BIM虚拟技术在铁路隧道施工管理中的应用

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江西快3近100期 www.mjnl.net 摘要:利用BIM虚拟仿真技术,研究施工方案的4D模型虚拟施工推演及优化的方法和流程,建立基于BIM软件的自动核算阶段工程量的方法和流程。

针对铁路矿山法隧道施工中的进度和技术管理现状,利用建筑信息模型(BIM)可视化技术,研究面向工程结构化对象的施工BIM模型创建方法,包括结构化的构件命名规则和建模精度要求,同时探索施工技术方案的3D模型可视化设计的方法及优势。依托项目进行具体的技术和方案示范,结果表明,BIM虚拟技术有益于提高隧道施工进度和技术管理水平,提供施工组织设计和项目管理决策的可视化技术手段。


铁路隧道施工是高度动态的过程,尤其是矿山法施工的复合式衬砌隧道作业面多、工序转换复杂、交错施工,对现场进度管理、工程量核算、技术交底质量要求高。目前现场进度管理的技术手段相对落后,仍多采用二维的横道图展示形象进度,无法真实呈现现场施工工序的空间关系,难以准确表达多个作业面的施工动态过程。同时,现场技术交底一般是用二维CAD图纸,现场施工人员的识图能力参差不齐,现场技术交底困难。

BIM可视化虚拟仿真技术,是以三维可视化数字模型为基础,利用数字仿真,模拟模型的三维几何信息和非几何信息(如进度、材质、体量)[1]。通过创建面向工程结构化对象的施工建筑信息模型(BIM),可视化展示工程结构的体量以及施工方案难点。同时模型中加入时间维度,模拟施工工序,实现工程虚拟施工[2-3]?;贐IM的可视化虚拟仿真技术,为隧道施工创新发展提供了突破口。

本文将研究施工BIM创建方法,技术方案的3D利用BIM模型自动核算阶段工程量的方法和流程,以辅助施工组织设计和项目管理决策。

1隧道施工BIM模型创建

根据铁路矿山法施工的复合式衬砌隧道结构设计及施工方法、工序等,开发面向对象的隧道施工BIM模型构件库。所谓面向对象的建模方法[4],即按照隧道结构空间关系,划分不同的构件,定义构件的空间形状和信息属性,最后通过组装构件形成模型。隧道施工BIM模型如图1所示。

图1隧道施工BIM模型

复合式衬砌隧道BIM模型的构件可划分为超前支护、初期支护、二次衬砌、仰拱填充、防排水、沟槽等6大类别。模型构件命名规则使用“构件类别+构件类型(围岩级别、衬砌类型)”。隧道围岩级别划分为Ⅰ—Ⅵ6个等级,在每一围岩级别下,又划分为不同的衬砌类型,以英文字母表达。限于篇幅,定义了Ⅴ级围岩和a、b衬砌类型的构件命名示例,如表1所示。

表1复合式衬砌隧道BIM模型构件命名

针对构件的细部构造,建模时需考虑进一步结构化分解,从而设计标准化构件。细部构造的命名也宜使用“构造类别+构造类型”规则,而构造类型一般宜使用“规格”参数。以下以格栅钢架为例,进行详细的细部构造分解,如表2所示。

BIM模型建模的关键是开发构件资源库,构件定义的内容主要包括构件命名、构件编码、建模精度和信息粒度4方面,其中信息粒度包括几何信息和非几何信息[5]。建模精度是指构件在模型中的单元大小,隧道施工BIM模型中各构件的建模精度需满足施工工序管理的要求,具体如下。

1)超前小导管、管棚、中空锚杆、砂浆锚杆的构件单元,宜按1环的组件形式,相邻2环呈梅花状布置。

2)钢筋网、型钢钢架、格栅钢架的构件单元,宜按1环的组件形式。

3)喷射混凝土的构件单元,宜按开挖步纵向长度。不同围岩级别差别较大,一般为0.5~3.5m。

4)仰拱填充、底板、仰拱及仰拱部防水板构件单元,宜采用施工模板的模筑长度,一般为6~8m。

5)拱墙构件单元,宜按模筑纵向长度,一般为10~12m。

2BIM在隧道施工中的应用

2.14D虚拟施工

4D虚拟施工是用AutodeskNavisworks的虚拟仿真环境,对3D几何空间模型添加时间维度,虚拟推演实际施工过程[6-7]。具体来说,是将BIM模型与施工组织进度计划相关联,以进度驱动模型的虚拟仿真。具体技术路线如下:

1)用AutodeskRevit建立3D数字模型,赋予每一构件施工工序属性参数;

2)用Project编制工序的时间任务项数据源;

3)用Navisworks集成模型和工序时间数据源,在虚拟仿真环境中实现模型的虚拟建造。同时进行实时的过程交互,虚拟推演施工方案,动态检查方案可行性及存在的问题,优化调整施工装备、工艺等[8-9]?;贐IM的虚拟施工方案流程见图2。

图2基于BIM的虚拟施工方案流程

图3(a)展示了隧道4D虚拟施工过程,对超前支护、初期支护、仰拱填充和二次衬砌所有结构节点进行动态施工模拟。图3(b)展示了施工进度信息和横道图,对每个构件进行施工流水段、时间的定义。

从图3可清晰查看所有构件的施工顺序和时间节点,通过对比分析施工计划和实际施工进度的状态,便于项目管理者实时动态掌控施工进度,确定最好的施工顺序和时间节点,快速调整施工资源,随时为制定物资采购计划提供及时、准确的数据支撑,对项目成本管控提供技术支持,以实现项目精细化施工管理。

图34D虚拟施工

2.2方案与工法可视化交底

传统的二维CAD图纸表达工程结构节点设计时,往往需要平面图结合多个剖面图才能表达清楚,而BIM以三维数字模型为基础,真实表达工程结构节点的空间几何形状、位置与功能关系,将复杂空间的设计变得更加直观,实现模型“所见即所得”的效果,且可以进行360°视角的空间可视化[10],降低了施工作业人员理解图纸的难度,有效避免了因对图纸理解不清而产生的施工错误。

复合式衬砌隧道的环向施工缝需设置中埋式橡胶止水带,纵向施工缝需设置中埋式钢边橡胶止水带。图4(a)是CAD图,图4(b)BIM模型。通过两者对比可知,利用三维模型对现场施工员和班组进行技术交底的效果显著。

图4止水带模型

利用BIM虚拟仿真技术,进行结构节点施工工法的三维展示,将结构设计和施工方案变得更加直观,方便施工作业人员的理解运用。通过AutodeskRevit软件创建施工BIM模型,并定义构件“阶段化”施工顺序,将模型导入AutodeskNavisworks软件,搭建虚拟仿真环境,以展现模型的施工工法,进行可视化交底。图5是V级围岩隧道采用的三台阶七步开挖工法,图6是桥台进洞段采用的CD法开挖工法。

2.3工程量动态核算

在施工过程中,根据二维图纸计算工程量十分繁琐、重复冗余,浪费了大量的人力物力,且精度普遍不高,对工程计量影响很大;而BIM数字信息模型具有精准的三维体量,结合施工进度,可以快速获取阶段工程量[11]。具体方法是:

1)用Revit建立分部分项工程BIM模型,赋予模型构件的体量、施工阶段属性信息;

2)根据实际施工状态,统计当前施工阶段的分部分项模型体量明细表;

3)参照工程量计算量纲公式规则,由模型体量生成分部分项工程量。例如,图7是Ⅳb型隧道开挖步模型,其中初期支护、仰拱及仰拱填充轴向长度是6m,拱墙轴向长度是12m。表3是Revit自动统计出的模型构件体量,按照工程量量纲公式规则,最终得到开挖步的工程量(见表4)。经比对,模型输出的工程量与二维施工图工程量清单一致。

图5三台阶七步开挖模拟

图6桥台进洞段CD法开挖模拟

图7Ⅳb型复合式衬砌隧道模型

3结论与讨论

1)目前,BIM技术在隧道工程中的应用尚处于探索阶段。按照工程结构化的构件命名规则,以及工序管理的精度要求,利用面向工程实体对象的三维建模方法,创建了铁路矿山法隧道复合式衬砌施工BIM模型,可辅助隧道工程施工组织3D可视化设计和4D虚拟施工管理。

2)利用BIM可视化虚拟仿真技术,建立了隧道施工技术方案的3D模型可视化设计与交底、施工方案的4D模型虚拟施工推演与优化,以及自动核算阶段工程量的方法和流程,可为隧道工程BIM技术的实践和推广提供应用参考。


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