BIM技術在隧道施工中的應用研究

針對某地鐵隧道建設項目的特點與難點，通過對BIM技術進行借鑒以及創新應用，探索其在施工階段的BIM應用點。同時，對BIM的應用點情況進行了整理與總結。

BIM技術； 盾構隧道； 建筑信息模型； 施工階段； 管片

TP391.99A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-02

［作者簡介］呂文杰（1997—），男，本科，助理工程師，主要從事土木工程、BIM工程工作。

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Symbol`@@"" 工程概況

1.1" 項目簡介

以某地鐵隧道施工項目為例，本區間右線采用2段曲線，曲線半徑分別為600 m、1 300 m。左線采用2段曲線，半徑分別為600 m、1 300 m。線路中心線間距為13～14 m。區間縱斷面成節能坡，線路出中山公園站以2‰坡度上升，然后以23‰坡度下降，再以5.06‰坡度下降，到達最低點后，27.03‰坡度上升，最后走平坡至南門站。區間隧道縱坡呈“V”型，最大縱坡為27.03‰，最小縱坡為2‰。隧道埋深為4.8～21.4 m。中山公園站—南門站區間右線起終點里程為YJXDK3+690.379—YJXCK5+218.427，右線長1 528.048 m；左線起終點里程ZJXDK3+690.379—ZJXCK5+218.427，短鏈5.022 m，左線長1 523.026 m，左右線全長3 051.074 m。

本區間于YJXCK4+623.070設置一處聯絡通道，在YJXCK4+213.000設置一處聯絡通道兼廢水泵房。區間主要穿越②2粉土、②3淤泥質粉質黏土、②4粉質黏土、⑥1粉質黏土、⑥2黏土、⑥3t粉砂、⑥4粉質黏土層。

1.2" 工程特點及難點

本工程的關鍵工期條件很緊，必須統籌計劃、協調布置，并嚴格控制工程施工進度。盾構區間設計時速為120 km/h，管片直徑為6.7 m，為大直徑盾構區間。

本項目關鍵工期要求較緊，施工前要統籌策劃、協調安排，嚴各把控項目施工進度。地質條件復雜，穿越土層較多，盾構掘進穿越無基礎或者淺基礎房屋、河流及高大建筑物，區間掘進困難。

2" BIM組織與應用環境

2.1" BIM應用目標

按照本工程建筑的特點，通過借鑒BIM技術以及在原BIM技術基礎上進行創新后再次應用。本項目全部BIM成果必須是以服務現場施工為前提，力求通過三維場地布置、可視化交底、工程量計算、管理平臺等BIM應用，在施工前解決圖紙中的問題，優化施工流程，加強施工進度管理，提升施工中的質量及安全，達到云管理、降低成本提升經濟和效益為目的。其次，將本工程的BIM應用技術進行推廣的目的，響應國家及公司對發展BIM技術應用的號召。實現信息化管理、提高項目建設的管控能力。

2.2" 軟硬件環境

本工程BIM技術的開展主要以Revit的主要建模軟件，以Dynamo插件、構件塢族庫等為輔助的形式，解決參數化建模及場地布置等問題。保證建立達到施工過程中BIM指導施工的應用標準以及到后期竣工需要交付模型的標準來完成建模。為滿足BIM應用需要，小組同時利用NavisWorks、3DMax、廣聯達云BIM土建計量平臺等多種軟件實現BIM技術在施工中的應用及協同工作。BIM工作組配有性能較高的臺式電腦、DJI無人機等硬件設備，用以保證項目BIM技術的開展與應用工作。

3" BIM建模及技術應用

3.1" BIM隧道模型

本項目模型建立基本數據設定為外徑6 700 mm，內徑6 000 mm，建筑限界5 700 mm，襯砌厚度350 mm，每環寬為1 200 mm，楔形量（雙面楔形）54 mm的大直徑盾構隧道模型。每環管片由一個封頂快（KZ），兩個鄰接塊（L1Z、L2Z）和三個標準塊（B1Z、B2Z、B3Z）組成，拼裝點位為封頂快左偏22.5°和右偏22.5°。在建立本模型時，應考慮管片的整體切割方式，保證各類型的盾構管片能夠滿足隧道結構的實際變化。

