BIM及信息化技術在黃土大斷面隧道施工中的應用研究

摘要：本研究以某隧道工程為研究對象，探討了BIM技術在黃土大斷面隧道建設中的應用。黃土地區隧道建設面臨著地質復雜、工程難度大的挑戰，而BIM技術作為一種集成的信息化工具，在設計、施工和運營階段提供全方位的支持和管理。通過建立三維模型和信息化系統，實現了施工過程的可視化和優化管理，從而提高了工程的效率和質量。這項研究對于黃土地區的隧道工程具有重要的指導意義，并為類似項目的規劃和實施提供了有益的經驗和啟示。

關鍵詞：BIM技術；信息化技術；黃土大斷面隧道；施工管理；三維模型設計；平臺構建

Research on the Application of BIM and Informatisation Technology in the Construction of Large-Section Tunnel in Loess

LIU Jianwen

（No. 1 Engineering Co.， Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co.， Ltd.， Beijing 102205， China）

Abstract： Taking a tunnel project as the research object， this study explores the application of BIM technology in the construction of loess large-section tunnels. The construction of tunnels in loess areas faces the challenges of complex geology and difficult engineering， while BIM technology， as an integrated information tool， provides all-round support and management in the design， construction and operation phases. Through the establishment of 3D models and informatisation systems， the visualisation and optimal management of the construction process is achieved， thereby improving the efficiency and quality of the project. This study is of great guiding significance for tunnelling projects in loess areas and provides useful experience and insights for the planning and implementation of similar projects.

Keywords： BIM technology; information technology; loess large section tunnel; construction management; 3D model design; platform construction

0 引言

隨著社會經濟的快速增長，建筑業的規模也實現了顯著的擴張。伴隨著城鄉融合的步伐日益加速，建筑業正面臨著巨大的成長機會。作為國民經濟支柱產業之一，建筑業對促進我國經濟水平和生活質量的提高有著重要意義。盡管建筑業呈現出旺盛的發展勢頭，但也伴隨著一系列問題。國內眾多建筑企業的興起引發了行業內的激烈競爭，同時也導致了中小型建筑企業在建造經驗、技術人員和管理模式上的不足，這進一步導致了成本上升和競爭力的減弱。另外由于市場競爭壓力增大，建筑施工單位為了擴大市場影響力和市場占有率，不得不降低工程施工成本，增加工程項目數量，而這就加大了工程成本投入與資金使用之間的矛盾。在面對這些挑戰時，建筑企業正集中研究如何增強施工管理的能力，精準地控制成本，從而盡可能地減少成本的浪費，并進一步提高項目的盈利能力[1]。

盡管建筑公司對BIM技術非常感興趣，但許多建筑公司仍在探索如何更高效地應用這一信息技術[2]。從目前情況看，有些建筑公司僅將BIM技術視為解決施工中技術難題的工具，并沒有將其廣泛應用于施工的各個階段[3]。因此，探討如何將BIM技術的特性與傳統的成本控制策略相融合，以提高項目在施工過程中的成本管理效率，已經成為建筑公司追求經濟回報和持續發展的核心議題。尤其是在黃土地區，BIM技術的應用顯得尤為必要。黃土具有高孔隙率、易坍塌等特性，給隧道施工帶來較大風險和挑戰[4]。通過BIM技術，可以對黃土大斷面隧道進行精確的三維建模和仿真，提前預測并規避潛在的地質災害風險。此外，BIM技術能夠實現全生命周期的工程信息管理，從設計、施工到維護的各個階段，為項目提供準確的數據信息支持。這不僅有助于優化施工方案、提高施工精度和效率，還能有效控制成本、保障施工安全。因此，BIM技術在黃土大斷面隧道建設中的應用，不僅是技術上的提升，更是確保工程質量和安全的關鍵手段。本研究以白鹿原隧道工程為背景，詳細描述了BIM技術在黃土隧道建設中的實際應用。

