蔣四禮 邱兆陽

(1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司 廣東深圳 518060；2.深圳大學(xué)中澳BIM與智慧建造聯(lián)合研究中心 廣東深圳 518060)

1 引言

城市軌道交通是緩解交通擁堵問題最有效的方式。截至2017年6月底，全國在運(yùn)營城市軌道交通總里程已達(dá)4 400 km，且約有5 770 km的城市軌道交通項(xiàng)目處于在建階段[1]，巨大的建設(shè)需求對(duì)城市軌道交通建設(shè)質(zhì)量提出了較高要求。盾構(gòu)法是當(dāng)前城市軌道交通項(xiàng)目最常采用的地下隧道施工方法，盾構(gòu)管片質(zhì)量對(duì)管片現(xiàn)場(chǎng)安裝及隧道建成后的整體性能具有至關(guān)重要的影響[2]。

深化設(shè)計(jì)階段是連接盾構(gòu)管片施工圖設(shè)計(jì)與管片生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該階段要求對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案及施工圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，其良好設(shè)計(jì)有助于提高圖紙的精細(xì)化水平，有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)的錯(cuò)誤，最大程度避免材料浪費(fèi)及安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，隨著工程項(xiàng)目體量及功能的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)上基于二維圖紙的設(shè)計(jì)方式已無法滿足當(dāng)前盾構(gòu)管片復(fù)雜的功能需求[3]。因此，考慮到施工效率、安全性及項(xiàng)目建成質(zhì)量等要求，亟需在盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)階段采取更先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通項(xiàng)目全生命周期的管理[4-5]。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，通過采用BIM技術(shù)可以快速構(gòu)建地鐵車站及區(qū)間隧道模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢查、施工模擬、現(xiàn)場(chǎng)漫游等功能[6-7]。既有研究中，學(xué)者更多關(guān)注BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道參數(shù)化建模及協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并取得了一系列創(chuàng)新成果[8-9]。盡管這些研究已從技術(shù)層面為盾構(gòu)管片BIM設(shè)計(jì)提供了一些有效的解決方案，但卻忽略了設(shè)計(jì)流程和深化設(shè)計(jì)流程完備性及流暢性對(duì)設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量的重要價(jià)值，未能從管理層面系統(tǒng)地梳理與改進(jìn)盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致當(dāng)前盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程仍存在各層級(jí)間信息缺失與分離問題，極大影響了設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

針對(duì)上述問題，本研究旨在對(duì)基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。首先，本文全面總結(jié)和歸納了傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程及現(xiàn)有基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程；其次，根據(jù)工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure，WBS)理論，厘清了深化設(shè)計(jì)流程各階段的功能需求和可交付成果，構(gòu)建了基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程；最后以深圳地鐵14號(hào)線某區(qū)間隧道為研究對(duì)象，驗(yàn)證了所提出流程的可行性。研究成果有助于更好地銜接盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)的各個(gè)層級(jí)，減輕設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片精細(xì)化設(shè)計(jì)，提高盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

2 現(xiàn)有預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程

盾構(gòu)管片作為最典型的預(yù)制構(gòu)件之一，其設(shè)計(jì)流程亦遵循常見預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)流程。本研究對(duì)深圳市有關(guān)設(shè)計(jì)單位開展了實(shí)地調(diào)研，確定了傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程及兩種基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程。

2.1 傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程可分為技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)五個(gè)階段(見圖1)。

圖1 傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程

技術(shù)策劃階段要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)建設(shè)單位需求，制定項(xiàng)目技術(shù)策劃方案。在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需根據(jù)項(xiàng)目使用功能及樣式要求，進(jìn)行系統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)階段要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)確定施工現(xiàn)場(chǎng)連接方式、構(gòu)件生產(chǎn)規(guī)格等，完成初步設(shè)計(jì)圖紙的繪制。在施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需對(duì)初步設(shè)計(jì)圖紙繼續(xù)深化，以滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和施工要求。在最后的深化設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及抗震規(guī)范，完成預(yù)制構(gòu)件拆分、驗(yàn)算、優(yōu)化、出圖等設(shè)計(jì)任務(wù)。

總體而言，傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程主要以二維CAD圖紙為核心，缺乏可視化功能，容易出現(xiàn)“錯(cuò)漏碰缺”等問題，且設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)有效流通。

