姬付全，翟世鴻，王瀟瀟，陳富強，劉　毅

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，武漢　430040；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，武漢　430012)

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BIM輔助鐵路隧道施工方案可視化設(shè)計應(yīng)用

姬付全1，翟世鴻1，王瀟瀟2，陳富強1，劉毅1

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，武漢430040；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，武漢430012)

摘要：基于BIM技術(shù)的3D可視化設(shè)計環(huán)境和4D虛擬仿真環(huán)境，研究BIM輔助施工方案可視化設(shè)計和虛擬推演的方法和流程，以及施工方案的環(huán)境、結(jié)構(gòu)和施工設(shè)施等三維數(shù)字模型設(shè)計原則。針對鐵路隧道仰拱與仰拱填充施工特點，利用BIM輔助施工方案可視化設(shè)計，建立施工方案的三維數(shù)字模型，優(yōu)化設(shè)計仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝，模擬方案的施工過程。結(jié)果表明，BIM輔助鐵路隧道施工方案優(yōu)化設(shè)計，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；BIM輔助設(shè)計；施工方案；仰拱與仰拱填充；可視化設(shè)計；虛擬施工

1概述

隨著我國高速鐵路工程建設(shè)快速發(fā)展，尤其是鐵路隧道施工高標準化建設(shè)，傳統(tǒng)的隧道仰拱與仰拱填充施工工藝不能滿足隧道施工技術(shù)的發(fā)展，以及人們對仰拱混凝土外觀質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、線形控制、施工高效的需求。目前，在鐵路礦山法復合式襯砌隧道施工中，仰拱與仰拱填充多采用傳統(tǒng)的拼裝小模板的施工工藝，存在人工安裝費用高、設(shè)備工裝低、施工質(zhì)量低等問題，并且施工進度難以保障，嚴重影響工期，常常導致隧道掌子面開挖安全步距超標、影響防水板和二次襯砌等后續(xù)工序的結(jié)構(gòu)銜接質(zhì)量和進度等問題[1]。因此，仰拱與仰拱填充成為制約隧道高質(zhì)量快速施工的控制性工序。

BIM技術(shù)是以3D數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以三維模型的平、立、剖等視圖聯(lián)動設(shè)計方式，取代了傳統(tǒng)的單視圖線條式設(shè)計，以“所見即所得”的形式，把三維的設(shè)計思考變成可見的立體實物，提供真正的三維方案可視化設(shè)計環(huán)境[2，3]。利用BIM模型，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對方案進行全方位互動性的直觀展現(xiàn)，推敲方案的合理性，提供在4D虛擬仿真環(huán)境中展示方案的方法與流程[4，5]。

針對現(xiàn)狀問題，結(jié)合施工工序管理需求，利用BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性等手段，開展隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝設(shè)計，具有重要的探索應(yīng)用價值。

2基于BIM的施工方案設(shè)計原理

傳統(tǒng)的施工方案深化設(shè)計，是在二維的施工圖上想象構(gòu)思，利用以往的施工經(jīng)驗，主觀選擇施工方案的裝備、工藝等。但往往存在裝備選型不合適、工藝繁瑣或可行性差，以及簡單的“錯、漏、碰”等深化設(shè)計圖紙問題[6]。然而，BIM的3D可視化設(shè)計環(huán)境和4D虛擬仿真環(huán)境，為施工方案的裝備、工藝的設(shè)計優(yōu)化、可行性驗證提供了技術(shù)途徑。

實現(xiàn)施工方案的3D可視化和4D虛擬仿真的基礎(chǔ)，是建立能真實描述施工方案的三維數(shù)字模型[7，8]，包括環(huán)境模型、結(jié)構(gòu)模型和施工設(shè)施模型。其中，環(huán)境模型是施工方案的虛擬布置場地、前置及后置施工工序等環(huán)境影響因素。結(jié)構(gòu)模型是施工方案虛擬建造的工程結(jié)構(gòu)實體物。施工設(shè)施模型是施工方案采用的機械設(shè)備、模板、模具等作業(yè)設(shè)施，是BIM輔助施工方案設(shè)計的關(guān)鍵。依據(jù)模型構(gòu)件的施工動態(tài)邏輯關(guān)系，通過施工步序的時間任務(wù)項驅(qū)動模型構(gòu)件，表達施工方案的虛擬建造過程[9，10]。

利用Autodesk Revit、Navisworks軟件實現(xiàn)施工方案可視化設(shè)計[11]，具體方案如下：(1)通過Revit建立三維數(shù)字模型，每一構(gòu)件的屬性信息應(yīng)配置唯一的施工步序參數(shù)，導出NWC模型文件；(2)利用Excel編輯每一施工步序的時間任務(wù)項，具體包括任務(wù)名稱、任務(wù)類型、開始時間、結(jié)束時間、ID序列號等，導出CSV文件；(3)通過Navisworks導入NWC模型文件和CSV時間任務(wù)項數(shù)據(jù)源文件，利用一定的自動關(guān)聯(lián)規(guī)則，使得模型構(gòu)件與時間任務(wù)項一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，在Timeline虛擬仿真環(huán)境中進行時間任務(wù)項驅(qū)動模型的4D虛擬建造。圖1為基于BIM的施工方案可視化設(shè)計流程。

