陳卓，陳強(qiáng)，譚林彪，鄒坤秘，劉少龍，劉義

（1.中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都 610000；2.成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

成都地鐵首條線路1號(hào)線于2010年9月27日正式開(kāi)通，使成都成為中國(guó)大陸第10個(gè)擁有城市軌道交通的城市。據(jù)2018年12月26日成都地鐵官方網(wǎng)站顯示，成都地鐵共開(kāi)通6 條線路，線路總長(zhǎng)226.017 km，均采用地鐵系統(tǒng)，共計(jì)156座車站投入運(yùn)營(yíng)，14座換乘站。

截至2018年12月，成都地鐵在建線路共有8條，共計(jì)里程321.46 km，預(yù)計(jì)2020年底前全部通車，開(kāi)通里程達(dá)到515.72 km。其中成都地鐵8號(hào)線一期工程土建1標(biāo)項(xiàng)目位于成都市雙流地區(qū)，標(biāo)段內(nèi)盾構(gòu)區(qū)間隧道包括蓮花站—文星站、文星站—川大江安校區(qū)站、川大江安校區(qū)站—珠江路站、珠江路站—順風(fēng)站，共計(jì)4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間、16個(gè)洞門、7個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。珠江路站—順風(fēng)站盾構(gòu)區(qū)間里程范圍ZK23+188.698—ZK24+382.026；上行線區(qū)間長(zhǎng)度1 218.666 m，下行線區(qū)間長(zhǎng)度1 194.859 m。區(qū)間最小曲線半徑400 m，最大縱坡為24‰，區(qū)間隧道埋深為10.47～19.30 m。成都地鐵8號(hào)線工程建設(shè)模型見(jiàn)圖1。

圖1 成都地鐵8號(hào)線建設(shè)模型

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

8號(hào)線一期工程特點(diǎn)突出，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中會(huì)遇到復(fù)雜多變的地形結(jié)構(gòu)，其中，隧道穿過(guò)的主要地層結(jié)構(gòu)包括砂卵石、淤泥質(zhì)黏土、中密卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖等地層結(jié)構(gòu)；同時(shí)還途經(jīng)工廠、酒店、管道管線、鬧市區(qū)、河流等地形建筑，這都對(duì)隧道建設(shè)提出了嚴(yán)格要求［1］。

該工程的實(shí)施具有一定風(fēng)險(xiǎn)，主要體現(xiàn)在：付出了一定人力、資金和時(shí)間，在一定條件和時(shí)期內(nèi)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，或產(chǎn)生了消極影響。具體風(fēng)險(xiǎn)分析如下：

（1）基于BIM 的盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要BIM 咨詢單位和盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控提供商進(jìn)行接口對(duì)接完成，協(xié)調(diào)溝通難度大，系統(tǒng)對(duì)硬件系統(tǒng)要求高。

（2）施工難度大、質(zhì)量控制要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大，需要借助信息化手段，施工部門輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的施工組織策劃、隧道監(jiān)測(cè)與人員定位，以保障作業(yè)安全和施工順利進(jìn)行，所以空間布置及項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作量大。

2 BIM應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

（1）BIM技術(shù)的可視化程度高，某種程度上是實(shí)際工程的具體展現(xiàn)，根據(jù)BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模型進(jìn)行實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地布置、人員配置，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，為具體的施工方案提供可視化演示［2］，優(yōu)化施工方案。

（2）由于隧道建設(shè)與圍巖地質(zhì)條件息息相關(guān)的特殊性，因而在此BIM 項(xiàng)目中，采用根據(jù)勘測(cè)信息完成的地質(zhì)模型與隧道主體模型相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)掌控掌子面周邊范圍內(nèi)的圍巖地質(zhì)條件、埋深等情況，為施工方案的確定提供可靠的依據(jù)，同時(shí)增加施工的安全性，增加未知因素的可控性［3-4］。同時(shí)，參數(shù)化隧道模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可增加工程量統(tǒng)計(jì)、成本分析、預(yù)算的準(zhǔn)確性，減少數(shù)據(jù)偶然性引起的偏差，提高工作效率。

