BIM 可視化設計在復雜互層隧道工程中的應用

魏 煒

（中鐵二十三局第六工程有限公司，重慶 401124）

0 引言

為了提高施工效率，解決TBM 隧道施工中地表沉降、既有建筑物塌陷、工期緊張和安全要求等問題，基于重慶軌道交通9 號線隧道、車站和高架橋部分的CAD圖紙，利用BIM 技術完整地構建了軌道交通的三維可視化模型及場地效果，為施工方、設計方、監理和業主之間的溝通提供了渠道和平臺，節約了時間成本。該工程根據BIM 設計的全流程進行科學施工，取得了良好的施工建設效果，本文對此進行詳細介紹。

1 工程概況

1.1 項目簡介

重慶軌道交通9 號線位于川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部；構造骨架形成于燕山期晚期褶皺運動。構造線呈NNE―SSW 向。未見斷層，節理（裂隙）發生與構造運動密切相關，以構造節理、層面為主，節理走向NEE-SWW 和走向NW-SE 兩組較發育，多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物。

地質勘察區位于重慶向斜西翼，巖層呈單斜產出，巖層傾向100°，巖層傾角5°。根據區域地質資料，地應力條件簡單，應力水平極低。區內無斷層，地質構造簡單。根據場地基巖露頭地質測繪調查，基巖內裂隙發育程度為較發育，巖體呈層狀構造。主要發育兩組構造裂隙：

J1：270～300°∠58～80°，優勢產狀為290°∠65°，延伸5～10m，微張1～3mm，平直，間距1.0～2.0m，偶見鈣質充填，結合差，屬硬性結構面。

J2：210～250°∠65～80°，優勢產狀為220°∠70°，延伸0.2～1.0m，一般閉合-微張，舒緩波狀，局部有倒轉反向現象，間距5～8m，偶見泥質充填，結合差，屬硬性結構面。

層面裂隙：為軟弱結構面，裂隙閉合，結合較差。

重慶軌道交通9 號線二期工程，合同全稱為重慶軌道交通9 號線中央公園東站、從巖寺站及區間土建工程，項目位于渝北區空港新城，兩站三區間，施工起止里程YDK35 +053.411～YDK38 +945.244，總長3891.833m。線路整體為南向北走向，起點從蘭桂大道站引出，下穿中央公園小學，向北沿和慶路暗埋至同茂大道路口處，設中央公園東站，并與10 號線中央公園東站換乘。繼續向北下穿和慶路、丘陵（雙龍湖街道鹿山村片區）后，到達空港公租房片區谷地，沿規劃縱一路設高架橋，橋中部設從巖寺高架站，高架通過谷地后進入花石溝村。線路走向如圖1、圖2 所示。

圖2 工程線路走向圖

1.2 施工難點

（1）全斷面隧道掘進機（TBM）始發與接收段。洞口密封裝置滲漏，TBM 到達時，管片環縫張開，始發、到達施工難以確保開挖面土體穩定。

（2）復合TBM 在泥巖、砂巖地層中施工，增加掘進技術難度；開挖面不穩定、開挖硬土引起開挖難、切削刀盤受到特別大的阻力、復合TBM 推進阻力較大；復合TBM 刀頭磨損較快；殘積土的黏土以及泥巖類巖石,經研磨后易在刀盤表面或土艙內形成泥餅；砂巖、泥巖交錯或互層，造成軟硬不均和巖性突變，易造成刀具異常損壞；復合TBM 在石英含量較高的砂巖地層掘進時，刀具磨損嚴重；有些巖層地段易產生復合TBM 旋轉或管片旋轉、管片上浮；堵艙、堵螺旋機和糊刀盤，導致壓力艙被黏結的渣土充滿，不能被螺旋排除；復合TBM 掘進位于小曲線半徑上，曲線半徑越小則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制，隧道管片襯砌軸線因推進水平分力而向圓曲線外側（背向圓心一側）偏移，容易發生管片侵線。

2 BIM 組織與應用環境

2.1 BIM 應用目標

為提高TBM 開挖過程中的施工效率，克服周邊環境及既有建筑物的地表沉降問題，縮短工期、促進TBM安裝、掘進、出渣、管片安裝等一體化，因此，構建重慶軌道交通9 號線工程的BIM 三維模型（圖3 所示）。可實現以下幾個目標：（1）可視化指導TBM 施工；（2）實現車站施工的精細化管理；（3）將BIM 模型嵌入到項目信息化管理平臺中，實現地下隧道工程三維可視化自動監測，提高工作效率；（4）構建重慶軌道交通9 號線全周期BIM 虛擬漫游，將工程項目物理特性和功能特性實現數字化、動態性的表達。