1 工程概況

本研究項目是基于陜西省西安市外環高速公路南段的白鹿原隧道控制性工程展開。這個控制性工程的白鹿原隧道全長為2772 m，全程都是V級圍巖，并且每個隧道的開挖斷面面積達到了192.3 m2。該隧道穿越了第四紀全新統黃土層及第四系覆蓋層。隧道的圍巖主要由黃土構成，這些黃土分布廣泛、厚度較大、土壤密度也相對較高。黃土具有較大的孔隙、較強的壓縮性、明顯的結構特征和顯著的水敏性，同時垂直裂縫也十分發達，通常處于非飽和狀態，容易受到大氣降雨的影響。由于施工方法及施工工藝不同等原因，導致部分黃土隧道出現滲漏現象。然而，大多數黃土隧道并不是位于單一的黃土地層中，土巖交界的地層也比較多，白鹿原隧道也不例外。除了黃土，還存在新近系泥巖和砂質泥巖，這些巖石的黏粒含量較高，干燥時會變得堅硬，遇水時會變軟，自然狀態下會變得堅硬，遇水、暴露容易裂解，是一種具有一定膨脹性的軟巖。隧道洞口段地質條件復雜，施工難度相對更大。隧道洞身段位于鯨魚溝的下方，溝內全年都有水。溝谷底部的地下水埋深較淺，大約為4.5 m～6 m。白鹿原隧址區的地下水主要是孔隙水，其補給主要受到大氣降水和地表水的影響。當大氣降雨量較大時，尤其是匯水面積較大時，需要對隧道數據進行實時監測，以預防意外情況的發生。

2 在黃土大斷面隧道中BIM模型的建立

2.1 BIM體系的建立

在隧道工程中，主要應用地形設計和隧道設計。其中，根據圖紙提供的高程點或實際測量的控制點編輯輸出為點文件，利用Civil 3D軟件進行地形模擬。同時，可以通過軟件設計出地質情況和巖土厚度信息，并體現隧道高程、坐標等信息。隧道模型在工程量統計、3D檢査路線情況、碰撞情況、技術交底及工程信息的整合等方面具有重要作用，能夠促進各部門和不同施工工期之間的協同合作。與此同時，在二維CAD圖紙中可能會出現一些無法避免的錯誤，而將其轉化為三維模型可以更直觀地發現節點問題，避免后續施工中造成無法挽回的錯誤，并實現早發現早處理，BIM體系見圖1。

2.2 BIM模型的建立及信息化系統的安裝

本次在白鹿原隧道采用了B/S框架。設計人員通過安裝在服務器上的軟件進行建模，并處理不同服務對象的任務。現場施工人員可以根據自己的需求從APP或瀏覽器提取所需信息，核心是數據上傳和管理集中，BIM技術人員可僅管理主服務器。

2.2.1 地形模型建立

1） 在白鹿原隧道工程中，建立三維模型分為兩步。首先是地形模型建立，通過測量人員對實際地況進行高程測量，并將其轉化為具有的點數據文本。其次，利用Civil 3D軟件的曲面編輯功能，將該區域的地形特征繪制成三維模型，同時，在生成的縱斷面圖中，根據已有的地質采樣和分析結果，通過復制創建實體結構來準確反映該區域的地質情況。這一過程能夠快速且清晰地展示包括巖石分類和后期回填洞門所需土石方量預估值等詳盡信息。

2） 根據圖紙上的隧道起始位置樁號進行所需三維模型，同時也是對圖紙進行二次校對的過程。在隧道洞口、洞頂排水溝和劫水溝位置相互交錯的情況下，能夠及時發現斷面圖與設計圖之間的矛盾，并未施工提供及時反饋和意見。地形模型見圖2。

2.2.2 隧道模型的建立

1）在建立隧道模型中使用以Bentley，Revit為基礎進行參數化建模，隧道模型見圖3。通過調整參數，可以改變不同截面襯砌類型。白鹿原隧道主要分為Sam，SV-1，SV-2，SV-3四種襯砌類型。參數化模型可更方便建立模型。構件族是建立隧道三維模型的基礎，在主要的構件族中分為：土建模型、錨桿、鋼拱架和鋼筋網等部分組成。其中土建模型又分為：超前支護、初期支護、二次襯砌、電纜溝槽、仰拱填充和中心排水溝六部分構件。

2） 在充分了解圖紙的基礎上，對隧道各構件

進行細化和復核。例如，在建立模型的過程中，提前統計二次襯砌里的消防箱洞的數據和位置，并制定隧道骨架，批量放置模型族，同時，在建立模型的過程中發現圖紙設計問題時，保證圖紙和模型一致。

3） 由于白鹿原隧道構件種類較多，隧道呈線性分布，通過調整參數簡化建立模型的復雜性，在自動化流程中使用 Dynamo通過節點放置模型來便捷地根據坐標點進行模型布置。在構件制作完成后，通過使用 Navisworks進行碰撞檢測，以驗證放置過程中是否存在由于數據有誤導致構件之間相互交錯碰撞。在導出報告錯誤文件時，建模人員可以根據文件中的錯誤進行細化模型，從而減少鋼筋加工場和施工隊伍因圖紙失誤而導致材料和人力浪費及構件返工，有效地規避了失誤，并節約了資源，使得模型達到零誤差、零失誤并與實際工程完全一致。