2.2 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程

2.2.1 設(shè)計(jì)流程一

設(shè)計(jì)流程一包括技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)五個(gè)階段(見圖2)。其中，技術(shù)策劃階段需系統(tǒng)分析項(xiàng)目的場(chǎng)地條件及空間信息。在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需建立建筑方案BIM模型。初步設(shè)計(jì)階段要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于已有方案設(shè)計(jì)模型，建立建筑及結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)BIM模型，初步實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。在施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立建筑施工圖BIM模型、結(jié)構(gòu)施工圖BIM模型、機(jī)電施工圖BIM模型，并定期進(jìn)行碰撞檢查及管線綜合檢查，以形成完整的設(shè)計(jì)文件。此外，在該階段設(shè)計(jì)完成的施工圖紙需交付至第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行圖紙審查，合格后方可交付使用。

圖2 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程一

作為設(shè)計(jì)階段最后一項(xiàng)工作，深化設(shè)計(jì)階段要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)綜合考慮預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，完成管片拆分、模具設(shè)計(jì)、鋼筋排布、預(yù)埋件設(shè)計(jì)、受力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、碰撞檢查、施工圖生成、明細(xì)表導(dǎo)出等工作。

2.2.2 設(shè)計(jì)流程二

設(shè)計(jì)流程二包括技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)、模型建立、模型優(yōu)化和深化設(shè)計(jì)五個(gè)階段(見圖3)。由于其技術(shù)策劃、方案設(shè)計(jì)及深化設(shè)計(jì)階段的任務(wù)與設(shè)計(jì)流程一基本相同，下文只介紹其余兩個(gè)階段的任務(wù)。

圖3 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程二

模型建立階段要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)結(jié)合建筑功能與外觀要求，查詢現(xiàn)有預(yù)制構(gòu)件庫中是否存在滿足設(shè)計(jì)要求的通用構(gòu)件。若存在相應(yīng)構(gòu)件，則直接調(diào)用以用于通用構(gòu)件BIM模型的建立。若未存在相應(yīng)構(gòu)件，則需依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和抗震要求設(shè)計(jì)并定義新構(gòu)件，再將該構(gòu)件拼裝至BIM模型中，完成建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)BIM模型的建立。

在模型優(yōu)化階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需在預(yù)制構(gòu)件BIM模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與受力計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行反復(fù)調(diào)整以滿足相關(guān)要求。

2.2.3 流程評(píng)價(jià)

上述兩種流程均要求在設(shè)計(jì)初期建立BIM模型，并以此為基礎(chǔ)開展分階段、分層級(jí)的深化設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程相比，基于BIM的預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)了各階段設(shè)計(jì)成果的實(shí)時(shí)可視化及參數(shù)化，極大提高了設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)精度。然而，當(dāng)前流程深化設(shè)計(jì)階段的完備性及流程性仍有不足，存在各層級(jí)之間信息缺失與分離問題。因此，有必要進(jìn)一步系統(tǒng)地梳理并優(yōu)化原有流程中的深化設(shè)計(jì)工作。

與設(shè)計(jì)流程一相比，設(shè)計(jì)流程二更側(cè)重于在設(shè)計(jì)過程中建立預(yù)制構(gòu)件庫。從長期來看，設(shè)計(jì)流程二更有利于減輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作負(fù)荷，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，相對(duì)來說更為合理。因此，下面將以設(shè)計(jì)流程二為基礎(chǔ)，對(duì)盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化研究。

3 基于WBS的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)任務(wù)分解

WBS是一種以可交付項(xiàng)目為導(dǎo)向，對(duì)項(xiàng)目要素進(jìn)行分組的方法[10]。以BIM模型為載體，良好的工作分解結(jié)構(gòu)已被證明可以顯著提高工程項(xiàng)目信息傳遞及管理效率[11-12]。為了構(gòu)建合理、完備的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程，本研究采用WBS方法，根據(jù)可交付成果的不同，對(duì)盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分解。詳細(xì)的深化設(shè)計(jì)工作分解結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括管片拆分、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工圖生成、物料明細(xì)表生成五個(gè)主要階段，各階段的功能需求及可交付成果如表1所示，優(yōu)化后的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖4 基于BIM的地鐵盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)工作分解結(jié)構(gòu)

表1 基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程功能需求

圖5 地鐵盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程

4 盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程應(yīng)用

以深圳地鐵14號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道為例，來展示所提出的深化設(shè)計(jì)流程。該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，襯砌環(huán)外徑為6 700 mm，內(nèi)徑為6 000 mm，襯砌厚度為350 mm，襯砌環(huán)寬為1 500 mm。管片采用錯(cuò)縫拼裝的方式，由螺栓進(jìn)行連接。單個(gè)襯砌環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成。

4.1 管片拆分

管片拆分是盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。該環(huán)節(jié)主要使用BIM軟件的拆分功能，將施工圖設(shè)計(jì)階段建立的盾構(gòu)隧道BIM模型按照類型拆分成標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊、封頂塊等構(gòu)件，便于后續(xù)各類型構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)。這一階段的可交付成果為拆分狀態(tài)的初始管片模型。管片模型拆分示意如圖6所示。

