BIM技術(shù)在成都地鐵8號線盾構(gòu)中的應(yīng)用

陳卓，陳強，譚林彪，鄒坤秘，劉少龍，劉義

（1.中鐵二局集團有限公司，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 工程簡介

成都地鐵首條線路1號線于2010年9月27日正式開通，使成都成為中國大陸第10個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，成都地鐵共開通6 條線路，線路總長226.017 km，均采用地鐵系統(tǒng)，共計156座車站投入運營，14座換乘站。

截至2018年12月，成都地鐵在建線路共有8條，共計里程321.46 km，預(yù)計2020年底前全部通車，開通里程達到515.72 km。其中成都地鐵8號線一期工程土建1標項目位于成都市雙流地區(qū)，標段內(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—順風站，共計4個盾構(gòu)區(qū)間、16個洞門、7個聯(lián)絡(luò)通道。珠江路站—順風站盾構(gòu)區(qū)間里程范圍ZK23+188.698—ZK24+382.026；上行線區(qū)間長度1 218.666 m，下行線區(qū)間長度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號線工程建設(shè)模型見圖1。

圖1 成都地鐵8號線建設(shè)模型

1.2 工程特點及難點

8號線一期工程特點突出，項目建設(shè)過程中會遇到復(fù)雜多變的地形結(jié)構(gòu)，其中，隧道穿過的主要地層結(jié)構(gòu)包括砂卵石、淤泥質(zhì)黏土、中密卵石、強風化泥巖、中等風化泥巖等地層結(jié)構(gòu)；同時還途經(jīng)工廠、酒店、管道管線、鬧市區(qū)、河流等地形建筑，這都對隧道建設(shè)提出了嚴格要求［1］。

該工程的實施具有一定風險，主要體現(xiàn)在：付出了一定人力、資金和時間，在一定條件和時期內(nèi)并沒有達到預(yù)期系統(tǒng)建設(shè)目標，或產(chǎn)生了消極影響。具體風險分析如下：

（1）基于BIM 的盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要BIM 咨詢單位和盾構(gòu)機監(jiān)控提供商進行接口對接完成，協(xié)調(diào)溝通難度大，系統(tǒng)對硬件系統(tǒng)要求高。

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

2 BIM應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標

（1）BIM技術(shù)的可視化程度高，某種程度上是實際工程的具體展現(xiàn)，根據(jù)BIM 技術(shù)實現(xiàn)的模型進行實際施工現(xiàn)場的場地布置、人員配置，優(yōu)化施工組織設(shè)計，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 項目中，采用根據(jù)勘測信息完成的地質(zhì)模型與隧道主體模型相結(jié)合，可以實時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)，同時增加施工的安全性，增加未知因素的可控性［3-4］。同時，參數(shù)化隧道模型數(shù)據(jù)的準確性可增加工程量統(tǒng)計、成本分析、預(yù)算的準確性，減少數(shù)據(jù)偶然性引起的偏差，提高工作效率。

（3）本項目實施的目的是利用BIM 技術(shù)實現(xiàn)成都地鐵8 號線1 標一分部盾構(gòu)區(qū)間項目現(xiàn)場施工的工程結(jié)構(gòu)和施工主要機具及臨時場地布置三維可視化［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)場數(shù)據(jù)和計劃進度管理的能力，促進地鐵盾構(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 團隊組織

根據(jù)項目特點，乙方（成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，簡稱希盟科技）項目小組是實施本項目的直接執(zhí)行人，負責項目具體的實施工作；甲方（中鐵二局工程有限公司城通分公司）項目小組為實施本次項目提供必要的資源保障，按時準備項目執(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)問題，同時提供對文件、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)。形成了以項目決策委員會為核心，以項目經(jīng)理為項目實施的組織者，以BIM咨詢顧問、BIM服務(wù)工程師、配置工程師、開發(fā)工程師、關(guān)鍵用戶、現(xiàn)場項目經(jīng)理、工程人員、BIM管理員為項目實施者的3層體系結(jié)構(gòu)，為項目合理有效實施提供保障［6］。BIM技術(shù)小組組織結(jié)構(gòu)見圖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、硬盤等配件具體參數(shù)見表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、動畫制作軟件、VR 3D引擎構(gòu)成，實現(xiàn)以上功能的各種軟件具體型號見表2。