（3）本項(xiàng)目實(shí)施的目的是利用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)成都地鐵8 號(hào)線1 標(biāo)一分部盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工的工程結(jié)構(gòu)和施工主要機(jī)具及臨時(shí)場(chǎng)地布置三維可視化［5］、關(guān)鍵工序施工仿真、施工作業(yè)指導(dǎo)、單工程施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和計(jì)劃進(jìn)度管理的能力，促進(jìn)地鐵盾構(gòu)施工管理方式的轉(zhuǎn)變，提高施工管理數(shù)字化水平。

2.2 團(tuán)隊(duì)組織

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，乙方（成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，簡(jiǎn)稱希盟科技）項(xiàng)目小組是實(shí)施本項(xiàng)目的直接執(zhí)行人，負(fù)責(zé)項(xiàng)目具體的實(shí)施工作；甲方（中鐵二局工程有限公司城通分公司）項(xiàng)目小組為實(shí)施本次項(xiàng)目提供必要的資源保障，按時(shí)準(zhǔn)備項(xiàng)目執(zhí)行所需的軟硬件、網(wǎng)絡(luò)、辦公環(huán)境，以及跟蹤與解決和軟硬件有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)提供對(duì)文件、管理人員、用戶、系統(tǒng)環(huán)境和其他資源上的配合與協(xié)調(diào)。形成了以項(xiàng)目決策委員會(huì)為核心，以項(xiàng)目經(jīng)理為項(xiàng)目實(shí)施的組織者，以BIM咨詢顧問(wèn)、BIM服務(wù)工程師、配置工程師、開(kāi)發(fā)工程師、關(guān)鍵用戶、現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理、工程人員、BIM管理員為項(xiàng)目實(shí)施者的3層體系結(jié)構(gòu)，為項(xiàng)目合理有效實(shí)施提供保障［6］。BIM技術(shù)小組組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.3 軟硬件環(huán)境

（1）硬件環(huán)境：硬件由模型工作站、盾構(gòu)監(jiān)控服務(wù)器、VR 系統(tǒng)服務(wù)器、VR 頭盔構(gòu)成，各硬件所需的CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤(pán)等配件具體參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）軟件環(huán)境：軟件由BIM 建模軟件、模型處理軟件、BIM 3D引擎、動(dòng)畫(huà)制作軟件、VR 3D引擎構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)以上功能的各種軟件具體型號(hào)見(jiàn)表2。

表2 軟件配置及型號(hào)

3 BIM應(yīng)用與設(shè)計(jì)

3.1 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

3.1.1 模型構(gòu)建

（1）地質(zhì)模型構(gòu)建。工作內(nèi)容包含構(gòu)建8號(hào)線一期工程中所涉及的4個(gè)區(qū)間全部地層信息的地質(zhì)模型。相關(guān)地質(zhì)模型構(gòu)建見(jiàn)圖3。

圖3 地質(zhì)模型示例

（2）臨建BIM 模型構(gòu)建。8 號(hào)線一期工程施工場(chǎng)地臨建BIM 模型，用于反映施工場(chǎng)地布置和臨時(shí)建筑規(guī)劃、場(chǎng)地周邊交通疏導(dǎo)方案。主要模型結(jié)構(gòu)類型包括場(chǎng)地內(nèi)外交通及主要結(jié)構(gòu)。相關(guān)臨建模型見(jiàn)圖4、圖5。另有工作內(nèi)容包含施工場(chǎng)地及周邊臨建的模型構(gòu)建，主要內(nèi)容見(jiàn)表3。

圖4 項(xiàng)目部場(chǎng)地臨建BIM模型

圖5 施工場(chǎng)地臨建BIM模型

（3）線路區(qū)間模型構(gòu)建。8 號(hào)線一期工程包含4個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間主要信息見(jiàn)表4。

