魏 煒

（中鐵二十三局第六工程有限公司，重慶 401124）

0 引言

為了提高施工效率，解決TBM 隧道施工中地表沉降、既有建筑物塌陷、工期緊張和安全要求等問題，基于重慶軌道交通9 號(hào)線隧道、車站和高架橋部分的CAD圖紙，利用BIM 技術(shù)完整地構(gòu)建了軌道交通的三維可視化模型及場(chǎng)地效果，為施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理和業(yè)主之間的溝通提供了渠道和平臺(tái)，節(jié)約了時(shí)間成本。該工程根據(jù)BIM 設(shè)計(jì)的全流程進(jìn)行科學(xué)施工，取得了良好的施工建設(shè)效果，本文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

重慶軌道交通9 號(hào)線位于川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部；構(gòu)造骨架形成于燕山期晚期褶皺運(yùn)動(dòng)。構(gòu)造線呈NNE―SSW 向。未見斷層，節(jié)理（裂隙）發(fā)生與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，以構(gòu)造節(jié)理、層面為主，節(jié)理走向NEE-SWW 和走向NW-SE 兩組較發(fā)育，多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物。

地質(zhì)勘察區(qū)位于重慶向斜西翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層傾向100°，巖層傾角5°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，地應(yīng)力條件簡(jiǎn)單，應(yīng)力水平極低。區(qū)內(nèi)無斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。根據(jù)場(chǎng)地基巖露頭地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查，基巖內(nèi)裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育，巖體呈層狀構(gòu)造。主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙：

J1：270～300°∠58～80°，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為290°∠65°，延伸5～10m，微張1～3mm，平直，間距1.0～2.0m，偶見鈣質(zhì)充填，結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

J2：210～250°∠65～80°，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為220°∠70°，延伸0.2～1.0m，一般閉合-微張，舒緩波狀，局部有倒轉(zhuǎn)反向現(xiàn)象，間距5～8m，偶見泥質(zhì)充填，結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

層面裂隙：為軟弱結(jié)構(gòu)面，裂隙閉合，結(jié)合較差。

重慶軌道交通9 號(hào)線二期工程，合同全稱為重慶軌道交通9 號(hào)線中央公園東站、從巖寺站及區(qū)間土建工程，項(xiàng)目位于渝北區(qū)空港新城，兩站三區(qū)間，施工起止里程YDK35 +053.411～YDK38 +945.244，總長(zhǎng)3891.833m。線路整體為南向北走向，起點(diǎn)從蘭桂大道站引出，下穿中央公園小學(xué)，向北沿和慶路暗埋至同茂大道路口處，設(shè)中央公園東站，并與10 號(hào)線中央公園東站換乘。繼續(xù)向北下穿和慶路、丘陵（雙龍湖街道鹿山村片區(qū)）后，到達(dá)空港公租房片區(qū)谷地，沿規(guī)劃縱一路設(shè)高架橋，橋中部設(shè)從巖寺高架站，高架通過谷地后進(jìn)入花石溝村。線路走向如圖1、圖2 所示。

圖2 工程線路走向圖

1.2 施工難點(diǎn)

（1）全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）始發(fā)與接收段。洞口密封裝置滲漏，TBM 到達(dá)時(shí)，管片環(huán)縫張開，始發(fā)、到達(dá)施工難以確保開挖面土體穩(wěn)定。

（2）復(fù)合TBM 在泥巖、砂巖地層中施工，增加掘進(jìn)技術(shù)難度；開挖面不穩(wěn)定、開挖硬土引起開挖難、切削刀盤受到特別大的阻力、復(fù)合TBM 推進(jìn)阻力較大；復(fù)合TBM 刀頭磨損較快；殘積土的黏土以及泥巖類巖石,經(jīng)研磨后易在刀盤表面或土艙內(nèi)形成泥餅；砂巖、泥巖交錯(cuò)或互層，造成軟硬不均和巖性突變，易造成刀具異常損壞；復(fù)合TBM 在石英含量較高的砂巖地層掘進(jìn)時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重；有些巖層地段易產(chǎn)生復(fù)合TBM 旋轉(zhuǎn)或管片旋轉(zhuǎn)、管片上浮；堵艙、堵螺旋機(jī)和糊刀盤，導(dǎo)致壓力艙被黏結(jié)的渣土充滿，不能被螺旋排除；復(fù)合TBM 掘進(jìn)位于小曲線半徑上，曲線半徑越小則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制，隧道管片襯砌軸線因推進(jìn)水平分力而向圓曲線外側(cè)（背向圓心一側(cè)）偏移，容易發(fā)生管片侵線。