表2 軟件配置及型號

3 BIM應(yīng)用與設(shè)計

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號線一期工程中所涉及的4個區(qū)間全部地層信息的地質(zhì)模型。相關(guān)地質(zhì)模型構(gòu)建見圖3。

圖3 地質(zhì)模型示例

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

圖4 項目部場地臨建BIM模型

圖5 施工場地臨建BIM模型

（3）線路區(qū)間模型構(gòu)建。8 號線一期工程包含4個盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間主要信息見表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)機展現(xiàn)隧道掘進進尺、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)備模型庫管理。搭建的大型施工設(shè)備主要為盾構(gòu)機模型、自卸車等，用于反映在施工掘進過程中盾構(gòu)機的行進位置及渣土在施工場地的運輸方案；將各類設(shè)備進行分類管理，建立設(shè)備模型庫。

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)機模型

盾構(gòu)機是一種使用盾構(gòu)法的隧道掘進機，其相關(guān)BIM模型見圖6。

圖6 盾構(gòu)機模型

3.2 BIM高級應(yīng)用

3.2.1 VR虛擬駕駛艙重點場景仿真

（1）用VR 虛擬駕駛盾構(gòu)機模擬盾構(gòu)機參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致噴涌的場景（見圖7）。

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

3.2.2 基于BIM的施工進度管理

在基于BIM的施工進度管理方面實現(xiàn)了以下功能：

圖7 VR虛擬駕駛盾構(gòu)機模擬

圖8 VR場景下建筑沉降變形模擬

（1）結(jié)合BIM 模型的工程進度管理，能夠支持施工相關(guān)計劃的建立與管理［6-8］。通過工程進度計劃與施工工程結(jié)構(gòu)進行關(guān)聯(lián)（WBS 結(jié)構(gòu)與EBS 結(jié)構(gòu)手動掛階，或Project 計劃中字段映射關(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，達到工程進度計劃和BIM模型的直接關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)施工計劃的三維動態(tài)模擬。

（2）按進度計劃模擬BIM 模型實時比對，隨時校核進度偏差，加強工程管控。開放可查看歷史版本的計劃、數(shù)據(jù)源的錄入、當前計劃和歷史計劃的模型模擬動畫展示、計劃手動關(guān)聯(lián)模型功能。

（3）依據(jù)施工計劃和施工日志的對比［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劃角度，進行任務(wù)完成情況分析，展示工區(qū)進度，形象進度展示。

3.2.3 基于BIM的工程動態(tài)移動APP

基于BIM的工程動態(tài)移動APP實現(xiàn)了以下功能：

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

（2）通過移動終端在現(xiàn)場推行監(jiān)理日志、可視化安全管理，業(yè)主隨時通過模型審閱核查質(zhì)量、安全問題整改狀態(tài)，實現(xiàn)移動可視化管理。

（3）隨時查詢?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)遠程監(jiān)控和盾構(gòu)機施工糾偏模擬。

3.3.1 基于BIM的盾構(gòu)遠程監(jiān)控

（1）盾構(gòu)機實時狀態(tài)監(jiān)測。將盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的盾構(gòu)機設(shè)備參數(shù)集成到BIM 系統(tǒng)，選擇BIM 系統(tǒng)的盾構(gòu)機BIM 模型，可查詢當前盾構(gòu)機的推進壓力、盾構(gòu)掘進速度、盾構(gòu)刀盤壓力、刀盤轉(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)機各設(shè)備運行狀態(tài)等，為工程管理人員決策盾構(gòu)機下一步掘進方案提供了實時狀態(tài)信息。

（2）現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)管理?，F(xiàn)場量測數(shù)據(jù)管理工作應(yīng)從量測基點接受后實測，以及三維掃描已完結(jié)構(gòu)方面進行主抓。相較于傳統(tǒng)管理模式，利用BIM 技術(shù)進行現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)管理（見圖9、圖10），可達到及時糾正實際與理論誤差，避免返工、節(jié)約時間。需做工作如下：將現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)進行集成；實現(xiàn)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)實時顯示及盾構(gòu)數(shù)據(jù)與BIM模型的實施關(guān)聯(lián)；定制1張現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計報表。