線路區(qū)間除按照施工方法區(qū)分各區(qū)間段外，整體展示區(qū)間線路走向及相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)分層和與市政管網(wǎng)、下穿構(gòu)筑物的位置關(guān)系，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)展現(xiàn)隧道掘進(jìn)進(jìn)尺、隧道管片。

（4）下穿建/構(gòu)筑物模型構(gòu)建。下穿構(gòu)筑物BIM 模型，用于建立與主體工程相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)筑物、地表建筑物的關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，用于反映與主體工程間的位置關(guān)系和重要距離參數(shù)（見(jiàn)表5）。

表3 臨建BIM模型清單

表4 盾構(gòu)區(qū)間信息

（5）大型設(shè)備模型構(gòu)建及設(shè)備模型庫(kù)管理。搭建的大型施工設(shè)備主要為盾構(gòu)機(jī)模型、自卸車等，用于反映在施工掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)位置及渣土在施工場(chǎng)地的運(yùn)輸方案；將各類設(shè)備進(jìn)行分類管理，建立設(shè)備模型庫(kù)。

表5 主工程相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵建/構(gòu)筑物清單

3.1.2 盾構(gòu)機(jī)模型

盾構(gòu)機(jī)是一種使用盾構(gòu)法的隧道掘進(jìn)機(jī)，其相關(guān)BIM模型見(jiàn)圖6。

圖6 盾構(gòu)機(jī)模型

3.2 BIM高級(jí)應(yīng)用

3.2.1 VR虛擬駕駛艙重點(diǎn)場(chǎng)景仿真

（1）用VR 虛擬駕駛盾構(gòu)機(jī)模擬盾構(gòu)機(jī)參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致噴涌的場(chǎng)景（見(jiàn)圖7）。

（2）用VR 虛擬駕駛盾構(gòu)機(jī)模擬盾構(gòu)機(jī)下穿關(guān)鍵建筑物，由于進(jìn)度及參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致建筑沉降變形（見(jiàn)圖8）。

3.2.2 基于BIM的施工進(jìn)度管理

在基于BIM的施工進(jìn)度管理方面實(shí)現(xiàn)了以下功能：

圖7 VR虛擬駕駛盾構(gòu)機(jī)模擬

圖8 VR場(chǎng)景下建筑沉降變形模擬

（1）結(jié)合BIM 模型的工程進(jìn)度管理，能夠支持施工相關(guān)計(jì)劃的建立與管理［6-8］。通過(guò)工程進(jìn)度計(jì)劃與施工工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)（WBS 結(jié)構(gòu)與EBS 結(jié)構(gòu)手動(dòng)掛階，或Project 計(jì)劃中字段映射關(guān)聯(lián)并導(dǎo)入），施工工程結(jié)構(gòu)EBS與BIM模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，達(dá)到工程進(jìn)度計(jì)劃和BIM模型的直接關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)施工計(jì)劃的三維動(dòng)態(tài)模擬。

（2）按進(jìn)度計(jì)劃模擬BIM 模型實(shí)時(shí)比對(duì)，隨時(shí)校核進(jìn)度偏差，加強(qiáng)工程管控。開(kāi)放可查看歷史版本的計(jì)劃、數(shù)據(jù)源的錄入、當(dāng)前計(jì)劃和歷史計(jì)劃的模型模擬動(dòng)畫(huà)展示、計(jì)劃手動(dòng)關(guān)聯(lián)模型功能。

（3）依據(jù)施工計(jì)劃和施工日志的對(duì)比［9-12］，將工程各專業(yè)劃分為不同施工分區(qū)，管理人員可按照施工計(jì)劃角度，進(jìn)行任務(wù)完成情況分析，展示工區(qū)進(jìn)度，形象進(jìn)度展示。

