BIM技術在隧道施工中的應用研究

趙海濤

（北京建工路橋集團有限公司，北京 100123）

0.引言

BIM技術是基于三維建模，將工程項目建設延伸至項目施工管理、項目進度管理、項目成本管理和項目質量管理等諸多內(nèi)容，構建包含全部信息的科學的三維模型，探究BIM技術在隧道工程施工中的應用具有重要理論意義與現(xiàn)實價值。

1.BIM技術應用的優(yōu)勢

眾所周知，隧道工程施工是涉及范圍較廣和涉及內(nèi)容較多的全過程高度變化的重要系統(tǒng)工程，尤其是礦山法施工的鐵路隧道，其復合式襯砌工程往往具備作業(yè)面劃分復雜、工作流程轉換困難以及不同工作面之間交叉施工等諸多性質，對隧道工程現(xiàn)場管理中的進度管控、成本核算、技術交底以及工程量、價核算等有著諸多要求。目前，采用二維橫道圖方式展示隧道工程施工進度形象的管理手段，并不能夠真正呈現(xiàn)現(xiàn)場施工管理中不同施工工序和施工工作面之間的空間關系，也難以準確表達不同施工工作面之間的動態(tài)化施工過程。BIM技術能夠憑借其可視化的虛擬仿真技術，應用三維可視化的數(shù)字模型和數(shù)字仿真技術的模擬，以隧道工程在整個施工過程中的所有三維信息和進度、質量、材料數(shù)據(jù)等非三維幾何信息，通過創(chuàng)建工程結構的建筑信息模型，將隧道工程基礎體量、施工方案、施工進展等進行可視化的展現(xiàn)，同時能夠在信息模型中加入時間維度和成本維度，而模擬整個施工工藝流程，實現(xiàn)工程施工的創(chuàng)新性發(fā)展。

2.BIM技術在隧道施工中的應用

2.1 工程概況

清水1#隧道工程為國道109新線高速公路上的隧道工程，位于北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)內(nèi)，為雙洞雙線隧道，全長2.8km，隧道圍巖及洞身穿越地層主要為第四系坡洪積碎石及強風化侏羅系髫髻山組安山巖、角礫熔巖、火山碎屑巖等。巖體為較硬巖，完整程度為較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，切割巖體呈塊體狀，圍巖分別為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級，根據(jù)地質及圍巖等級情況隧道V級圍巖采用CRD法施工，IV級圍巖采用三臺階預留核心土法施工，Ⅲ級圍巖采用兩臺階法施工，隧道斷面129m2～162m2，采用復合式襯砌支護。

2.2 BIM建模要求

在清水1＃隧道工程施工建筑信息模型的構建過程中，應堅持一個信息模型、一個管理平臺和多個不同模塊融合的基本建模理念，對建筑信息模型在隧道工程設計施工以及后期運營維護管理等諸多環(huán)節(jié)進行最大限度的探索和實踐。為保證清水1＃隧道工程施工模型構建與二維施工圖信息的高度吻合，滿足后續(xù)隧道工程施工BIM關鍵技術應用的基本需要，在此過程中應對BIM技術的建模精度、命名規(guī)則、編碼規(guī)則等進行約定。在清水1＃隧道工程建模精度分析時，建模精度作為建筑信息模型幾何數(shù)值的直觀表現(xiàn)，其全面性、數(shù)據(jù)吻合性、細致程度以及準確性等指標，是建筑信息模型能否得到高效應用的重要體現(xiàn)。結合清水1＃隧道工程現(xiàn)場施工特點和地理條件，構建融合襯砌結構形式、地理地形特質、施工工藝流程和施工工作面線路劃分等諸多內(nèi)容的建筑信息模型，創(chuàng)造以鋼筋網(wǎng)片、連接筋、二次襯砌鋼筋等融為一體的全方位模型。在此過程中，模型構建應保證建筑信息模型精度達到施工圖深化設計階段的具體要求。

