基于双平台的复杂地质条件下地铁盾构施工BIM技术应用

中冶天工集团有限公司

基于双平台的复杂地质条件下地铁盾构施工BIM技术应用

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【摘 要】地铁工程投资大、施工周期长、技术难度大、不可预见分险因素多，对社会环境影响大，利用BIM 技术的三维模拟、可视化、数据化等优势针对此类工程在施工前做好预警及模拟工作，并在施工过程中监控各项影响指标，按照不同阶段进行方案调整及现场应用，很大程度上保障了施工安全，提高施工的可控性。传统的专项方案无法对相关的各环境因素进行分析，往往是只考虑本阶段施工本身，建立信息模型可对各项因素进行直观的判断，对于大型综合性建筑有着重要意义。

【关键词】地铁工程 BIM技术 信息化 施工管理

一、工程概况

(一)项目简介

天津地铁6号线工程是天津市地铁交通网的重要组成部分，北起东丽区新外环东路站，南至津南区梅林路站，线路全长50.1km，设40个车站。我公司负责施工左江道站、梅江风景区站及盾构区间，合同额3.22亿元，盾构区间：左线区间长595.492m，右线区间长595.851m。

工程名称	天津地铁六号线土建施工第R3合同段	工程地址	天津市河西区友谊南路
建设单位	天津地铁建设发展有限公司	设计单位	中铁上海设计院集团有限公司
监理单位	北京地铁监理公司	施工单位	中冶天工集团有限公司
结构形式	钢筋砼框架结构	合同价格	3.22亿元
基础类型	天然地基	围护结构	800mm厚地连墙；三轴搅拌桩
基坑开挖深度	左江道站19.1m； 梅江风景区站18.7m	层   数	地下二层
合同工期	2013年8月1日至2017年12月31日	开工日期	2013年10月15日
总建筑面积	总建筑面积：26640 m2

图1：工程各参建方

(二)工程重难点

本项目施工包含地下盾构施工及区站建设，工程重难点包括，场地狭小：项目位于友谊南路上，是通往会展中心的主通道，因此两个车站均设置单侧施工道路，施工场地十分狭窄;工期紧张：梅江风景区站主体结构盾构井从开挖至结构完成仅90天;两车站过街通道施工时间仅为60天;超深基坑施工(-19.1m)，支护形式多，周边情况复杂，属于危险性较大的深基坑工程，因天津地区特殊地质条件，本工程属于天津市危重大重点工程，基坑对周边住宅小区的沉降影响较大，保证基坑施工的安全性是重点;地质属于沿海地区复杂的千层饼地层，地下水极其丰富，地基承载力低，盾构下穿市政管线、河流等风险大。

图2：千层饼地层结构

二、BIM组织与策划

(一)组织体系

(1)组织架构

我公司建立常态化和标准化的BIM系统组织机构，由公司BIM中心统一负责组织管理，针对本项目设立专职BIM项目经理，并配备BIM项目总监，按照工程单体数量及专业下设各个专业BIM小组，各专业通过统一协调平台高效协同完成BIM各项工作。

图3：组织机构体系

(2)网络拓扑

本项目实施周期长，涉及参与方及协作方较多，搭建满足协同工作的网络拓扑结构，可根据实施项目的特点及工期，选择PC端访问或者搭建缓存服务器的方式进行平台访问，采用缓存服务器的方式搭建网络结构。

图4：网络拓扑结构

(二)标准化程度

为项目的顺利实施，各阶段采用专业的软件体系，建立《模型命名规则》、《参数化构件命名规则》、《模型交付深度》、《BIM出图规则》等一系列的企业标准及交付规则，并设立《三级模型深化及应用流程》、《BIM专业应用管理流程》、《软件模拟作业流程》等各项管理流程。此项目采用调取构件库及参数化建模的方式实现快速搭建标准模型。