2 BIM 組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

為提高TBM 開挖過程中的施工效率，克服周邊環(huán)境及既有建筑物的地表沉降問題，縮短工期、促進(jìn)TBM安裝、掘進(jìn)、出渣、管片安裝等一體化，因此，構(gòu)建重慶軌道交通9 號(hào)線工程的BIM 三維模型（圖3 所示）?？蓪?shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）可視化指導(dǎo)TBM 施工；（2）實(shí)現(xiàn)車站施工的精細(xì)化管理；（3）將BIM 模型嵌入到項(xiàng)目信息化管理平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)地下隧道工程三維可視化自動(dòng)監(jiān)測(cè)，提高工作效率；（4）構(gòu)建重慶軌道交通9 號(hào)線全周期BIM 虛擬漫游，將工程項(xiàng)目物理特性和功能特性實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、動(dòng)態(tài)性的表達(dá)。

圖3 重慶軌道交通9 號(hào)線BIM 模型

2.2 BIM 實(shí)施方案

該項(xiàng)目的BIM 技術(shù)應(yīng)用是巖土工程行業(yè)為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化進(jìn)行的探索。

（1）使用BIM 正向設(shè)計(jì)建模技術(shù)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段建立全專業(yè)的模型，充分考慮周邊復(fù)雜環(huán)境對(duì)工程項(xiàng)目的影響[1-3]。通過4D 施工過程模擬，指導(dǎo)項(xiàng)目過程施工和管控[4-6]。同時(shí)在管理平臺(tái)中集成三維模型基本屬性信息、基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信息、自動(dòng)伺服系統(tǒng)信息以及施工過程中物料信息，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于基坑設(shè)計(jì)、施工全過程[3]。

（2）在團(tuán)隊(duì)組織上，該項(xiàng)目由業(yè)主方統(tǒng)一規(guī)劃管理。項(xiàng)目上實(shí)行全員參與制，多部門人員分工協(xié)作，保證BIM 應(yīng)用落地。建立企業(yè)、項(xiàng)目部和作業(yè)層協(xié)同工作管理架構(gòu)，做到逐層細(xì)化、協(xié)同管控。通過定期組織培訓(xùn)，讓項(xiàng)目施工人員都能熟悉BIM 技術(shù)，便于應(yīng)用落地。

（3）在應(yīng)用依據(jù)上，項(xiàng)目前期BIM 應(yīng)用，依據(jù)住建部發(fā)布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51212-2016），和《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51235-2017，編制符合巖土工程項(xiàng)目特點(diǎn)的公司級(jí)BIM 模型標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，和針對(duì)該工程的BIM 實(shí)施方案。

（4）在軟硬件環(huán)境建設(shè)上，BIM 建模人員配備高性能處理器和專業(yè)圖形顯卡的主機(jī)。軟件層面使用Revit作為主要建模軟件，Midas、Plaxis3D、理正巖土作為分析軟件，建模大師、Dynamo 與二次開發(fā)插件進(jìn)行輔助深化設(shè)計(jì)[7-9]。使用Navisworks、Lumion、Fuzor、3D Max 進(jìn)行虛擬建造、施工工藝模擬。使用BIMFACE 和自主研發(fā)的云平臺(tái)進(jìn)行過程中的信息集成和施工質(zhì)量交底。