同時，在BIM的4D虛擬仿真環(huán)境中，可以進行實時交互的過程模擬，虛擬推演施工方案的過程，動態(tài)檢查方案可行性以及存在的問題，優(yōu)化施工裝備、工藝等[12]。圖2為基于BIM的施工方案優(yōu)化流程。

圖1　基于BIM的施工方案可視化設(shè)計流程

圖2　基于BIM的施工方案優(yōu)化流程

33D模型協(xié)同設(shè)計

模型協(xié)同設(shè)計原則：首先根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境條件，建立環(huán)境模型，形成虛擬真實的設(shè)計環(huán)境。然后建立結(jié)構(gòu)模型，將未施工的結(jié)構(gòu)物對象預設(shè)在已有的施工環(huán)境中。最后在環(huán)境模型的作業(yè)空間允許界限內(nèi)，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型的施工需要，在同一設(shè)計環(huán)境中，進行施工設(shè)施模型的可視化設(shè)計和虛擬仿真優(yōu)化，從而實現(xiàn)施工方案的模型協(xié)同設(shè)計效果。

為了實現(xiàn)隧道仰拱與仰拱填充施工方案設(shè)計和可視化展示，需要利用Autodesk Revit軟件建立以下3個模型：環(huán)境模型包括隧道初期支護、前方拱底土石方；結(jié)構(gòu)模型包括仰拱、仰拱填充；施工設(shè)施模型為仰拱與仰拱填充快速施工臺車。

3.1環(huán)境模型

隧道初期支護、前方拱底土石方開挖，為仰拱與仰拱填充施工方案的前置施工工序。根據(jù)施工圖Ⅲ級圍巖Ⅲb型襯砌斷面，考慮施工工序劃分原則，建立隧道初期支護與拱底土石方模型，如圖3所示。需要注意的是，初期支護模型只需具有靜態(tài)的施工環(huán)境布置特征，不參與施工方案虛擬推演過程。而拱底土石方模型，需要反映出動態(tài)開挖的過程，要賦予施工步序參數(shù)，構(gòu)件的建模精度采用沿隧道軸向6 m一段的劃分原則。

圖3　隧道初期支護與拱底土石方模型

3.2結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)施工圖Ⅲ級圍巖Ⅲb型襯砌斷面，考慮施工工序劃分原則，建立隧道仰拱與仰拱填充模型，如圖4所示。其中，仰拱的矮邊墻高出填充面300 mm，仰拱填充預留中心蓋板溝，仰拱采用C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，兩者相對獨立澆筑。模型構(gòu)件賦予施工步序參數(shù)，建模精度采用沿隧道軸向6 m一段的劃分原則。

圖4　隧道仰拱與仰拱填充模型

3.3施工設(shè)施模型

隧道仰拱與仰拱填充施工方案的施工設(shè)施模型，是指仰拱與仰拱填充快速施工臺車(簡稱仰拱臺車)設(shè)計，主要包括模板系統(tǒng)與行走系統(tǒng)兩部分設(shè)備。由翻轉(zhuǎn)組合式仰拱模板、端頭模板、中心水溝模板構(gòu)成的整體式模板系統(tǒng)；由一對自行式桁架梁組成的獨立行走系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5　仰拱臺車模型

仰拱模板設(shè)計為左右兩幅翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，模板沿隧道軸向的長度為6 m，由固定部分(與剛性骨架剛接)和活動部分鉸接組成，安裝、定位、拆除操作簡便快捷，尤其減少了固定部分鋼板本身變形損傷，可很好地保證仰拱矮邊墻線形控制。

端頭模板由鋼板和型鋼梁組成，與仰拱模板和中心水溝模板活動連接，同時在移動運載模架系統(tǒng)時，使模板系統(tǒng)形成為一個整體，定位準確，移動就位快捷。

獨立行走系統(tǒng)的動力設(shè)備包括電葫蘆和卷揚機(固定在后支座上)，由1對桁架梁為模架系統(tǒng)提供滑行軌道。

44D虛擬施工

4.1建立虛擬仿真環(huán)境

通過Autodesk Navisworks導入模型NWC文件，得到虛擬仿真環(huán)境下的模型。利用Timeliner模塊添加施工步序時間任務(wù)項數(shù)據(jù)源CSV文件，生成虛擬環(huán)境下的時間任務(wù)項，并使用規(guī)則自動附著于模型，使得每一施工步序的時間任務(wù)項與模型構(gòu)件一一對應(yīng)。模型賦予時間屬性后，生成虛擬仿真環(huán)境下由時間驅(qū)動的4D動態(tài)模型，從而可進行施工方案的虛擬推演。

4.24D施工方案演示(圖6)

