BIM技術輔助盾構區間下穿既有高架橋的施工技術研究
——以天津地鐵11號線一期工程為例

王松濤 李星 丁杰

(中交三公局工程總承包分公司 北京 100023)

0 引言

近年來，隨著城市化進程的推進，地鐵在緩解城市交壓力問題上扮演著極其重要的角色。而BIM技術在工程建造過程中，具有加快建模速率、減少圖紙重復率和快速計算工程量等優點，使其在地鐵建設中的應用和作用越來越不可或缺[1]。劉英城等人[2]從220 kV石井～環西電力隧道工程實際出發,分析了盾構施工的風險源分布情況,并針對電力隧道本身和風險源創建BIM模型,實現了盾構風險源管控可視化。BIM技術的使用，彌補了傳統盾構風險管控在實際使用過程的一些不足。魏林春等人[3]分析了現有盾構施工信息管理系統的不足，即多源異構信息整合不全、工程數據關聯分析不足、決策支持可視化程度不高等問題，結合BIM技術在工程項目信息管理的優勢,設計了基于BIM的盾構施工信息管理系統。

本文依托天津地鐵11號線一期工程中，東江道站～學苑北路站區間下穿已有的地鐵高架橋這一背景，探討BIM技術輔助城市地鐵建設施工的過程與優勢。

1 工程背景及應對措施

1.1 工程背景

天津地鐵11號線一期工程線路全長22.6 km，本工程東江道站～學苑北路站區間沿線下穿既有運營的地鐵1號線高架橋，高架橋1#橋樁距隧道結構外皮距離4.17 m，2#橋樁距離隧道結構外皮最小凈距3.23 m，穿越區域盾構頂覆土10.6 m。

1.2 應對措施

如何有效降低盾構掘進地層擾動對高架樁基的影響，平穩、快速通過高架橋，繼而確保既有運營線路安全，是本工程的重難點。采用如下施工應對措施：

(1)盾構穿越高架橋樁基施工前編制專項方案、安全應急預案，并按照要求組織方案評審，做到連續一次性穿越，如圖1所示。

圖1 盾構區間下穿高架橋平面示意圖

(2)加強結構物監測并提高監測頻率，根據監測數據實時指導推進施工；確保同步注漿和二次注漿施工質量，適當縮短漿液膠凝時間，做到早填充，早穩定，減少地層損失。

(3)穿越過程中嚴格控制施工參數，適當降低掘進速度，做到勻速平穩推進，姿態糾偏做到“勤糾偏、緩糾偏”，控制土倉壓力，嚴禁超挖。

(4)配備應急保障物資，根據結構物監測變形情況，及時采取地面跟蹤注漿加固等措施。

(5)與既有線運營單位建立聯系，及時掌握線路運營相關情況，盡量在運營空窗期完成盾構穿越施工。

2 BIM技術的應用

BIM技術是一種建筑全生命周期信息化管理技術，具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖五大特點[4]。通過BIM技術進行虛擬建造、虛擬驗收等，能有效減少現場簽證和變更、提高工程質量；優化施工籌劃、縮短工期、控制投資；并可在工程竣工后，根據竣工建筑信息模型，提供三維可視化信息檔案。

(1)工區場地布置設計時，應用BIM技術對場地平面布置模型和交通疏解進行模擬，場地內根據需要擺放出合理的工區場地模型及圖紙，如圖2所示。

圖2 工區大門效果圖

(2)依據施工圖紙，創建盾構管片模型(圖3～圖4)，確定每個管片的關鍵點，以管片環半徑、管片寬度、標準塊、連接塊、封頂塊的角度等參數作為基本參數[5]。

圖4 盾構管片拼裝效果圖

(3)應用BIM技術對盾構工程中的管線模型(圖5)進行漫游碰撞檢測(圖5中管底最低標高2.54 m，能滿足后勤走到通行要求)，檢查施工圖上所布置的管線與管線碰撞、管道與墻體碰撞等問題，最終形成碰撞報告，積極與設計院溝通協商解決問題。減少施工圖碰撞問題、準確確定裝修砌筑專業預留孔洞位置、合理規劃設備房管路路由，避免施工返工，提高施工效率，為后期地鐵設備維護的BIM管理提供方便[6]。

圖5 經過BIM模型優化后的管線

(4)采用Revit軟件，建立已有高架橋的樁基、承臺、立柱、蓋梁等構件的BIM模型(圖6)。模型中包含高架橋各個構件的鋼筋型號、直徑、形狀、長度等基本信息，并包括各構件波紋管、預埋件、吊點等模塊位置的參數信息[7]。