3 隧道BIM 建模及應(yīng)用

3.1 隧道線路建模

根據(jù)CAD 圖紙，對(duì)重慶軌道交通9 號(hào)線全線進(jìn)行三維翻模，其中，主要分為隧道、車站和高架橋三部分。高架橋全長(zhǎng)185m，對(duì)接路基15m，與高架對(duì)接的隧道實(shí)施TBM 施工，并向左側(cè)彎曲后，右歸彎到中央公園城東站。通過Revit 將CAD 圖紙快速轉(zhuǎn)換為三維信息模型，并進(jìn)行碰撞檢測(cè)。通過可視化編程設(shè)計(jì)，對(duì)參數(shù)構(gòu)件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，在計(jì)算后立即更新模型，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.2 隧道進(jìn)出口建模

在Revit 中，制作模型的場(chǎng)地，首先需要轉(zhuǎn)到場(chǎng)地平面視圖，選擇場(chǎng)地和體量選項(xiàng)卡中的地形表面。通過放置點(diǎn)的功能來繪制場(chǎng)地，修改該點(diǎn)的高程后放置在平面視圖中，如圖4 所示。所有的高程點(diǎn)放置完成后，在屬性欄中修改場(chǎng)地的材質(zhì)。在繪制好的地形中使用建筑地坪命令進(jìn)行平整，框選需要平整的建筑地坪。最后可以使用子面域命令添加道路，在屬性欄中修改道路的材質(zhì)。

圖4 重慶軌道交通9 號(hào)線地形及入口建模

3.3 軌道車站建模

車站的繪制需要選用工具欄建筑選項(xiàng)卡中的柱功能，修改柱子的類型名稱和尺寸。根據(jù)所鏈接的CAD 圖紙，參照其軸網(wǎng)上的柱子進(jìn)行分類繪制。添加好的柱子，修改其屬性，包括底部和頂部標(biāo)高、偏移、編號(hào)標(biāo)注、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等，從而實(shí)現(xiàn)車站可視化建模，如圖5 所示。

圖5 中央公園東站BIM 模型

3.4 BIM 技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

本文基于重慶軌道交通9 號(hào)線隧道部分、車站部分和高架橋部分的CAD 圖紙，利用BIM 技術(shù)完整地構(gòu)建了軌道交通的三維可視化模型及場(chǎng)地效果，根據(jù)BIM 設(shè)計(jì)的全流程實(shí)施情況，總結(jié)如下：

（1）項(xiàng)目前期。在項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，把BIM 技術(shù)及理念植入整體方案中，統(tǒng)籌概念設(shè)計(jì)和規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

（2）設(shè)計(jì)階段。為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和可視化效果，結(jié)合CAD 圖紙進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行有效性分析和經(jīng)濟(jì)合理性評(píng)價(jià)，最后交付完整的電子三維模型和圖紙成果。

（3）施工階段。依據(jù)三維模型及場(chǎng)景布置，指導(dǎo)施工方從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)備，為施工提供必需的技術(shù)條件和物質(zhì)準(zhǔn)備，指導(dǎo)施工組織及設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)施工全過程管控。

（4）運(yùn)維階段。通過建立的BIM 模型及文件體系，指導(dǎo)利益相關(guān)方進(jìn)行空間管理、應(yīng)急管理、設(shè)備管理、安全管理和經(jīng)濟(jì)成本管理等。

4 結(jié)束語

軌道交通隧道BIM 設(shè)計(jì)，能夠提高軌道工程全周期施工效率，節(jié)約成本，是道路工程信息化的有益探索。通過以上分析，總結(jié)出了重慶軌道交通9 號(hào)線BIM模型構(gòu)建創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）通過參數(shù)化構(gòu)件和Revit 二次開發(fā)正向設(shè)計(jì)，并充分考慮了場(chǎng)地環(huán)境和地下空間布局，為軌道工程物理和功能的數(shù)字化表達(dá)提供了技術(shù)支持。

（2）軌道工程項(xiàng)目施工過程模擬動(dòng)畫，為施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理和業(yè)主之間的溝通提供了渠道和平臺(tái)，節(jié)約了時(shí)間成本。