圖3 重慶軌道交通9 號線BIM 模型

2.2 BIM 實施方案

該項目的BIM 技術應用是巖土工程行業為實現數字化、信息化、智能化進行的探索。

（1）使用BIM 正向設計建模技術，在項目設計階段建立全專業的模型，充分考慮周邊復雜環境對工程項目的影響[1-3]。通過4D 施工過程模擬，指導項目過程施工和管控[4-6]。同時在管理平臺中集成三維模型基本屬性信息、基坑自動化監測信息、自動伺服系統信息以及施工過程中物料信息，將BIM 技術應用于基坑設計、施工全過程[3]。

（2）在團隊組織上，該項目由業主方統一規劃管理。項目上實行全員參與制，多部門人員分工協作，保證BIM 應用落地。建立企業、項目部和作業層協同工作管理架構，做到逐層細化、協同管控。通過定期組織培訓，讓項目施工人員都能熟悉BIM 技術，便于應用落地。

（3）在應用依據上，項目前期BIM 應用，依據住建部發布的《建筑信息模型應用統一標準》（GB/T 51212-2016），和《建筑信息模型施工應用標準》（GB/T 51235-2017，編制符合巖土工程項目特點的公司級BIM 模型標準手冊，和針對該工程的BIM 實施方案。

（4）在軟硬件環境建設上，BIM 建模人員配備高性能處理器和專業圖形顯卡的主機。軟件層面使用Revit作為主要建模軟件，Midas、Plaxis3D、理正巖土作為分析軟件，建模大師、Dynamo 與二次開發插件進行輔助深化設計[7-9]。使用Navisworks、Lumion、Fuzor、3D Max 進行虛擬建造、施工工藝模擬。使用BIMFACE 和自主研發的云平臺進行過程中的信息集成和施工質量交底。

3 隧道BIM 建模及應用

3.1 隧道線路建模

根據CAD 圖紙，對重慶軌道交通9 號線全線進行三維翻模，其中，主要分為隧道、車站和高架橋三部分。高架橋全長185m，對接路基15m，與高架對接的隧道實施TBM 施工，并向左側彎曲后，右歸彎到中央公園城東站。通過Revit 將CAD 圖紙快速轉換為三維信息模型，并進行碰撞檢測。通過可視化編程設計，對參數構件進行驅動優化，在計算后立即更新模型，從而實現最優設計結果。

3.2 隧道進出口建模

在Revit 中，制作模型的場地，首先需要轉到場地平面視圖，選擇場地和體量選項卡中的地形表面。通過放置點的功能來繪制場地，修改該點的高程后放置在平面視圖中，如圖4 所示。所有的高程點放置完成后，在屬性欄中修改場地的材質。在繪制好的地形中使用建筑地坪命令進行平整，框選需要平整的建筑地坪。最后可以使用子面域命令添加道路，在屬性欄中修改道路的材質。

圖4 重慶軌道交通9 號線地形及入口建模

3.3 軌道車站建模

車站的繪制需要選用工具欄建筑選項卡中的柱功能，修改柱子的類型名稱和尺寸。根據所鏈接的CAD 圖紙，參照其軸網上的柱子進行分類繪制。添加好的柱子，修改其屬性，包括底部和頂部標高、偏移、編號標注、混凝土強度等級等，從而實現車站可視化建模，如圖5 所示。

圖5 中央公園東站BIM 模型

3.4 BIM 技術應用總結

本文基于重慶軌道交通9 號線隧道部分、車站部分和高架橋部分的CAD 圖紙，利用BIM 技術完整地構建了軌道交通的三維可視化模型及場地效果，根據BIM 設計的全流程實施情況，總結如下：

（1）項目前期。在項目規劃時，把BIM 技術及理念植入整體方案中，統籌概念設計和規劃設計，同時進行經濟效益分析。

（2）設計階段。為工程設計提供依據和可視化效果，結合CAD 圖紙進行方案設計、初步設計和施工圖設計。并對設計結果進行有效性分析和經濟合理性評價，最后交付完整的電子三維模型和圖紙成果。

（3）施工階段。依據三維模型及場景布置，指導施工方從人、機、料、法、環五個方面進行準備，為施工提供必需的技術條件和物質準備，指導施工組織及設計，實現施工全過程管控。

（4）運維階段。通過建立的BIM 模型及文件體系，指導利益相關方進行空間管理、應急管理、設備管理、安全管理和經濟成本管理等。

4 結束語

軌道交通隧道BIM 設計，能夠提高軌道工程全周期施工效率，節約成本，是道路工程信息化的有益探索。通過以上分析，總結出了重慶軌道交通9 號線BIM模型構建創新點如下：

（1）通過參數化構件和Revit 二次開發正向設計，并充分考慮了場地環境和地下空間布局，為軌道工程物理和功能的數字化表達提供了技術支持。

（2）軌道工程項目施工過程模擬動畫，為施工方、設計方、監理和業主之間的溝通提供了渠道和平臺，節約了時間成本。