3.2.3 基于BIM的工程動(dòng)態(tài)移動(dòng)APP

基于BIM的工程動(dòng)態(tài)移動(dòng)APP實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）支持蘋(píng)果和安卓操作系統(tǒng)，無(wú)須專用設(shè)備，直接在手機(jī)或平板電腦上使用。

（2）通過(guò)移動(dòng)終端在現(xiàn)場(chǎng)推行監(jiān)理日志、可視化安全管理，業(yè)主隨時(shí)通過(guò)模型審閱核查質(zhì)量、安全問(wèn)題整改狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可視化管理。

（3）隨時(shí)查詢?nèi)SBIM 模型、相關(guān)工程資料輔助施工指揮和作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

3.3 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

在BIM 創(chuàng)新應(yīng)用方面主要研究了基于BIM 的盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控和盾構(gòu)機(jī)施工糾偏模擬。

3.3.1 基于BIM的盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控

（1）盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。將盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備參數(shù)集成到BIM 系統(tǒng)，選擇BIM 系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)BIM 模型，可查詢當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)速度、盾構(gòu)刀盤(pán)壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、注脂壓力、油脂消耗量、注漿壓力、盾構(gòu)豎直和水平偏差及盾構(gòu)機(jī)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，為工程管理人員決策盾構(gòu)機(jī)下一步掘進(jìn)方案提供了實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

（2）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)管理?，F(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)管理工作應(yīng)從量測(cè)基點(diǎn)接受后實(shí)測(cè)，以及三維掃描已完結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行主抓。相較于傳統(tǒng)管理模式，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)管理（見(jiàn)圖9、圖10），可達(dá)到及時(shí)糾正實(shí)際與理論誤差，避免返工、節(jié)約時(shí)間。需做工作如下：將現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及盾構(gòu)數(shù)據(jù)與BIM模型的實(shí)施關(guān)聯(lián)；定制1張現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

圖9 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 查看項(xiàng)目區(qū)間進(jìn)度情況界面

（3）危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)管理及預(yù)警。集成盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的危險(xiǎn)源信息，將其表達(dá)在BIM 模型中，并在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中提前預(yù)警。用于查詢風(fēng)險(xiǎn)源的位置、等級(jí)等信息，對(duì)已預(yù)設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)源，BIM模型中會(huì)以閃爍的方式展現(xiàn)（見(jiàn)圖11）。

圖11 風(fēng)險(xiǎn)管理界面

3.3.2 基于BIM的盾構(gòu)機(jī)施工糾偏模擬

根據(jù)甲方提供的糾偏公式和方案（見(jiàn)圖12），在BIM中完成快速建模，進(jìn)行糾偏方案仿真驗(yàn)證和展示。

圖12 糾偏施工過(guò)程

4 項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)與成果

（1）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)新手段：利用三維建模將區(qū)間地面及地下建/構(gòu)筑物與隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，找出施工中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)或危險(xiǎn)點(diǎn)，提前采取應(yīng)對(duì)措施降低或規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，有效調(diào)整項(xiàng)目合同規(guī)定的施工進(jìn)度目標(biāo)，保證項(xiàng)目的有效進(jìn)行［13］。

（2）施工方案規(guī)劃設(shè)計(jì)：由于地鐵施工均處于鬧市區(qū)，施工期間為盡可能減少對(duì)周邊居民和交通等的影響，地鐵施工圍擋正逐漸減小，同時(shí)受地形影響，圍蔽后的施工場(chǎng)地非常有限，給場(chǎng)地布置提出了很高技術(shù)要求，但是通過(guò)BIM 三維建?？蓪?chǎng)地內(nèi)臨時(shí)設(shè)施以仿真的形式置于模型內(nèi)，反映出各臨時(shí)設(shè)施的干涉，最大程度利用現(xiàn)有場(chǎng)地進(jìn)行布置，避免后期出現(xiàn)返工現(xiàn)象。

