泥漿干化 BIM 系統(tǒng)在市政隧道工程中的應(yīng)用

邱俊男(上海黃浦江越江設(shè)施投資建設(shè)發(fā)展有限公司， 上海 200093）

近年來(lái)，在城市快速路建設(shè)過程中，泥水盾構(gòu)以其無(wú)須特殊土體改良、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)越江隧道建設(shè)的主要施工技術(shù)。其中，泥漿處理是此類工程技術(shù)的重點(diǎn)。某市政越江隧道工程采用了泥漿干化系統(tǒng)來(lái)解決這一問題，即將泥漿干化處理成渣土然后再運(yùn)輸。故如何在有限的空間內(nèi)合理安排復(fù)雜的泥漿處理系統(tǒng)成為該項(xiàng)目建設(shè)的一大難點(diǎn)[1]。

本文依托建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技術(shù)，即建筑模型信息化，根據(jù)泥漿干化系統(tǒng)原理，結(jié)合某市政越江隧道盾構(gòu)場(chǎng)地實(shí)際情況，進(jìn)行泥漿干化系統(tǒng)施工場(chǎng)地布置優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3]。

1 盾構(gòu)泥漿干化處理系統(tǒng)基本原理

目前我國(guó)廢棄漿液處理的方式主要有以下 3 種：壓濾處理、離心處理和固化處理[4]。結(jié)合工程周邊環(huán)境以及地質(zhì)土體情況，本工程選取泥水分離系統(tǒng)及壓濾系統(tǒng)相結(jié)合的形式。

盾構(gòu)機(jī)開挖過程中產(chǎn)生的渣土被泥水?dāng)y帶，通過泥水循環(huán)的方式泵送到地面泥水處理設(shè)備。泥漿進(jìn)入緩沖箱后流到黏土塊分離機(jī)，大塊黏土通過分離機(jī)直接進(jìn)入渣土坑，剩余泥漿進(jìn)入一級(jí)旋流系統(tǒng)。一級(jí)旋流系統(tǒng)通過水力旋流、振動(dòng)篩將 54 μm 以上粒徑顆粒進(jìn)行分離，分離后的渣土顆粒直接進(jìn)入渣土坑，剩余泥漿進(jìn)入二級(jí)旋流系統(tǒng)。二級(jí)旋流系統(tǒng)通過水力旋流、振動(dòng)篩將 20 μm 以上粒徑顆粒進(jìn)行分離，分離后的渣土顆粒直接進(jìn)入渣土坑，剩余泥漿進(jìn)入調(diào)漿系統(tǒng)。

調(diào)漿系統(tǒng)通過加速沉淀，上層優(yōu)質(zhì)泥漿溢流進(jìn)入調(diào)整池供盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)使用，底層大比重泥漿泵送至壓濾設(shè)備進(jìn)行終端壓濾干化，干化后的渣土直接棄至渣土坑。所有進(jìn)入渣土坑的廢渣含水率應(yīng)＜30%。

2 場(chǎng)部 BIM 正向設(shè)計(jì)

2.1 施工場(chǎng)地布置正向設(shè)計(jì)流程

利用 BIM 技術(shù)開展場(chǎng)布正向設(shè)計(jì)，可以通過 BIM 技術(shù)的三維可視化、施工模擬、碰撞分析、管線優(yōu)化信息傳遞及場(chǎng)地漫游等功能，對(duì)平面布置中潛在的不合理布局進(jìn)行分析，對(duì)安全隱患進(jìn)行排查，優(yōu)化平面布置方案。利用BIM技術(shù)開展場(chǎng)布設(shè)計(jì)的流程如圖 1 所示。

圖 1 BIM 技術(shù)開展場(chǎng)布設(shè)計(jì)流程圖

2.2 場(chǎng)布設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 場(chǎng)地設(shè)施設(shè)備參數(shù)化布置

（1）根據(jù)計(jì)算進(jìn)行設(shè)備選型。該越江隧道項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)排泥流量為 2 000 m3/h、推進(jìn)速度為 5 cm/min，地質(zhì)資料顯示 20 mm 以下顆粒含量約占 50%。選用 KMZ-2000×2型泥水處理系統(tǒng)，2 套 MTP-2000 型泥水分離設(shè)備、2 套ZTJ-160 型制調(diào)漿系統(tǒng)以及 6 套廢漿干化設(shè)備。

（2）參數(shù)設(shè)定。根據(jù)工藝及各設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，初步確定相互位置關(guān)系并設(shè)置參數(shù)，通過這些參數(shù)，建立各設(shè)備空間位置的邏輯關(guān)系，后期場(chǎng)地中各類設(shè)施的位置都需要基于這些參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需考慮的參數(shù)主要見表 1，泥漿感化系統(tǒng)設(shè)備之間初步位置布置如圖 2 所示。

表 1 場(chǎng)布參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖 2 泥漿感化系統(tǒng)設(shè)備之間初步位置布置圖