4） 當整體隧道構件信息完成后，模型可以導入Lumion，在個人電腦上創建與實際相似的虛擬場景。通過渲染技術實現電影般的效果，Lumion顯著縮短了制作時間并提升了建筑可視化效果。同時，還適用于VR設備的虛擬交互展現平臺，使施工人員能夠身臨其境地體驗整個項目的真實感受。

5） BIM貫穿于設計、施工和后期運維的各個階段。作為工程信息數據的集合平臺，BIM在施工中能夠指導施工，并且在運維階段能夠實現數據整合并隨時提供基于數據的信息互通，從而實現全生命周期的應用。

3 BIM及信息化技術在黃土大斷面隧道中的應用

3.1 多方案的對比

在進行多個方案比選時，利用BIM（建筑信息模型）技術可以顯著提升方案的可視化水平，特別是在復雜的工程項目如隧道開挖過程中。這種技術能夠通過直觀的三維模型展示，將每個施工方案的具體實施步驟和效果呈現出來，從而為工程師和決策者提供詳細的參考。在隧道開挖中，尤其是黃土大斷面工程，由于黃土具有易坍塌的特點，在設計和施工階段充分考慮這一不穩定因素顯得尤為重要。通過BIM模型的全方位施工模擬，可以提前發現潛在的施工風險，如坍塌、地層變形等問題，并制定相應的應對措施。施工模型見圖4。

BIM技術還使得多方案的對比變得更加透明和科學。通過模型，可以從經濟性、施工效率、安全性等多個角度對不同的施工方案進行評估。例如，可以比較不同開挖方法在實際施工中的表現，判斷哪種方法能夠最有效地減少土體擾動、提高施工速度、降低成本等。此外，通過可視化的比選過程，決策者可以更清楚地看到每個方案的優缺點，做出更加明智的選擇。最終，這種基于可視化和數據驅動的決策方法，不僅可以幫助選擇最合理的方案，還能在施工過程中提高安全性和工程質量，從而達到預期的施工效果和成本控制目標。

3.2 精細化模型

隧道施工涉及大量復雜的構件和細節，為了確保施工的順利進行和工程質量的提高，精細化建模是必不可少的。利用BIM技術中的參數化建模方法，可以大大節省隧道施工的時間和成本，同時直觀地體現出隧道構件的分布和結構特點。參數化建模通過預定義的規則和參數，快速生成不同類型的隧道構件模型，使得工程設計更加靈活和高效。此外，通過精細化的BIM模型，可以在施工前對構件的安裝、位置、尺寸等進行準確的模擬和驗證，減少施工過程中的調整和返工，進一步提高工程效率。

在精細化模型的基礎上，使用Navisworks等工具進行碰撞檢測，可以顯著提高施工的容錯率。這種方法通過模擬不同構件之間的空間關系，提前發現潛在的碰撞問題，并在施工前進行調整，避免施工中的誤差和失誤。例如，在隧道施工中，通過碰撞檢測，可以發現管線和隧道結構之間的沖突，從而在施工前進行優化調整。這種精細化的建模和檢測手段，不僅可以提高施工的準確性和效率，還能有效地降低施工風險，確保工程質量和安全。

3.3 三維GIS的運用

在隧道施工中，地質條件和地形情況是影響施工質量和安全的重要因素。尤其是在黃土地區，由于其高孔隙率和易坍塌的特點，對地形和地質情況的詳細了解顯得尤為重要。通過三維GIS技術，可以建立詳細的三維地形模型，為隧道施工提供精確的地形和地質數據支持。GIS平臺能夠數字化地模擬地質形態，將實際地形與工程設計有機結合，使得隧道施工更加符合實際地質條件。這不僅可以提高施工的全局性和宏觀性，還能在施工中更好地應對各種地質挑戰。

在實際應用中，利用GIS平臺可以進行精確的地形模擬，將實景拍攝的數據通過傾斜攝影技術處理后，疊加形成具有三維效果的地形模型。然后，將這些三維地形模型與BIM隧道模型結合，可以更真實地反映隧道施工環境。例如，在黃土地區的隧道施工中，通過三維GIS模型，可以提前預測隧道開挖可能引發的地表沉降和坍塌風險，從而采取有效的防范措施。這種技術的運用，不僅能夠提高施工的安全性和穩定性，還能優化施工方案，降低工程成本，確保項目按時按質完成。