圖6 管片模型拆分示意

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)的核心，其主要任務(wù)是將初步設(shè)計(jì)階段的盾構(gòu)管片模型進(jìn)一步深化，以滿足盾構(gòu)管片工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸單位運(yùn)輸和施工現(xiàn)場(chǎng)安裝的需求?；A(chǔ)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的工作主要分為配筋設(shè)計(jì)和預(yù)埋件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。這一階段的可交付成果為詳細(xì)設(shè)計(jì)后的基礎(chǔ)管片模型。

配筋設(shè)計(jì)要求合理排布各種類型的鋼筋，最大程度地滿足構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力要求。實(shí)際設(shè)計(jì)中主要基于BIM軟件的精細(xì)化編程功能，按照《盾構(gòu)隧道管片質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程》《預(yù)制混凝土襯砌管片》《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求，確定鋼筋規(guī)格、直徑、間距等參數(shù)，通過創(chuàng)建鋼筋族、利用節(jié)點(diǎn)生成鋼筋線等方式，完成主筋、箍筋、分布筋等多種鋼筋模型的快速制作和放置。

預(yù)埋件設(shè)計(jì)需充分考慮盾構(gòu)管片工廠加工精度和現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，確保盾構(gòu)隧道整體的結(jié)構(gòu)安全性能和質(zhì)量。實(shí)際設(shè)計(jì)中主要通過在BIM軟件中創(chuàng)建所需的自定義族類，并利用對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行復(fù)雜的族放置和實(shí)體剪切等一系列操作，最終完成連接螺栓、螺母、注漿管等預(yù)埋件的設(shè)計(jì)工作。部分盾構(gòu)管片拆分模型的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成果如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)管片拆分模型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要指在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)盾構(gòu)管片模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)各盾構(gòu)管片進(jìn)行深化分析，以保證結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全性能。最常見的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)包括三維預(yù)拼裝、碰撞檢查等。這一階段的可交付成果為優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析后的優(yōu)化管片模型。

三維預(yù)拼裝指的是通過BIM軟件的三維拼裝功能將盾構(gòu)管片拆分模型統(tǒng)一拼裝到同一個(gè)模型內(nèi)，提前演示施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝狀況。碰撞檢查則側(cè)重于檢測(cè)盾構(gòu)管片內(nèi)部鋼筋之間、鋼筋與預(yù)埋件之間是否存在沖突問題，并針對(duì)檢查過程中出現(xiàn)的碰撞現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)修改和調(diào)整。

4.4 施工圖生成

施工圖生成主要指基于優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三維模型，采用BIM軟件的圖紙導(dǎo)出功能將相關(guān)的配筋圖和模板圖等導(dǎo)出為CAD圖紙。這些圖紙與對(duì)應(yīng)的三維模型將交付至施工圖紙審查單位審查。經(jīng)審查無誤后，圖紙將進(jìn)一步交付至盾構(gòu)管片生產(chǎn)工廠，為后續(xù)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)節(jié)提供指導(dǎo)。這一階段的可交付成果為優(yōu)化管片模型對(duì)應(yīng)的施工圖紙。

4.5 物料明細(xì)表生成

物料明細(xì)表主要是將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的盾構(gòu)管片模型導(dǎo)入BIM計(jì)量軟件，計(jì)算鋼筋、混凝土、預(yù)埋件等相關(guān)物料明細(xì)數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出成Excel等文件格式，配合CAD圖紙的交付工作。對(duì)盾構(gòu)管片工廠來說，詳細(xì)、準(zhǔn)確的物料明細(xì)表不僅便于其提前準(zhǔn)備盾構(gòu)管片生產(chǎn)所需物資，而且有助于工廠各流水線之間的資源協(xié)調(diào)和工作計(jì)劃安排，可有效減少人工、材料和設(shè)備的浪費(fèi)。這一階段的可交付成果為優(yōu)化管片模型對(duì)應(yīng)的各類物料明細(xì)表。

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)WBS理論，構(gòu)建了基于BIM的城市軌道交通項(xiàng)目盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程，即管片拆分、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工圖生成與物料明細(xì)表生成。以深圳市某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道為案例，詳細(xì)說明了所構(gòu)建流程各階段的功能需求和交付成果。

本研究構(gòu)建的基于BIM的盾構(gòu)管片深化設(shè)計(jì)流程厘清了各階段深化設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)，有助于盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)精細(xì)化水平的提高，確保盾構(gòu)管片生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量。從整體上來看，優(yōu)化后的深化設(shè)計(jì)流程也有利于城市軌道交通項(xiàng)目的信息流通，為項(xiàng)目全生命周期的信息化管控奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。