姬付全，翟世鸿，王潇潇，陈富强，刘　毅

(1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，武汉　430040；2.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，武汉　430012)



BIM辅助铁路隧道施工方案可视化设计应用

姬付全1，翟世鸿1，王潇潇2，陈富强1，刘毅1

(1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，武汉430040；2.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，武汉430012)

摘要：基于BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，研究BIM辅助施工方案可视化设计和虚拟推演的方法和流程，以及施工方案的环境、结构和施工设施等三维数字模型设计原则。针对铁路隧道仰拱与仰拱填充施工特点，利用BIM辅助施工方案可视化设计，建立施工方案的三维数字模型，优化设计仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺，模拟方案的施工过程。结果表明，BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计，取得了很好的效果。

关键词：铁路隧道；BIM辅助设计；施工方案；仰拱与仰拱填充；可视化设计；虚拟施工

1概述

随着我国高速铁路工程建设快速发展，尤其是铁路隧道施工高标准化建设，传统的隧道仰拱与仰拱填充施工工艺不能满足隧道施工技术的发展，以及人们对仰拱混凝土外观质量、结构尺寸、线形控制、施工高效的需求。目前，在铁路矿山法复合式衬砌隧道施工中，仰拱与仰拱填充多采用传统的拼装小模板的施工工艺，存在人工安装费用高、设备工装低、施工质量低等问题，并且施工进度难以保障，严重影响工期，常常导致隧道掌子面开挖安全步距超标、影响防水板和二次衬砌等后续工序的结构衔接质量和进度等问题[1]。因此，仰拱与仰拱填充成为制约隧道高质量快速施工的控制性工序。

BIM技术是以3D数字模型为基础，以三维模型的平、立、剖等视图联动设计方式，取代了传统的单视图线条式设计，以“所见即所得”的形式，把三维的设计思考变成可见的立体实物，提供真正的三维方案可视化设计环境[2，3]。利用BIM模型，通过虚拟现实技术对方案进行全方位互动性的直观展现，推敲方案的合理性，提供在4D虚拟仿真环境中展示方案的方法与流程[4，5]。

针对现状问题，结合施工工序管理需求，利用BIM技术可视化、协同性、模拟性、优化性等手段，开展隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺设计，具有重要的探索应用价值。

2基于BIM的施工方案设计原理

传统的施工方案深化设计，是在二维的施工图上想象构思，利用以往的施工经验，主观选择施工方案的装备、工艺等。但往往存在装备选型不合适、工艺繁琐或可行性差，以及简单的“错、漏、碰”等深化设计图纸问题[6]。然而，BIM的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，为施工方案的装备、工艺的设计优化、可行性验证提供了技术途径。

实现施工方案的3D可视化和4D虚拟仿真的基础，是建立能真实描述施工方案的三维数字模型[7，8]，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。其中，环境模型是施工方案的虚拟布置场地、前置及后置施工工序等环境影响因素。结构模型是施工方案虚拟建造的工程结构实体物。施工设施模型是施工方案采用的机械设备、模板、模具等作业设施，是BIM辅助施工方案设计的关键。依据模型构件的施工动态逻辑关系，通过施工步序的时间任务项驱动模型构件，表达施工方案的虚拟建造过程[9，10]。

利用Autodesk Revit、Navisworks软件实现施工方案可视化设计[11]，具体方案如下：(1)通过Revit建立三维数字模型，每一构件的属性信息应配置唯一的施工步序参数，导出NWC模型文件；(2)利用Excel编辑每一施工步序的时间任务项，具体包括任务名称、任务类型、开始时间、结束时间、ID序列号等，导出CSV文件；(3)通过Navisworks导入NWC模型文件和CSV时间任务项数据源文件，利用一定的自动关联规则，使得模型构件与时间任务项一一对应关联，在Timeline虚拟仿真环境中进行时间任务项驱动模型的4D虚拟建造。图1为基于BIM的施工方案可视化设计流程。

同时，在BIM的4D虚拟仿真环境中，可以进行实时交互的过程模拟，虚拟推演施工方案的过程，动态检查方案可行性以及存在的问题，优化施工装备、工艺等[12]。图2为基于BIM的施工方案优化流程。

图1　基于BIM的施工方案可视化设计流程

图2　基于BIM的施工方案优化流程

33D模型协同设计

模型协同设计原则：首先根据施工现场环境条件，建立环境模型，形成虚拟真实的设计环境。然后建立结构模型，将未施工的结构物对象预设在已有的施工环境中。最后在环境模型的作业空间允许界限内，结合结构模型的施工需要，在同一设计环境中，进行施工设施模型的可视化设计和虚拟仿真优化，从而实现施工方案的模型协同设计效果。

为了实现隧道仰拱与仰拱填充施工方案设计和可视化展示，需要利用Autodesk Revit软件建立以下3个模型：环境模型包括隧道初期支护、前方拱底土石方；结构模型包括仰拱、仰拱填充；施工设施模型为仰拱与仰拱填充快速施工台车。

3.1环境模型

隧道初期支护、前方拱底土石方开挖，为仰拱与仰拱填充施工方案的前置施工工序。根据施工图Ⅲ级围岩Ⅲb型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道初期支护与拱底土石方模型，如图3所示。需要注意的是，初期支护模型只需具有静态的施工环境布置特征，不参与施工方案虚拟推演过程。而拱底土石方模型，需要反映出动态开挖的过程，要赋予施工步序参数，构件的建模精度采用沿隧道轴向6 m一段的划分原则。