隧道仰拱與仰拱填充施工方案的施工步序模擬過程，具體如下：

(1)測量放樣，模架系統(tǒng)就位(圖6(a)、圖6(g))；

(2)卷揚機驅(qū)動桁架梁向前行走至下一循環(huán)位置；澆筑仰拱混凝土(圖6(b))；

(3)手葫蘆起吊、上翻仰拱壓?；顒影?圖6(c))；

(4)澆筑仰拱填充(圖6(d))；

(5)電葫蘆起吊端頭梁、整體模架向前滑移6 m，前方隧底砟石開挖(圖6(e))；

(6)電葫蘆下放端頭梁，手葫蘆下翻仰拱壓?；顒影?圖6(f))。

圖6　施工方案演示

4.3效果評價

仰拱模板設(shè)計為翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，由固定部分和活動部分鉸接組成，實現(xiàn)仰拱與仰拱填充連續(xù)循環(huán)澆筑，保證仰拱矮邊墻澆筑質(zhì)量和線形控制。端頭模板依據(jù)仰拱與仰拱填充的結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計，模板底與仰拱中埋式止水帶位置、形狀一致，便于固定中埋式止水帶，模板頂與仰拱填充面高程一致，可控制仰拱填充澆筑高程。

利用端頭模架固定仰拱模架和中心水溝模架，組成可拆卸式整體模板系統(tǒng)，依托獨立的機械動力行走設(shè)備，一次快速循環(huán)移動、精確定位，縮短支模時間，避免人工操作誤差，保證洞內(nèi)交通。仰拱作業(yè)面分為兩個作業(yè)區(qū)流水施工，一是仰拱底部開挖(必要時綁扎仰拱鋼筋)作業(yè)區(qū)，二是仰拱與仰拱填充連續(xù)澆筑作業(yè)區(qū)，大大縮短了循環(huán)作業(yè)時間。

5結(jié)論

(1)利用BIM技術(shù)的3D可視化設(shè)計環(huán)境和4D虛擬仿真環(huán)境，建立了BIM輔助施工方案可視化設(shè)計和虛擬推演的方法和流程。

(2)BIM輔助施工方案的三維數(shù)字模型設(shè)計，包括環(huán)境模型、結(jié)構(gòu)模型和施工設(shè)施模型。利用BIM模型，通過4D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對施工方案進行全方位互動性的直觀展現(xiàn)，優(yōu)化施工方案的合理性。

(3)BIM輔助鐵路隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝可視化設(shè)計，效果顯著。BIM輔助設(shè)計的仰拱臺車能夠很好應(yīng)用于實際施工，對BIM技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]馮國春，鄧志剛.鐵路客專隧道簡易仰拱移動模架施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2011，31(2):262-264.

[2]黃亞斌.BIM技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用實現(xiàn)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4):71-78.

[3]逯宗田.鐵路設(shè)計應(yīng)用BIM的思考[J].鐵道標準設(shè)計，2013(6):140-143.

[4]張建平，李丁，林佳瑞，顏鋼文.BIM在工程施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2012，41(16):10-17.

[5]盧祝清.BIM在鐵路建設(shè)項目中的應(yīng)用分析[J].鐵道標準設(shè)計，2011(10):4-7.

[6]戴林發(fā)寶.隧道工程BIM應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題綜述[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(10):99-102.

[7]陶敬華，遠方，賈瑛.建筑信息模型(BIM)在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(1):21-25.

[8]高永剛，李光金.基于BIM可視化技術(shù)在杭州東站中的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4):55-58.

[9]李寧.基于BIM與IFC的混凝土壩施工仿真信息模型構(gòu)建方法研究[D].天津:天津大學，2012.

[10]苗倩.BIM技術(shù)在水利水電工程可視化仿真中的應(yīng)用[J].水電能源科學，2012，30(10):139-142.

[11]何關(guān)培.BIM和BIM相關(guān)軟件[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4):110-117.

[12]張為和.基于BIM的夜郎河雙線特大橋施工應(yīng)用方案研究[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(3):82-86.

Application of BIM-aided Visual Design in Railway Tunnel Construction Scheme

JI Fu-quan1， ZHAI Shi-hong1， WANG Xiao-xiao2， CHEN Fu-qiang1， LIU Yi1

(1.Technical Center of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430040，China; 2.No.5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430012， China)

Abstract：The visual design of construction scheme and virtual deduction method and process are studied based on BIM-aided three-dimensional and four-dimensional virtual simulation， and the design principles for 3D digital models of the environment， structure and facilities related to the construction scheme are also addressed. Then， 3D digital model of the construction scheme is established， the equipment and process for rapid construction of inverted arch and filling are optimized and the work progress is simulated. The results show that BIM-aided design is effective in optimizing the design of railway tunnel construction scheme.

Key words：Railway tunnel; BIM-aided design; Construction scheme; Inverted arch and filling; Visual design; Virtual construction

文章編號：1004-2954(2016)05-0108-04

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-09-25

作者簡介：姬付全(1987—)，男，工程師，2012年畢業(yè)于東南大學，工學碩士，E-mail：573036415@qq.com。

中圖分類號：U452

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.023