（3）創(chuàng)建設(shè)備參數(shù)化族庫(kù)。根據(jù)設(shè)備選型，建立設(shè)備全尺寸的族庫(kù)模型，對(duì)于輪廓相同、但型號(hào)不同尺寸也隨之變化的設(shè)備，在建立族庫(kù)模型時(shí)需設(shè)定自定義參數(shù)以便利用其進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及驅(qū)動(dòng)。

（4）編制程序。利用 BIM 搭建等比例設(shè)施設(shè)備模型及設(shè)置其機(jī)械操作范圍。基于實(shí)際施工工況，注意不同的設(shè)備尺寸及其配套設(shè)施的相互關(guān)系及要求，如不同直徑的盾構(gòu)機(jī)需配套不同數(shù)量的泥漿池，各類設(shè)備之間需滿足人工操作及檢修的合理空間，設(shè)備之間的距離要求等，利用 dynamo參數(shù)化工具開展場(chǎng)地參數(shù)化布置，可以快速確定機(jī)械設(shè)備及配套設(shè)施的數(shù)量及所需場(chǎng)地范圍。通過綜合考慮材料運(yùn)輸、施工作業(yè)區(qū)段劃分等因素來(lái)進(jìn)行設(shè)備選型與定位，顯示出三維空間布置比二維平面布置更加直觀、便捷的優(yōu)勢(shì)。圖 3 為場(chǎng)布參數(shù)化設(shè)計(jì)場(chǎng)布模型。

本文借助問卷星網(wǎng)上問卷平臺(tái)設(shè)計(jì)問卷，以隨機(jī)抽樣的形式網(wǎng)上發(fā)放問卷，對(duì)大學(xué)生選擇校園貸的基本情況做簡(jiǎn)單調(diào)查分析．共計(jì)發(fā)放調(diào)查問卷533份，回收有效問卷520份，有效回收率達(dá)97.56%．

圖 3 場(chǎng)布參數(shù)化設(shè)計(jì)場(chǎng)布模型

2.2.2 管路碰撞檢查及優(yōu)化設(shè)計(jì)

碰撞檢測(cè)是 BIM 技術(shù)應(yīng)用初期最易實(shí)現(xiàn)、最直觀、最易產(chǎn)生價(jià)值的功能之一，作為技術(shù)管理的延伸，在管理中占有舉足輕重的地位。建立 BIM 模型之后，通過運(yùn)行碰撞檢查，不僅可以解決錯(cuò)綜復(fù)雜的管道之間的碰撞問題，還能通過檢查與不同專業(yè)模型之間的碰撞，提前預(yù)留孔洞和空間，對(duì)管道進(jìn)行有序排列，使各個(gè)專業(yè)之間的施工工序更趨于合理，專業(yè)管線的整體布局更趨優(yōu)化[1]。

2.2.3 模型信息傳遞及維護(hù)

信息的傳遞與維護(hù)一直是傳統(tǒng)施工流程中的一大難點(diǎn)。通過 BIM 單一模型的概念，將所有的正確信息回饋修正到模型，既能確認(rèn)信息實(shí)時(shí)性，還可以改善碰撞在傳統(tǒng)信息整合與傳遞中產(chǎn)生的信息的混淆問題，利用大數(shù)據(jù)使相關(guān)信息能達(dá)到完整的保留、整合與控管。

通過現(xiàn)場(chǎng)安排人員對(duì) BIM 模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與維護(hù)，將現(xiàn)場(chǎng)施工信息與 BIM 的相互綁定，并通過專業(yè)平臺(tái)與 BIM模型相互關(guān)聯(lián)，利用互聯(lián)網(wǎng)了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)工況，確保施工信息傳遞的及時(shí)和有效[5]。

3 工程應(yīng)用

3.1 建立 BIM 族庫(kù)

泥漿干化系統(tǒng)由多個(gè)功能區(qū)域組成，考慮不同項(xiàng)目的不同功能需求及項(xiàng)目場(chǎng)地的限制，對(duì)不同功能區(qū)域的尺寸及布置會(huì)有不同的需求。利用 BIM 建模軟件強(qiáng)大的參數(shù)化功能，可以實(shí)現(xiàn)不同功能需求及不同環(huán)境條件下，各功能區(qū)域模型的快速調(diào)整，快速建模。圖 4 為相關(guān)設(shè)備模型族庫(kù)。

圖 4 相關(guān)設(shè)備模型族庫(kù)

通過對(duì)某城市越江隧道工程泥漿干化系統(tǒng)的工作原理和分區(qū)情況進(jìn)行研究，可以梳理出該系統(tǒng)的所有組成區(qū)域清單及每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的參數(shù)化要求。利 BIM 軟件參數(shù)化建模功能，建立一套通用的泥漿干化系統(tǒng)參數(shù)化族庫(kù)。以此為基礎(chǔ)搭建完成本項(xiàng)目的泥漿干化系統(tǒng)模型，同時(shí)為后續(xù)同類工程中的泥漿干化系統(tǒng)模擬提供 BIM 族庫(kù)儲(chǔ)備，降低建模的難度、提高建模的效率。主要工作包括：①泥漿干化系統(tǒng)工作原理和分區(qū)情況研究；②各功能區(qū)域族庫(kù)清單的梳理及建模標(biāo)準(zhǔn)的制定；③建立標(biāo)準(zhǔn) BIM 族庫(kù)。