图3　隧道初期支护与拱底土石方模型

3.2结构模型

根据施工图Ⅲ级围岩Ⅲb型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道仰拱与仰拱填充模型，如图4所示。其中，仰拱的矮边墙高出填充面300 mm，仰拱填充预留中心盖板沟，仰拱采用C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，两者相对独立浇筑。模型构件赋予施工步序参数，建模精度采用沿隧道轴向6 m一段的划分原则。

图4　隧道仰拱与仰拱填充模型

3.3施工设施模型

隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工设施模型，是指仰拱与仰拱填充快速施工台车(简称仰拱台车)设计，主要包括模板系统与行走系统两部分设备。由翻转组合式仰拱模板、端头模板、中心水沟模板构成的整体式模板系统；由一对自行式桁架梁组成的独立行走系统。如图5所示。

图5　仰拱台车模型

仰拱模板设计为左右两幅翻转式组合钢板，模板沿隧道轴向的长度为6 m，由固定部分(与刚性骨架刚接)和活动部分铰接组成，安装、定位、拆除操作简便快捷，尤其减少了固定部分钢板本身变形损伤，可很好地保证仰拱矮边墙线形控制。

端头模板由钢板和型钢梁组成，与仰拱模板和中心水沟模板活动连接，同时在移动运载模架系统时，使模板系统形成为一个整体，定位准确，移动就位快捷。

独立行走系统的动力设备包括电葫芦和卷扬机(固定在后支座上)，由1对桁架梁为模架系统提供滑行轨道。

44D虚拟施工

4.1建立虚拟仿真环境

通过Autodesk Navisworks导入模型NWC文件，得到虚拟仿真环境下的模型。利用Timeliner模块添加施工步序时间任务项数据源CSV文件，生成虚拟环境下的时间任务项，并使用规则自动附着于模型，使得每一施工步序的时间任务项与模型构件一一对应。模型赋予时间属性后，生成虚拟仿真环境下由时间驱动的4D动态模型，从而可进行施工方案的虚拟推演。

4.24D施工方案演示(图6)

隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工步序模拟过程，具体如下：

(1)测量放样，模架系统就位(图6(a)、图6(g))；

(2)卷扬机驱动桁架梁向前行走至下一循环位置；浇筑仰拱混凝土(图6(b))；

(3)手葫芦起吊、上翻仰拱压模活动板(图6(c))；

(4)浇筑仰拱填充(图6(d))；

(5)电葫芦起吊端头梁、整体模架向前滑移6 m，前方隧底砟石开挖(图6(e))；

(6)电葫芦下放端头梁，手葫芦下翻仰拱压模活动板(图6(f))。

图6　施工方案演示

4.3效果评价

仰拱模板设计为翻转式组合钢板，由固定部分和活动部分铰接组成，实现仰拱与仰拱填充连续循环浇筑，保证仰拱矮边墙浇筑质量和线形控制。端头模板依据仰拱与仰拱填充的结构尺寸进行设计，模板底与仰拱中埋式止水带位置、形状一致，便于固定中埋式止水带，模板顶与仰拱填充面高程一致，可控制仰拱填充浇筑高程。

利用端头模架固定仰拱模架和中心水沟模架，组成可拆卸式整体模板系统，依托独立的机械动力行走设备，一次快速循环移动、精确定位，缩短支模时间，避免人工操作误差，保证洞内交通。仰拱作业面分为两个作业区流水施工，一是仰拱底部开挖(必要时绑扎仰拱钢筋)作业区，二是仰拱与仰拱填充连续浇筑作业区，大大缩短了循环作业时间。

5结论

(1)利用BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，建立了BIM辅助施工方案可视化设计和虚拟推演的方法和流程。

(2)BIM辅助施工方案的三维数字模型设计，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。利用BIM模型，通过4D虚拟现实技术对施工方案进行全方位互动性的直观展现，优化施工方案的合理性。

(3)BIM辅助铁路隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺可视化设计，效果显著。BIM辅助设计的仰拱台车能够很好应用于实际施工，对BIM技术在隧道施工中的应用具有一定的参考价值。

参考文献：

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[2]黄亚斌.BIM技术在设计中的应用实现[J].土木建筑工程信息技术，2010，2(4):71-78.

[3]逯宗田.铁路设计应用BIM的思考[J].铁道标准设计，2013(6):140-143.

[4]张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文.BIM在工程施工中的应用[J].施工技术，2012，41(16):10-17.

[5]卢祝清.BIM在铁路建设项目中的应用分析[J].铁道标准设计，2011(10):4-7.

[6]戴林发宝.隧道工程BIM应用现状与存在问题综述[J].铁道标准设计，2015，59(10):99-102.

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[9]李宁.基于BIM与IFC的混凝土坝施工仿真信息模型构建方法研究[D].天津:天津大学，2012.

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[11]何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术，2010，2(4):110-117.

[12]张为和.基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究[J].铁道标准设计，2015，59(3):82-86.

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

文章编号：1004-2954(2016)05-0108-04

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-09-25

作者简介：姬付全(1987—)，男，工程师，2012年毕业于东南大学，工学硕士，E-mail：573036415@qq.com。

中图分类号：U452

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.023