交通2號線所采用的通用管片的設計參數為：外徑為6 200mm，內徑為5 500mm，管片中部寬1 200mm，厚度為350mm。通用管片混凝土采用C50、抗滲等級P12，采用彎螺栓連接，楔形量37.2mm。管片構造如圖2所示。每環管片由6塊預制鋼筋混凝土管片塊拼裝而成，封頂塊K圓心角21.5°，標準塊A1、A2、A3圓心角67.5°，鄰接塊B1、B2圓心角68°。

圖2 通用管片構造

通用管片如圖2所示，以旋轉角度為22.5°，將管片分為16個區域。K塊位于最頂部位置，并定位為1號點位，順時針依次為2～16點位。

根據防水規范要求封頂塊禁止拼裝在8，9，10號點位[1]。

1)盾構管片族創建

應用Revit對盾構隧道通用管片進行建模，可以有效解決建模中的曲面、復雜孔洞等問題； 并根據不同的情況用于不同尺寸隧道模型。

通過自適應方式分別創建鄰接塊、標準塊、封頂塊的管片族，并通過嵌套方式形成管環構件。自適應管片族可根據區間隧道設計軸線的坐標，適應不同斷面尺寸和變坡點，自動擬合閉環。盾構管片族如圖3所示。通過改變參數值，可以快速構建新的管片模型，有效增強管片模型的適用性，并滿足管片錯縫安裝的設計及施工要求，以及逐步完善企業構件庫，如圖4所示。

圖3 盾構管片族

圖4 管片族類型

管片族可分為直線環及左右轉彎環，由區間隧道總平面圖可推導如何選擇不同楔形量的管片。依據隧道線路中心線的弧度確認使用直線環或者左右轉彎環； 依據中心線長度，確認選取管片的數量。并結合下文提出的Excel表格及隧道設計軸線形成隧道管片拼裝。

1.4 整理Excel管片參數

按照區間平縱斷面圖紙信息，在Excel表格中逐項手動錄入管片的放置里程、類型名稱、旋轉角度等參數，如圖5所示。后續在Dynamo二次開發程序中導入Excel數據，根據表格名稱自動獲取相關參數，并依此放置拼裝管片。

圖5 管片參數表

1.5 繪制隧道設計軸線

Civil3D是一款具有強大路線設計功能的，并且基于AutoCAD平臺的軟件，可以根據路線的平面線形和縱斷面圖快速、準確生成對應3D路線(陳桂香2019)。Civil3D通過道路線水平投影組合可以創建任意平曲線。DTA(Designed tunnel axis)是一條空間三維曲線，它通過路線平面線形和縱斷面圖結合，完整地表達空間位置和立體線形，并根據路線設計精確、高效的要求，在建模時決定應用Civil3D盾構區間生成三維隧道設計軸線[5]。

1.6 隧道自動生成二次開發

基于Revit開發的Dynamo插件，通過拾取隧道設計軸線確認隧道平面位置及高程，關聯Excel表格，確認隧道管片組合形式，達到自動模擬拼裝的目的。

在隧道管片拼裝過程，由于人工操作工作量大，容易出錯?；贒ynamo程序針對管片排布進行編程，并且需滿足管片與管片之間、管環與管環之間都是緊密貼合的要求，程序運行過程中直接調用Revit族，通過數據運算，進而生成3D隧道管片模型，線型模型在建模過程具有很強的重復性，從而實現隧道全過程的程序自動拼裝。完成自動拼裝后點擊構件可查閱管片相關里程、角度等信息，可根據拼裝要求或者現場實際拼裝情況進行快速調整。Dynamo運行頁面如圖6所示。

圖6 Dynamo運行頁面

1.7 平臺應用

BIM協同管理平臺是施工階段的管理平臺，平臺用戶為業主、BIM咨詢單位、施工方及監理單位。通過平臺在施工階段逐步實現收集模型、數據、現場實景照片及文檔資料。

BIM協同管理平臺的主要功能包括：模型管理、屬性管理、文檔管理、移動端采集、數字化信息查詢、驗收與交付等相關功能。并與健康監測系統關聯，通過傳感器數據采集，收集隧道管片偏移及沉降信息，與現有模型進行比較分析，優化管片拼裝方案。平臺的落地化應用有利于實現施工階段的信息集成管理，為運營期的工程維護提供數據支持。

2 工程應用

2.1 案例背景

太原市軌道交通2號線一期工程線路長度23.647km，共設車站23座，區間23個。

結合太原市軌道交通2號線一期工程實際情況，采用樣板先行策略，以確保BIM模型和工程現場相一致，保障BIM模型的交付質量和輔助驗收，使數字化竣工交付中BIM模型能夠支持地鐵的百年運維和維護。

2.2 區間管片拼裝設計

太原地鐵2號線樣板區間從雙塔西街站北端引出后，沿牛站西巷路下南北向敷設，在迎澤苑小區附近以半徑100m的曲線向左偏移，行進至迎澤公園內七孔橋附近以半1 000m的曲線向右偏移接入大南門站南端。本區間采用盾構法施工，管片環外徑6 200mm、厚度350mm，區間左右線均由雙塔西街站北端始發大南門站南端接收。

雙面楔形通用管片作為隧道主體支撐結構，采用BIM技術建立參數化通用管片模型，解決了通用管片施工排版選點問題，利用信息化管片拼裝模型輔助施工。根據樣板區間平面圖紙和高程圖紙，通過Civil3D建立三維隧道設計軸線，如圖7所示。

圖7 樣板區間三維隧道設計曲線

通過Revit軟件創建通用管片，并進行參數化處理。結合Civil3D繪制的樣板區間隧道設計軸線，建立信息化管片錯縫拼裝模型，如圖8所示。

圖8 區間拼裝模型

2.3 上傳平臺應用

模型經過完整性、準確性、一致性檢查后，進行模型拆分、編碼、現場資料收集等工作，然后將模型上傳至BIM協同管理平臺，并將相關數據輸入到平臺中，將現場資料與數據和模型進行關聯，并實時保持更新數據、模型、資料，直至數字化竣工交付以及運營階段BIM應用準備工作結束。如圖9所示。

圖9 BIM協同管理平臺展示

通過BIM協同管理平臺分階段進行模型搭建，用于指導現場施工以及收集本階段資料，為后期運營維護提供精準的數據依據。

2.3 應用小結

基于BIM技術的參數化管片建模技術在太原地鐵2號線樣板區間工程施工中的應用，為盾構隧道施工信息化發展積累了經驗。通過BIM技術的參數化建模，實現了快速精細化建模的要求，節約大量重復的工作時間，并致力于施工現場落地化應用。利用BIM協同管理平臺，對盾構施工實時報表數據進行了匯總，并將盾構隧道通用管片BIM模型導入平臺，實現盾構隧道施工信息化目標。

3 結論與展望

本文在現有研究的基礎上，通過建立隧道區間通用管片參數化建模流程，并對Revit軟件進行二次開發，實現區間管片自動拼裝，極大提高了區間建模速度。在施工階段，收集數據、圖像、文本資料并上傳至BIM協同管理平臺，實現施工階段的信息集成化管理，有利于運營期期數據的跟蹤及維護，有效提高項目信息化管理水平。通過太原地鐵2號線的樣板區間的應用，驗證了參數化建模流程的可操作性，基于Revit二次開發的Dynamo插件的實用性。項目建模的工作得以高效及準確地完成，提高了建模水平。

本項目研究尚有不足之處，仍需對隧道盾構區間BIM+GIS應用及在盾構管片編碼應用方面進一步鉆研，為方便后續項目運維過程資產管理的信息化及智能化提供幫助。