例如，在清水1＃隧道工程的支護模型搭建時，應精確將模型細分到現(xiàn)場工程施工的任意流程，保證循環(huán)鋼結構工程、二次襯砌模型的行間距離以及不同模板中的模板長度、尺寸等諸多方面符合模型搭建，使不同構件能夠按照其預期設計尺寸、空間位置以及材質等諸多信息，搭建出完整的建筑信息模型，從而構建隧道工程信息模型，融合所有構件的幾何信息和非幾何信息。就該隧道工程的模型構建命名和編碼規(guī)則而言，不同隧道施工工藝應針對其周圍圍巖級別的不同而選擇不同的襯砌結構類型，使隧道工程模型構建于二維平面圖紙中，保證其名稱、高度吻合，從而將同一類型的構件統(tǒng)一命名，方便后續(xù)工程施工的順利推進。在清水1＃隧道工程的施工過程中，應結合隧道工程施工特點，統(tǒng)一符合隧道設計基礎原則的命名規(guī)則，使其能夠在不同利益相關方之間得到信息的最大化共享。

2.3 BIM關鍵技術的應用

鑒于清水1＃隧道工程具備施工條件復雜、地質環(huán)境影響因素多等特征，因此引入BIM技術研究該隧道工程施工過程中可能涉及到的進度管理紅線、安全風險管理、質量管理等諸多難題，實現(xiàn)該隧道工程施工的安全高效，使不同專業(yè)和不同工作面之間能夠達到協(xié)同工作，達到降低工程施工安全風險、提升工程施工質量和降低工程施工成本的最終目標。在此過程中，BIM技術可著重體現(xiàn)于三維可視化交底應用、可視化進度管理應用以及動態(tài)風險三維預警應用和三維質量管理應用等諸多方面[1]。以BIM技術平臺的進度可視化管理問題為例分析清水1＃隧道工程施工進度管控可知，其施工進度日志報表想要實現(xiàn)不同參與方之間的全過程動態(tài)化管控和進度實時分析對比，便于工程項目施工過程中人力資源安排、設備機具材料調(diào)配、大宗材料機械采購租賃以及現(xiàn)場材料堆放等的高效率管理，保證隧道工程施工相鄰施工工序之間的協(xié)調(diào)安排，為其提供更加可靠的數(shù)據(jù)支撐，最大限度保證工程施工進度順利達成，其可視化進度管理界面如圖1所示。

圖1 可視化管理界面

在此過程中，BIM技術的應用主要體現(xiàn)在進度預演、進度分析以及進度預警3大方面，以進度分析為內(nèi)容分析可知，基于BIM技術平臺的模型構建，能夠通過工作任務分解，將清水1＃隧道工程的進度信息與三維建筑信息模型高效率結合，構建三維電子施工日志以及施工組織計劃對比分析，判斷該工程隧道施工是否存在工期超前或工期滯后等問題[2]，針對性分析實際工期與預期計劃產(chǎn)生偏差的原因，形成進度分析報告，為后續(xù)的工程作業(yè)輔助決策的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

3.應用效果評價

BIM信息模型能夠通過對隧道工程施工過程的動態(tài)化模擬，以三維數(shù)字信息模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維平面圖紙，有效解決二維平面圖紙技術交底過程中可能存在的信息遺漏、效率低下甚至技術攻克等諸多難題，使隧道工程施工團隊早早將設計圖紙中存在的不足之處一一指出，防止隧道工程施工過程中出現(xiàn)大范圍的設計變更或施工返工問題，節(jié)約工程施工成本，縮短工程施工工期，以提升隧道工程施工質量。

另一方面，BIM技術平臺的應用，能夠借助建筑信息模型對隧道巖體周邊一定范圍內(nèi)的圍巖情況進行更詳細、更精確的了解，在此基礎上形成對比分析表，記錄隧道工程施工的安全管控過程[3]。最后，搭建的BIM參數(shù)模型，能夠實現(xiàn)施工現(xiàn)場管理效率的快速提升，提高場地利用效率和減少大宗材料機械設備的二次搬運。

4.結語

在隧道工程的施工過程中，能夠借助BIM技術建立以工程結構實體對象為基礎內(nèi)容的三維信息模型，對隧道工程施工組織方案、施工工藝流程以及隧道內(nèi)部細微構件進行動態(tài)化的全過程模擬，輔助隧道工程施工方案的優(yōu)化，高效率核算工程施工中的量價參數(shù)，動態(tài)調(diào)整隧道工程施工的資源配備過程，提高施工團隊的成本管控能力，為管理決策者提供強有力的技術支撐，促進隧道工程施工方案的優(yōu)化以提升經(jīng)濟社會效益。