（3）智能評(píng)估施工方案：在施工方案的傳統(tǒng)編制過(guò)程中，很難預(yù)先判斷施工方案在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)遇到的各種問(wèn)題，往往是在方案執(zhí)行過(guò)程中遇到問(wèn)題后再停下來(lái)進(jìn)行討論和優(yōu)化，不僅耗費(fèi)不必要的成本，同時(shí)降低了施工效率。通過(guò)BIM 三維仿真技術(shù)，在進(jìn)行施工技術(shù)方案編制時(shí)，就可提前進(jìn)行施工方案預(yù)演，通過(guò)軟件進(jìn)行模擬演練和分析，對(duì)施工方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提前發(fā)現(xiàn)施工中遇到的問(wèn)題，并可利用三維仿真技術(shù)對(duì)施工方案不足進(jìn)行修改并重新模擬演練，幫助施工單位找出最合理、經(jīng)濟(jì)的方法，提高生產(chǎn)效率，降低因施工方案不合理造成的生產(chǎn)成本浪費(fèi)，達(dá)到優(yōu)化施工方案的目的。

（4）工程BIM 模型應(yīng)用：通過(guò)BIM 技術(shù)對(duì)盾構(gòu)工程中的盾構(gòu)機(jī)、相關(guān)機(jī)械機(jī)具、施工地層進(jìn)行完全對(duì)應(yīng)的1∶1 三維建模，將現(xiàn)場(chǎng)各施工機(jī)具完全轉(zhuǎn)化為3D施工模型，通過(guò)軟件可對(duì)各模型進(jìn)行360°無(wú)死角查看、精確量取尺寸數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)二維平面圖紙形象生動(dòng)、簡(jiǎn)單易懂。通過(guò)三維模型形成的可視化交底，比普通紙張交底更加形象，能夠更好地給作業(yè)人員傳遞交底信息和意圖。

（5）施工管理信息化：施工平臺(tái)的建立真正做到了施工管理信息化［14］。通過(guò)三維模型數(shù)據(jù)及施工信息的錄入，可快速計(jì)算出施工的工程量及材料的使用量，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)施工進(jìn)度反饋，可對(duì)材料消耗進(jìn)行系統(tǒng)分析，比傳統(tǒng)工程量及材料分析更加準(zhǔn)確和及時(shí)。較以往施工數(shù)據(jù)管理上，BIM施工管理平臺(tái)可幫助企業(yè)進(jìn)行區(qū)域化管控，所有施工數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)上傳至上級(jí)公司，便于上級(jí)公司了解現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)，一旦現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工發(fā)生異常，可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目部共同進(jìn)行方案制定，提升工作效率，避免因時(shí)間延遲造成的不必要損失。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)建立以BIM 技術(shù)應(yīng)用為載體的盾構(gòu)施工管理信息化，提升了生產(chǎn)效率，縮短工期。

（2）三維仿真技術(shù)能夠幫助技術(shù)管理人員與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行更好的互動(dòng)，比傳統(tǒng)紙質(zhì)交底更具說(shuō)服力的同時(shí)提高了工作效率，確保施工交底的意圖正確落實(shí)到現(xiàn)場(chǎng)，保證施工質(zhì)量。

（3）通過(guò)BIM 平臺(tái)記錄盾構(gòu)施工每一環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)、施工地層、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、作業(yè)時(shí)間及相關(guān)各項(xiàng)施工數(shù)據(jù)，技術(shù)管理人員能夠第一時(shí)間掌握盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)變化，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工做出及時(shí)響應(yīng)，保證了項(xiàng)目數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

（4）BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建為以后類似工程提供了可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)可準(zhǔn)確快速計(jì)算工程量，提升施工預(yù)算的精度與效率。由于BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)粒度達(dá)到構(gòu)件級(jí)，可快速提供支撐項(xiàng)目各條線管理所需的數(shù)據(jù)信息，有效提升施工管理效率。