3.4 VR實景模擬

在現代隧道施工中，施工工序的模擬推演和操作的安全性評估變得越來越重要。通過4D表達和VR（虛擬現實）技術，可以實現沉浸式的施工模擬，使工程人員在虛擬環境中體驗實際施工過程。這種技術不僅能夠模擬真實的施工場景，還可以對可能發生的安全隱患進行提前預警。例如，通過VR實景模擬，可以模擬隧道開挖中的土體坍塌、設備故障等緊急情況，從而在實際施工中做好充分的準備和應對策略。

VR實景模擬的另一個重要應用是對施工動作的優化和安全性分析。通過模擬施工人員的操作，可以發現并改進不合理的操作流程，減少施工中的危險行為，提高施工的安全性和效率。例如，在隧道內進行挖掘和支護作業時，通過VR模擬，可以直觀地看到施工人員的操作動作和設備的使用情況，判斷操作是否安全規范。這種模擬不僅可以提高施工人員的安全意識，還能通過不斷的演練和優化，提高整個工程項目的施工質量和安全管理水平。最終，VR技術的應用將大大提升隧道施工的整體安全性和效率，確保工程項目順利完成。

3.5 利用平臺解決各類報表及實時監控問題

1） 傳統的形象進度主要通過橫道圖進行每日、每周和每季的修改，而且每天技術員需要在文檔中編輯并逐層向上報送進度報表。然而，這種方式無法直觀地體現實際施工進展。通過平臺及時上傳每日施工進度，實現施工動態模擬，管理者可以直觀地查看工程模擬進度的三維模型，從而實現三維實時模擬。

2） 對于普通隧道的構件，主要由項目鋼筋加工場制作完成。隧道的鋼拱架，鎖腳錨桿、超前小導管等構件數量多，信息復雜。但是，每個構件長度，彎度和預留變形量都必須符合設計要求，并通過檢驗合格后質檢員粘貼二維碼。這樣做可以確保每個構件在全生命周期內得到維護，二維碼如同一個定位芯片，在預制、運輸和拼接等過程中層層把關，有效地保證質量并提高統計效率，全體施工管理人員APP平臺都能實現工地動態管理，以確保每個構件有跡可循。

3） 通過對比三維模型與設計圖紙，發現了圖紙存在的問題。在與業主和設計院進行溝通后，意識到這些問題不能及時傳達給一線施工人員。然而，引入隧道三維模型后，大大節省了一線施工人員重新識圖的時間，并提高了施工效率。同時，所有的圖紙都存儲在移動手機通訊設備中，方便查看。

4） 在施工過程中，由于各個部門每日報表繁多需要統計施工橫道圖、材料消耗報表及領取構件的領取單，傳統的紙質資料整理無法與其他部門共享信息。此外，在信息傳遞和匯報過程中可能因為記錄失誤導致數據的不真實。然而，通過平臺將各部門統一整理后，構件信息和施工信息實現了三維信息的互相傳遞，做到便于查看，并提高了信息的準確性、及時性和高效性，成為各部門互相監督的手段。

5） 基于BIM平臺發展的監控系統不僅能在模型上體現人員定位系統，還能準確了解每日進入隧道施工人員數量和進入隧道的構件人員信息，系統界面見圖5。同時，該平臺包含監控量測功能，可集合隧道拱頂沉降、拱頂偏壓和降雨量計算等信息。通過實時查看監控點的變化情況，并在突發情況下第一時間報警。在平臺的監控量測下，可以快速排查質量安全和人員隱患問題，并進行數據采集、及時整改回復表格及下載混凝土日進度報表等。

4 結語

白鹿原隧道工程采用BIM技術，結合三維模型設計、平臺構建和三維可視化技術，實現了對黃土層行為的仿真模擬，并提前制定應對方案，從而提高了工程的安全性和穩定性。同時，在施工過程中大幅降低了的風險。此外，該技術還允許初步審查復雜的細節或現場情況，進一步提升施工和操作人員的安全水平。基于綜合碰撞檢測分析，該工程能夠提前識別隧道的潛在侵陷問題并規劃合理施工流程以有效控制施工節點范圍。

參考文獻

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[4]羅斌.濕陷性黃土隧道加固技術研究[J].山東交通科技， 2023（6）：123-126.

編輯：劉 巖

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：劉建文（1989-），男，甘肅省張掖市人，助理工程師，主要從事隧道工程施工與管理。