圖9 實時監(jiān)測現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 查看項目區(qū)間進度情況界面

（3）危險源數(shù)據(jù)管理及預(yù)警。集成盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的危險源信息，將其表達在BIM 模型中，并在盾構(gòu)機掘進過程中提前預(yù)警。用于查詢風險源的位置、等級等信息，對已預(yù)設(shè)的風險源，BIM模型中會以閃爍的方式展現(xiàn)（見圖11）。

圖11 風險管理界面

3.3.2 基于BIM的盾構(gòu)機施工糾偏模擬

根據(jù)甲方提供的糾偏公式和方案（見圖12），在BIM中完成快速建模，進行糾偏方案仿真驗證和展示。

圖12 糾偏施工過程

4 項目優(yōu)勢與成果

（1）規(guī)避風險新手段：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)進行對比分析，找出施工中可能存在的風險或危險點，提前采取應(yīng)對措施降低或規(guī)避風險發(fā)生概率，有效調(diào)整項目合同規(guī)定的施工進度目標，保證項目的有效進行［13］。

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

（3）智能評估施工方案：在施工方案的傳統(tǒng)編制過程中，很難預(yù)先判斷施工方案在實際生產(chǎn)過程中會遇到的各種問題，往往是在方案執(zhí)行過程中遇到問題后再停下來進行討論和優(yōu)化，不僅耗費不必要的成本，同時降低了施工效率。通過BIM 三維仿真技術(shù)，在進行施工技術(shù)方案編制時，就可提前進行施工方案預(yù)演，通過軟件進行模擬演練和分析，對施工方案的合理性進行評價，提前發(fā)現(xiàn)施工中遇到的問題，并可利用三維仿真技術(shù)對施工方案不足進行修改并重新模擬演練，幫助施工單位找出最合理、經(jīng)濟的方法，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，達到優(yōu)化施工方案的目的。

（4）工程BIM 模型應(yīng)用：通過BIM 技術(shù)對盾構(gòu)工程中的盾構(gòu)機、相關(guān)機械機具、施工地層進行完全對應(yīng)的1∶1 三維建模，將現(xiàn)場各施工機具完全轉(zhuǎn)化為3D施工模型，通過軟件可對各模型進行360°無死角查看、精確量取尺寸數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)二維平面圖紙形象生動、簡單易懂。通過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：施工平臺的建立真正做到了施工管理信息化［14］。通過三維模型數(shù)據(jù)及施工信息的錄入，可快速計算出施工的工程量及材料的使用量，同時根據(jù)實時施工進度反饋，可對材料消耗進行系統(tǒng)分析，比傳統(tǒng)工程量及材料分析更加準確和及時。較以往施工數(shù)據(jù)管理上，BIM施工管理平臺可幫助企業(yè)進行區(qū)域化管控，所有施工數(shù)據(jù)信息能夠及時上傳至上級公司，便于上級公司了解現(xiàn)場施工動態(tài)，一旦現(xiàn)場盾構(gòu)施工發(fā)生異常，可第一時間發(fā)現(xiàn)問題并通過可靠數(shù)據(jù)進行分析，與現(xiàn)場項目部共同進行方案制定，提升工作效率，避免因時間延遲造成的不必要損失。

5 結(jié)論

（1）通過建立以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)場作業(yè)人員進行更好的互動，比傳統(tǒng)紙質(zhì)交底更具說服力的同時提高了工作效率，確保施工交底的意圖正確落實到現(xiàn)場，保證施工質(zhì)量。

（3）通過BIM 平臺記錄盾構(gòu)施工每一環(huán)的掘進參數(shù)、施工地層、盾構(gòu)機姿態(tài)、作業(yè)時間及相關(guān)各項施工數(shù)據(jù)，技術(shù)管理人員能夠第一時間掌握盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，根據(jù)實時參數(shù)變化，對現(xiàn)場盾構(gòu)施工做出及時響應(yīng)，保證了項目數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

（4）BIM數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建為以后類似工程提供了可靠數(shù)據(jù)，同時可準確快速計算工程量，提升施工預(yù)算的精度與效率。由于BIM 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)粒度達到構(gòu)件級，可快速提供支撐項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。