在建立模型的時候，必須嚴格按照設計參數進行建模。使用Revit軟件對隧道的通用管片模型進行建模，依次建立可以有效解決建模時的曲面、復雜孔洞等問題。并根據不同的情況用于不同的隧道管片模型。如圖1所示，分別使用自適應方式創建KZ（封頂快）、L1Z（鄰接塊）、B1Z（標準塊）管片族、聯絡通道族庫。并通過嵌套方式形成管片構件，如圖2所示。自適應管片族庫可根據區間設計曲線的坐標，適應不同斷面尺寸和變坡點，自動形成閉環。建立完成的管片族庫模型，可以通過改變模型參數，快速更改模型直徑、角度、厚度等。參數化建模有效增加了隧道管片模型的適用性，并滿足管片錯峰拼裝的設計要求，以及逐步完善企業BIM構件族庫。

隧道管片族庫分為直線環、左轉彎環及右轉彎環，其中每種管片分為淺埋、中埋、深埋、超深埋。區間隧道橫斷面圖及總平面圖可以推導出不同楔形量的管片。依據隧道中心線的弧度確認使用直線環或者轉彎環。依據隧道兩端里程，確認隧道管片數量。按照區間平縱斷面圖信息，在Excel表格中錄入環號、方向、管片類型、實際里程、坐標等信息。并在Dynamo二次開發程序中導入Excel數據參數，并按照設定好的表格名稱自動獲取相關參數信息。最后通過Revit導入總平面圖上的隧道中心線點作為本次盾構管片組裝的線路曲線，通過Dynamo拾取隧道空間曲線，關聯Excel表格，確認隧道管片組合形式，達到自動生成隧道模型的目的。Dynamo運行頁面如圖3所示，生成隧道如圖4所示。

3.2" BIM隧道模型

3.2.1" 施工場地布置

本工程施工作業面廣，交叉作業較多，施工區域環境復雜，所以給施工現場的場地布置帶來了一定困難。怎么去布置好場地，讓其更好地去服務于施工生產，變成了前期施工地一大重難點。項目BIM小組充分利用BIM技術，對施工場地進行優化、協調管理，并檢驗建筑施工現場布置的合理性。模擬完成現場由土建施工階段到盾構施工階段現場的布置轉變。在施工各階段結合紅線范圍內原有道路，將各個場地模塊在BIM模型中進行合理的劃分，例如，對臨時建筑物、臨時鋪設道路、材料放置堆場、加工廠、設備機械、臨水臨電等布置進行合理的劃分。同時，結合BIM施工模擬技術，對整改施工階段的場地布置進行動態的調整，做到有的放矢，按照重復利用的原則，最大限度地避免臨建設施的反復搭拆，將資源的利用率提到最高。場地優化如圖5所示。

巖土工程與地下工程呂文杰， 康鵬程， 樊獻友： BIM技術在隧道施工中的應用研究

3.2.2" 施工模擬及可視化交底

為了讓BIM技術更好的幫助前線施工人員對施工方案、交底內容，以及對圖紙和關鍵工序直觀的理解，運用既有的BIM模型對盾構吊裝、盾構推進等重要工序進行施工模擬，促進施工人員融入現場，提高對施工工藝的認識與理解，降低理解偏差造成的損失及安全質量隱患，更好地指導施工。

對于關鍵施工工序提前使用Revit建立BIM模型，并使用3DMax進行深化渲染后對現場施工進行動畫及漫游展示，模型建立的比例按照圖紙要求1∶1進行建模，確保施工效果與模型完全一致以達到可視化技術交底的效果。要在施工前期作好模擬施工并確認方案和圖紙的可行性，使之盡量減少重復施工，達到隨時優化施工方法，隨時對資源的合理配置進行調整。另外通過對工程施工的流程進行動態仿真模擬，可以更好地去查看建設項目的實際施工進度，從而加強對于在建工程的主動管理，并且通過BIM技術的自動比較與分析項目規劃時間和實際進度之間的偏差，從而隨時的調整施工方案，以提高建設項目的順利進行。

3.2.3" BIM管理平臺

如圖6所示，本工程項目利用BIM管理平臺統一對現場的施工安全、施工質量、施工進度、施工成本、工序資料等進行綜合管理，利用某BIM管理平臺，將模型與進度計劃、生產產值等信息一一關聯，進行可視化進度跟蹤、工程量統計等。對存在安全問題的進行跟蹤管理。同時在裝配式工程中應用二維碼技術，對構件每一流程做到追根溯源。