圖6 高架橋整體BIM模型

3 BIM的優勢

BIM技術為施工團隊和顧問提供了最大限度節省時間和資源的機會，從而減少了項目的預算支出。BIM不僅常用于預施工和設計階段，其在施工完成之后也具有明顯優勢。以BIM應用為載體對施工項目進行信息化管理，項目的生產效率和工程質量均得以提升，項目工期與建造成本均得到減少。體現在下列幾個方面：

(1)加強溝通和團隊合作

BIM技術加強了設計師、客戶、承包商和項目中涉及的其他相關方之間的溝通。因為BIM依賴于“單一事實來源”系統；意味著所有相關信息(包括模型、估計和設計說明)都可以從一個地方共享和存儲。項目各個參與者不僅能看到共享的信息，還可以提出自己的建議。這種協作既消除了信息孤島，又幫助架構師基于數據分析，找到最佳解決方案。

同時，客戶可隨時隨地訪問BIM軟件，可以根據最新的計劃和工作流程來建造建筑物。這既減少了沖突，也不必浪費時間在現場尋找解決方案。

(2)節省成本和資源

BIM的優勢在于，它可以在施工階段開始之前就提供可靠的施工成本估算。設計者可以使用BIM 360 Docs之類的工具，估算用料成本、物料與預制件的運輸成本、人工成本。設計師不僅可以更好地了解項目的成本，更能借助BIM平臺發現降低成本的方法。例如：選擇更具成本效益的材料、尋找以最低市場價格購買材料的理想時間、確定預制還是在現場建造便宜、簡化施工流程、減少導致項目延誤或昂貴維修的人為錯誤。

(3)計算量與精度同時提升

通過構建5D關聯數據庫，打造BIM數據庫系統，可以精確快速計算單價，提高施工預算的精確度與管理效率。因為BIM數據庫系統的數據粒徑達到鋼筋級，可以快速提供支撐建設項目各條線管理所需要的數據信息內容，有效提高施工管理水平。

(4)更高的效率和更短的項目周期

通常，項目周期越短，在整體項目上花費的資金就越少。同樣，由于工作人員可以盡快開始使用施工場地，按時或提早完成項目，也可加快最終的投資回報。借助BIM，設計師可更快地設計建筑物并更早地開始施工。改進的工作流程和其他效率，也加快了項目速度。例如，建筑師可以決定使用機器人技術批量制造某些預制件。可以節省施工時間，因為承包商只需在現場到達時，將零件固定到位即可。

(5)更高效的預制和模塊化施工

BIM軟件非常適合制作詳細的生產模型，模型隨后可在現場進行預制。設計師有更多的機會來設計模塊化的建造物，這些建造物可以完美地兼容在一起，完成復雜的公差計算。同時，由于承包商節約了在現場從頭開始建造構件的時間，施工效率得以大幅度提升，資金得到節省。

(6)虛擬模型協調施工安排

傳統的進度管理過程中，在圖紙的試制、施工等工作中，都是基于二維圖紙和和平地圖圖集;現階段BIM技術可以將項目進行三維可視化展示，它不僅通過三維的方式展示項目模型，還可以展示項目的施工管理、三維鋼筋布置的效果。同時，傳統技術下的場地布置模式只是二維平面，BIM技術可以實現三維的場地布置效果。在傳統模式下，構件與各專業之間的碰撞問題會在施工中或施工后表現出來，直接影響工期的順利進行。通過BIM技術整合不同專業人員之間的三維模型，實現施工前的碰撞檢查，可找出部分碰撞問題造成的設計缺陷。

(7)為決策者提供進度管理數據

在傳統的施工進度管理模式中，如果遇到工程質量和安全問題，將以書面形式進行記錄，后者在后期修復完成后不進行管理。然而，BIM技術會將質量和安全問題直接聯系到3D模型的指定位置上，不僅可以做好預記錄，還可以做好后期的“修整”“未完成”“完成結束”狀態的管理。BIM基于其強大的數據可計量能力，將各個構件在時空維度中進行匯總和協調，為決策人員提供個項目進度實時數據。如圖7所示，為盾構機在高架橋下方時的進度管理控制圖。

圖7 進度管理控制圖

4 結論

(1)利用BIM技術，通過建立BIM空間模型，對施工空間進行嚴格管理和動態模擬，可以最大程度利用施工空間，避免不必要的事故和損失。

(2)為加快運用BIM技術實現地鐵標準化、信息化管理的目標，確保BIM標準在實踐中的實施，建議地鐵項目特定的軟件工具，應隨著BIM標準的發展而發展。