(三)平台建设

利用协同平台进行文件托管，可整合各专业的模型，并按照进度、区域进行模型的拆分，满足项目整体应用需求。

(四)模型展示

图5：各专业模型展示

三、BIM技术应用

针对本工程的特点及施工重难点，BIM技术主要在场地工况模拟、专项分析应用、施工阶段应用、运维阶段应用四个方面应用。

(一)场地工况模拟

1.车站场地BIM仿真

通过设计文件提取场地高程，生成场地3D模型，将处理好的地形文件进行地形处理和分析，可提供施工阶段的高程、放坡、填挖方等基础数据，此场地模型为后续场地平整、设计施工道路、土方开挖、模型整合提供基础模型。

2.工况BIM仿真

结合协同平台，利用基础地形模型拾取地形数据，根据地形数据生成建立地铁周边范围场地模型，依据生成场地模型进行施工场地的提前策划和布置，并预估盾构穿河、桥等危险源的位置，以及车站周边环境和已建构筑物的实际位置，提前运用模型和数据模拟周边情况。

3.盾构下穿梅江泵站、卫津河BIM方案模拟应用

1)盾构穿越河流：

通过已有数据(拟建区域市政桥梁、管线竣工图等)建立BIM模型并准确定位，获知区间有30环位于河底，河底距管片顶部距离仅为5.83米，桥墩距盾构外缘仅2米。并提前进行调查和复测，制定技术措施和预案，合理安全的规避了穿河风险。

图6：盾构穿越河流方案模拟

通过已经建立的InfraWorks模型，将桥梁整体模型导出生成Revit模型，并进行准确的调整和修改，生成指导施工的二维图纸，并形成技术指导方案指导盾构穿河施工。

图7：指导生成施工方案

2)盾构下穿梅江泵站：

通过地理定位和数据建立水泵站模型及与盾构的相对位置关系，在模型确定每个局部构件、管涵等的位置距离，结合现场周边实际情况，确定梅江泵站各区域的风险源类别和风险级别。盾构左线横穿友谊南路与进水闸井间2根2000*2200管道，右线横穿进水闸井与主机房之间2根2000*2200管道，以及转折井与出水闸井间Φ2000管道，因雨水泵站风险源较为集中，风险等级为划分为Ⅱ级。

图8：盾构下穿梅江泵站方案模拟

(二)专项分析应用

1.掘进方案比选

通过力学分析模拟单线、双线盾构法掘进位移云纹图以及地表沉降随开挖掘进步数的变化曲线;合理选择盾构掘进方案;从而分析出盾构施工过程中，始发与到达的风险最大，主要有：盾构基座变形;反力架位移或变形;破除门时涌水涌砂涌土;洞门密封失效或漏水;姿态突变;轴线偏离等。

图9：掘进方案比选

盾构施工过程中，始发与到达的风险最大，主要有：盾构基座变形;反力架位移或变形;破除门时涌水涌砂涌土;洞门密封失效或漏水;姿态突变;轴线偏离等。

2.车站深基坑开挖模拟分析

深基坑开挖土体变形预测分析，施工前利用计算模型对基坑开挖过程中的土体变形进行力学分析和预测，动态模拟施工方案，合理的规避施工风险。

图10：基坑开挖过程及位移动态云纹图

(三)施工阶段应用

1.盾构组装及环片施工工艺模拟

通过模拟盾构机组装环片安装工艺，合理比选方案，确保吊机、设备以及环片施工的安全和质量，模拟在有限作业空间的安装方案。

2.盾构施工数据传输及导向系统应用

通过盾构机配置VMT公司的SLS PS+激光导向系统，结合IM模型，实现了如下功能：

(1)计算盾构机的位置并以图像和数字的形式显示出来;

(2)利用马达驱动的高精度;棱镜及高精度双轴倾斜仪;

(3)计算并显示TBM的倾向，实时调整BIM模型;

(4)对导向数据进行备档(掘进报告,日志文件等)，统计进入BIM模型，为后期运维提供数据;

(5)自动检查方向(方位控制)，可实现远程数据浏览。

3.三维空间曲线区间隧道管片智能拼装拟合

建立管片零件模型，拼装组成区间项目所需使用的直线环、左转弯环、右转弯环特殊衬砌环等Dynamo建立自适应模块实现管片智能拼装拟合.