（1）BIM+進度管理：由于該施工合同的工期較緊，任務相對較重，且施工過程中節點考核多，為保證工程順利履 約，項目BIM小組利用BIM管理平臺將進度計劃、任務責任人等信息在Excel中匯總成構件編碼與WBS編碼，并將Excel中匯總信息與BIM模型相結合，將施工進度與計劃進度協同管理，形成形象進度，每日更新施工進度，作到及時反饋現場施工進度偏差，并對工期節點進行預警，并實施考核，促進現場施工效率的提高。

（2）BIM+質量、安全管理：利用BIM管理平臺，對工程質量、安全進行線上協同管理，問題發現人將現場發現的質量、安全問題手機移動端或PC端進行平臺上傳，同時與BIM管理平臺內的BIM模型關聯定位，隨后編輯安全質量問題、照片及整改要求限定整改期限及整改責任人，最終在線上下發整改通知，由整改責任人進行反饋相關整改信息，以實現搞笑協同管理。

（3）BIM+工程監測管理：工程監測管理是保證工程順利進行的重要措施，安全事故是在給施工敲響警鐘，傳統的監測管理耗費大量的資源，取得的效果卻不盡人意。如圖7所示，通過使用BIM技術將工程監測預警數據等導入平臺與BIM模型進行結合，形成綜合性的管理。以便于節約成本、提高管理效率，降低工程風險。

（4）BIM+裝配式管理：在裝配式中對設計、生產、運輸、安裝、驗收進行全過程應用。利用某BIM管理平臺的裝配式管理子系統，實現生產、運輸、施工、移交全過程的參與方協同管控。通過將裝配式生產施工空間時序編碼體系與BIM模型結合，將管片生產施工信息整理成Excel表格與BIM模型相關聯，使之能直接通過BIM模型溯源到每一批次生產、施工的構件履歷。并且通過履職清單和BIM裝配式應用結合，實現裝配式在生產過程中的責任認定、履職檢查。并通過使用BIM管理平臺將模型構件信息制作生成二維碼，在構件生產完成時及時粘貼在構件上，在生產、運輸、施工階段，通過二維碼去集成更多信息，實現構配件的生產信息、運輸的物流信息、施工的拼裝信息與設計信息的相結合，并集成于二維碼上。使每個構件均擁有自己的獨立信息，提高對構件的資料、溯源信息等方面的管理，實現工程質量信息的公開化，作到隨時隨地都能調取構件檔案的應用，作到最大限度提升材料及施工的管控水平。

（5）BIM+風險源：如圖8所示，通過自主研發插件，將現場勘察所得的各類信息導入模型，建立區間地質模型及盾構穿越周邊構件物模型，依托某BIM平臺將實現數據與BIM模型的聯動與更新，將盾構穿越的實時情況、風險源等級清晰地表現在模型上。

4" 項目應用效果

建立BIM模型，等同于工程預先施工，模擬工程中所遇到各類問題，在事先解決，將圖紙會審前被忽略的小問題提前發現并解決。基于BIM的三維空間場地布置模型、隧道模型等可以更加直觀地對施工人員進行相關交底，并通過BIM技術在本項目施工階段的應用，在工期、成本、安全、質量及各方協調管理方面都取得了良好的效果，提升了工作效率也節約了施工成本。基于BIM平臺的管理模式，保障了項目的順利施工，對構件信息、方案、安全質量問題的調閱、存放以及竣工的交付提供了一定的便利。同時，BIM技術在改工程中的運用理念、管理方法、以及思維模式等方面的實踐，為下一個施工項目積累了寶貴經驗。

5" 結束語

通過在隧道施工中的BIM技術應用，施工順利進行，節約了管理成本。通過本次工程的應用，掌握了大量的施工數據、BIM族庫、信息庫等。也為后期類似的工程施工提供了參考依據。盡管本工程在BIM技術的應用上取得了較好的成果，但是在應用過程中，還是存在一些問題需要改正的，例如：①項目在應用BIM技術上全員參與不足；②公司未統一建立BIM模型族庫及統一模型建模標準；③項目BIM應用軟件不統一，制度不完善。綜上所述，目前對BIM技術的研究仍是冰山一角，BIM技術在土木建筑領域還需深入發展研究。同時，還有一種觀點認為，建立BIM模型的過程需要耗費更多的人力物力，卻無法帶來足夠的效益，這也是BIM始終得不到良好發展的重要原因。

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