BIM輔助鐵路隧道施工方案可視化設(shè)計(jì)應(yīng)用

姬付全，翟世鴻，王瀟瀟，陳富強(qiáng)，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(jì)應(yīng)用

姬付全1，翟世鴻1，王瀟瀟2，陳富強(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)原則。針對(duì)鐵路隧道仰拱與仰拱填充施工特點(diǎn)，利用BIM輔助施工方案可視化設(shè)計(jì)，建立施工方案的三維數(shù)字模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝，模擬方案的施工過(guò)程。結(jié)果表明，BIM輔助鐵路隧道施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了很好的效果。

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

1概述

隨著我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(fù)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(fèi)用高、設(shè)備工裝低、施工質(zhì)量低等問(wèn)題，并且施工進(jìn)度難以保障，嚴(yán)重影響工期，常常導(dǎo)致隧道掌子面開(kāi)挖安全步距超標(biāo)、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(jìn)度等問(wèn)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(dòng)設(shè)計(jì)方式，取代了傳統(tǒng)的單視圖線條式設(shè)計(jì)，以“所見(jiàn)即所得”的形式，把三維的設(shè)計(jì)思考變成可見(jiàn)的立體實(shí)物，提供真正的三維方案可視化設(shè)計(jì)環(huán)境[2，3]。利用BIM模型，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行全方位互動(dòng)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(duì)現(xiàn)狀問(wèn)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(kāi)展隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝設(shè)計(jì)，具有重要的探索應(yīng)用價(jià)值。

2基于BIM的施工方案設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的施工方案深化設(shè)計(jì)，是在二維的施工圖上想象構(gòu)思，利用以往的施工經(jīng)驗(yàn)，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(jiǎn)單的“錯(cuò)、漏、碰”等深化設(shè)計(jì)圖紙問(wèn)題[6]。然而，BIM的3D可視化設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化、可行性驗(yàn)證提供了技術(shù)途徑。

實(shí)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(shí)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(chǎng)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(shí)體物。施工設(shè)施模型是施工方案采用的機(jī)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(jì)的關(guān)鍵。依據(jù)模型構(gòu)件的施工動(dòng)態(tài)邏輯關(guān)系，通過(guò)施工步序的時(shí)間任務(wù)項(xiàng)驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)件，表達(dá)施工方案的虛擬建造過(guò)程[9，10]。

利用Autodesk Revit、Navisworks軟件實(shí)現(xiàn)施工方案可視化設(shè)計(jì)[11]，具體方案如下：(1)通過(guò)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(dǎo)出NWC模型文件；(2)利用Excel編輯每一施工步序的時(shí)間任務(wù)項(xiàng)，具體包括任務(wù)名稱(chēng)、任務(wù)類(lèi)型、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、ID序列號(hào)等，導(dǎo)出CSV文件；(3)通過(guò)Navisworks導(dǎo)入NWC模型文件和CSV時(shí)間任務(wù)項(xiàng)數(shù)據(jù)源文件，利用一定的自動(dòng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，使得模型構(gòu)件與時(shí)間任務(wù)項(xiàng)一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，在Timeline虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行時(shí)間任務(wù)項(xiàng)驅(qū)動(dòng)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(jì)流程。

同時(shí)，在BIM的4D虛擬仿真環(huán)境中，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的過(guò)程模擬，虛擬推演施工方案的過(guò)程，動(dòng)態(tài)檢查方案可行性以及存在的問(wèn)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(jì)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(jì)

模型協(xié)同設(shè)計(jì)原則：首先根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，建立環(huán)境模型，形成虛擬真實(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境。然后建立結(jié)構(gòu)模型，將未施工的結(jié)構(gòu)物對(duì)象預(yù)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(jì)環(huán)境中，進(jìn)行施工設(shè)施模型的可視化設(shè)計(jì)和虛擬仿真優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)施工方案的模型協(xié)同設(shè)計(jì)效果。

為了實(shí)現(xiàn)隧道仰拱與仰拱填充施工方案設(shè)計(jì)和可視化展示，需要利用Autodesk Revit軟件建立以下3個(gè)模型：環(huán)境模型包括隧道初期支護(hù)、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(tái)車(chē)。

3.1環(huán)境模型

隧道初期支護(hù)、前方拱底土石方開(kāi)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(jí)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(hù)與拱底土石方模型，如圖3所示。需要注意的是，初期支護(hù)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(guò)程。而拱底土石方模型，需要反映出動(dòng)態(tài)開(kāi)挖的過(guò)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(hù)與拱底土石方模型

3.2結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)施工圖Ⅲ級(jí)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(yù)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(duì)獨(dú)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(tái)車(chē)(簡(jiǎn)稱(chēng)仰拱臺(tái)車(chē))設(shè)計(jì)，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(duì)自行式桁架梁組成的獨(dú)立行走系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5　仰拱臺(tái)車(chē)模型

仰拱模板設(shè)計(jì)為左右兩幅翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，模板沿隧道軸向的長(zhǎng)度為6 m，由固定部分(與剛性骨架剛接)和活動(dòng)部分鉸接組成，安裝、定位、拆除操作簡(jiǎn)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(dòng)連接，同時(shí)在移動(dòng)運(yùn)載模架系統(tǒng)時(shí)，使模板系統(tǒng)形成為一個(gè)整體，定位準(zhǔn)確，移動(dòng)就位快捷。

獨(dú)立行走系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備包括電葫蘆和卷?yè)P(yáng)機(jī)(固定在后支座上)，由1對(duì)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(guò)Autodesk Navisworks導(dǎo)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(shí)間任務(wù)項(xiàng)數(shù)據(jù)源CSV文件，生成虛擬環(huán)境下的時(shí)間任務(wù)項(xiàng)，并使用規(guī)則自動(dòng)附著于模型，使得每一施工步序的時(shí)間任務(wù)項(xiàng)與模型構(gòu)件一一對(duì)應(yīng)。模型賦予時(shí)間屬性后，生成虛擬仿真環(huán)境下由時(shí)間驅(qū)動(dòng)的4D動(dòng)態(tài)模型，從而可進(jìn)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(guò)程，具體如下：

(1)測(cè)量放樣，模架系統(tǒng)就位(圖6(a)、圖6(g))；

(2)卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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?dòng)板(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(kāi)挖(圖6(e))；

(6)電葫蘆下放端頭梁，手葫蘆下翻仰拱壓?；顒?dòng)板(圖6(f))。

圖6　施工方案演示

4.3效果評(píng)價(jià)

仰拱模板設(shè)計(jì)為翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，由固定部分和活動(dòng)部分鉸接組成，實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(dú)立的機(jī)械動(dòng)力行走設(shè)備，一次快速循環(huán)移動(dòng)、精確定位，縮短支模時(shí)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(gè)作業(yè)區(qū)流水施工，一是仰拱底部開(kāi)挖(必要時(shí)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(shí)間。

5結(jié)論

(1)利用BIM技術(shù)的3D可視化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，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(guò)4D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行全方位互動(dòng)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(jì)，效果顯著。BIM輔助設(shè)計(jì)的仰拱臺(tái)車(chē)能夠很好應(yīng)用于實(shí)際施工，對(duì)BIM技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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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(hào)：1004-2954(2016)05-0108-04

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-09-25

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U452

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.023