3.2 場(chǎng)布設(shè)計(jì)與優(yōu)化

結(jié)合上述已建立的 BIM 族庫(kù)，通過采用 dynamo 參數(shù)化工具，并結(jié)合本工程施工場(chǎng)地環(huán)境條件，可快速建立泥漿干化系統(tǒng)的場(chǎng)布模型。一方面可以直觀分析場(chǎng)地布置是否合理，并統(tǒng)計(jì)出各功能區(qū)域之間所需的連接管路長(zhǎng)度及接頭數(shù)量；另一方面結(jié)合 BIM 族庫(kù)中內(nèi)置的參數(shù)，快速調(diào)整并計(jì)算出當(dāng)前方案下泥漿干化系統(tǒng)支持的泥漿處理量，使其滿足本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)施工的要求。主要工作包括：①施工場(chǎng)地模型建立；②泥漿干化系統(tǒng)場(chǎng)布方案模型建立；③結(jié)合盾構(gòu)機(jī)施工要求及場(chǎng)地環(huán)境條件優(yōu)化場(chǎng)布方案模型。圖 5 為泥水處理系統(tǒng)布局，圖 6 為細(xì)部節(jié)點(diǎn)布置。

圖 5 泥水處理系統(tǒng)布局

圖 6 細(xì)部節(jié)點(diǎn)布置圖

模型建立完成后再與現(xiàn)場(chǎng) CAD 圖紙的比對(duì)過程中，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)池南側(cè)有一根 110 kVA 電纜無(wú)法搬遷，且現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小。因此再回到 BIM 模型中進(jìn)行設(shè)備布局深化設(shè)計(jì)，最終將南側(cè)兩個(gè)調(diào)節(jié)池放入泥水干化系統(tǒng)箱變的下層，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，且布局更合理。如圖 7 所示。

圖 7 優(yōu)化后 BIM 模型

3.3 設(shè)備、管路碰撞與優(yōu)化

在完成設(shè)備模型并充分了解各設(shè)備的運(yùn)行機(jī)制以及原理后，進(jìn)行設(shè)備間的管路布設(shè)。利用 BIM 的三維技術(shù)在施工前期進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化空間設(shè)計(jì)，減少在施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和降低返工的可能性。同時(shí)，優(yōu)化管線排布方案并進(jìn)行相關(guān)設(shè)備管線的初步統(tǒng)計(jì)。最后，施工人員還可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線模型，進(jìn)行施工交底、施工模擬，提高施工質(zhì)量。

3.4 運(yùn)維管理系統(tǒng)搭建

3.4.1 維護(hù)保養(yǎng)臺(tái)賬無(wú)紙化管理功能

對(duì)泥漿干化系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)涉及的相關(guān)臺(tái)賬進(jìn)行整理，并討論明確本系統(tǒng)所需臺(tái)賬無(wú)紙化的范圍及最終所需查看的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)臺(tái)賬信息的統(tǒng)一管理及相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)表的實(shí)時(shí)查看，使管理層實(shí)時(shí)掌握泥漿干化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3.4.2 故障跟蹤管理功能

在系統(tǒng)上建立故障上報(bào)、維修處理、驗(yàn)收關(guān)閉的故障跟蹤處理流程，實(shí)現(xiàn)巡視人員發(fā)現(xiàn)故障能及時(shí)上報(bào)，維保人員能及時(shí)收到報(bào)修信息，處理結(jié)果能及時(shí)反饋，管理層能及時(shí)掌握故障處理的情況的目標(biāo)。同時(shí)可以對(duì)泥漿干化系統(tǒng)的故障率、供應(yīng)商的故障處理效率等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.4.3 主要工作內(nèi)容

（1）相關(guān)臺(tái)賬、統(tǒng)計(jì)報(bào)表收集與整理。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

（3）臺(tái)賬無(wú)紙化管理功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。

（4）故障跟蹤管理功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。

（5）其他功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。

（6）系統(tǒng)操作培訓(xùn)及后期服務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

建筑實(shí)體數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型是當(dāng)下工程施工的一大重點(diǎn)，在信息化已成為行業(yè)趨勢(shì)的今天，信息共享、人機(jī)交互、減負(fù)增效已普遍得到各工程行業(yè)人員的認(rèn)可。

該市政越江隧道工程通過 BIM 平臺(tái)開展泥漿干化系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)，不僅解決了工程中存在的實(shí)際問題，而且顯著提高了其工程實(shí)體的信息化模式，具有模型可視化高、數(shù)據(jù)自查性強(qiáng)、族庫(kù)模型復(fù)用性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)借助此泥漿干化BIM 系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工所產(chǎn)生的泥漿進(jìn)行精準(zhǔn)控制及管理，有效縮短了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的時(shí)間，為城市環(huán)境的優(yōu)化和保護(hù)做出了貢獻(xiàn)[2]。