图11：参数化盾构模型

4.碰撞检测

综合各专业模型，提前进行碰撞检测，检查出碰撞点400余处，并生成碰撞报告，指定碰撞位置，并通过ID调用模型指导施工，减少返工，降低成本。

图12：生成碰撞报告

5. 管线综合

采用BIM设计在施工中可以实现可视化交底，合理安排施工顺利，避免返工，做到孔洞精确预留、预留检修空间、合理布置管线，避免管线与土建碰撞。

图13：管线综合

6.工程量统计

利用BIM系列软件可以自动统计BIM模型各构件明细表，再与其他相关专业软件接口，预算准确，并能够做到实时更新，大大减少预算编制的工作量，并且能够为业主和物料采购提供准确信息。

图14：工程量统计

7.钢筋的应用

对钢筋建模放样，定尺优化，生成下料单，统计钢筋信息，进行预制加工。

图15：钢筋的应用

8.BIM5D的应用

通过BIM5D，搭建建筑信息数据库，以满足现场管理对于施工进度、成本管理、物资采购等的使用。

图16：BIM5D平台

9.施工模拟及进度管理

在施工过程中，进行4D施工模拟，对项目施工进度计划，分里程碑节点、分专业、各分包之间层层校核，确保施工正常有序进行。

图17：进度管理

10.物资管理及人工分析

需求提取项目主要材料工程量，形成材料用量总计划，从而预先进行主材的精准采购。在施工模拟时可选取相应的时间进行物资人工分析，优化人员安排计划。

图18：物资管理及人工分析

11.成本分析

通过5D平台进行现场不同阶段的资金趋势以及成本分析

图19：成本分析

(三)运行维护

1.构件运行维护

对各专业模型，录入相关几何物理、生产商等信息，对今后运营与维护进行指导。

图20：构件运行维护

2.设备运行维护

冷水机组族信息录入维护，对车站公共区，设备区走道及机房通风空调系统及水系统BIM模型进行设备编码。

图21：设备运行维护信息

3.构件库建立

建立车站各构件族，车站施工前预先评估车站施工情况，全方位指导实际施工。

四、结语

(一)创新性的应用

1.根据本项目的应用要求，建立针对性的BIM 技术辅助实施方案，利用两个系统的特点进行大型项目的快速建模，实现了系统间的整合应用。

2. 针对本项目的施工重难点，辅助完成掘进方案比选，基坑开挖分析及周边环境影响分析等专项方案的选择。

3. 通过BIM 仿真模拟盾构下穿河流、水泵站、地下管辖等，模拟盾构施工风险源，分析指定针对性的措施方案。

4. 创建盾构设备模型，利用信息模型辅助进行设备的优化、维护，并完成盾片的改进更新。

(二)应用效益

通过对本项目BIM技术应用尤其是在深基坑、盾构施工地下工程相关的BIM技术应用，形成了《天津地铁6号线左江道站深基坑支护工艺及参数优化研究》、《盾构下穿雨水泵站、卫津河等风险源施工关键技术研究》、《天津软土地层地铁车站开挖变形规律数值模拟》、《一种吊装盾构机时长度可变的挂钩》等多项技术创新成果，为公司后续同类工程施工积累了丰富的工程经验。通过本项目BIM技术应用产生经济效益600余万元，节约工期近二个月。

(三)经验教训

1.随着BIM技术的深入应用，在不同应用阶段出现多款软件，适用的软件对于信息的整合及模拟的结果有很大的影响，因此软件的比选显的尤为重要，建议针对不同项目特点，甄选专业建模软件。

2.因建模阶段涉及各专业软件建立的模型，模型的拆分和整合需要强大的协同平台支持，不然惠造成模型无法整合，数据交互不畅的问题。

3.在施工阶段各部门协同管理应用信息模型的过程中，完善的流程设定，对于模型信息添加及流转非常重要。