泥浆干化 BIM 系统在市政隧道工程中的应用

邱俊男(上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司， 上海 200093）

近年来，在城市快速路建设过程中，泥水盾构以其无须特殊土体改良、地质适应性强、开挖面稳定性高等优点成为国内越江隧道建设的主要施工技术。其中，泥浆处理是此类工程技术的重点。某市政越江隧道工程采用了泥浆干化系统来解决这一问题，即将泥浆干化处理成渣土然后再运输。故如何在有限的空间内合理安排复杂的泥浆处理系统成为该项目建设的一大难点[1]。

本文依托建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技术，即建筑模型信息化，根据泥浆干化系统原理，结合某市政越江隧道盾构场地实际情况，进行泥浆干化系统施工场地布置优化设计[2-3]。

1 盾构泥浆干化处理系统基本原理

目前我国废弃浆液处理的方式主要有以下 3 种：压滤处理、离心处理和固化处理[4]。结合工程周边环境以及地质土体情况，本工程选取泥水分离系统及压滤系统相结合的形式。

盾构机开挖过程中产生的渣土被泥水携带，通过泥水循环的方式泵送到地面泥水处理设备。泥浆进入缓冲箱后流到黏土块分离机，大块黏土通过分离机直接进入渣土坑，剩余泥浆进入一级旋流系统。一级旋流系统通过水力旋流、振动筛将 54 μm 以上粒径颗粒进行分离，分离后的渣土颗粒直接进入渣土坑，剩余泥浆进入二级旋流系统。二级旋流系统通过水力旋流、振动筛将 20 μm 以上粒径颗粒进行分离，分离后的渣土颗粒直接进入渣土坑，剩余泥浆进入调浆系统。

调浆系统通过加速沉淀，上层优质泥浆溢流进入调整池供盾构机掘进使用，底层大比重泥浆泵送至压滤设备进行终端压滤干化，干化后的渣土直接弃至渣土坑。所有进入渣土坑的废渣含水率应＜30%。

2 场部 BIM 正向设计

2.1 施工场地布置正向设计流程

利用 BIM 技术开展场布正向设计，可以通过 BIM 技术的三维可视化、施工模拟、碰撞分析、管线优化信息传递及场地漫游等功能，对平面布置中潜在的不合理布局进行分析，对安全隐患进行排查，优化平面布置方案。利用BIM技术开展场布设计的流程如图 1 所示。

图 1 BIM 技术开展场布设计流程图

2.2 场布设计关键技术

2.2.1 场地设施设备参数化布置

（1）根据计算进行设备选型。该越江隧道项目盾构机排泥流量为 2 000 m³/h、推进速度为 5 cm/min，地质资料显示 20 mm 以下颗粒含量约占 50%。选用 KMZ-2000×2型泥水处理系统，2 套 MTP-2000 型泥水分离设备、2 套ZTJ-160 型制调浆系统以及 6 套废浆干化设备。

（2）参数设定。根据工艺及各设备之间的逻辑关系，初步确定相互位置关系并设置参数，通过这些参数，建立各设备空间位置的逻辑关系，后期场地中各类设施的位置都需要基于这些参数进行驱动，需考虑的参数主要见表 1，泥浆感化系统设备之间初步位置布置如图 2 所示。

表 1 场布参数化设计参数表

图 2 泥浆感化系统设备之间初步位置布置图

（3）创建设备参数化族库。根据设备选型，建立设备全尺寸的族库模型，对于轮廓相同、但型号不同尺寸也随之变化的设备，在建立族库模型时需设定自定义参数以便利用其进行数据关联及驱动。

（4）编制程序。利用 BIM 搭建等比例设施设备模型及设置其机械操作范围。基于实际施工工况，注意不同的设备尺寸及其配套设施的相互关系及要求，如不同直径的盾构机需配套不同数量的泥浆池，各类设备之间需满足人工操作及检修的合理空间，设备之间的距离要求等，利用 dynamo参数化工具开展场地参数化布置，可以快速确定机械设备及配套设施的数量及所需场地范围。通过综合考虑材料运输、施工作业区段划分等因素来进行设备选型与定位，显示出三维空间布置比二维平面布置更加直观、便捷的优势。图 3 为场布参数化设计场布模型。

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图 3 场布参数化设计场布模型

2.2.2 管路碰撞检查及优化设计

碰撞检测是 BIM 技术应用初期最易实现、最直观、最易产生价值的功能之一，作为技术管理的延伸，在管理中占有举足轻重的地位。建立 BIM 模型之后，通过运行碰撞检查，不仅可以解决错综复杂的管道之间的碰撞问题，还能通过检查与不同专业模型之间的碰撞，提前预留孔洞和空间，对管道进行有序排列，使各个专业之间的施工工序更趋于合理，专业管线的整体布局更趋优化[1]。

2.2.3 模型信息传递及维护

信息的传递与维护一直是传统施工流程中的一大难点。通过 BIM 单一模型的概念，将所有的正确信息回馈修正到模型，既能确认信息实时性，还可以改善碰撞在传统信息整合与传递中产生的信息的混淆问题，利用大数据使相关信息能达到完整的保留、整合与控管。

通过现场安排人员对 BIM 模型进行数据采集与维护，将现场施工信息与 BIM 的相互绑定，并通过专业平台与 BIM模型相互关联，利用互联网了解现场实时工况，确保施工信息传递的及时和有效[5]。

3 工程应用

3.1 建立 BIM 族库

泥浆干化系统由多个功能区域组成，考虑不同项目的不同功能需求及项目场地的限制，对不同功能区域的尺寸及布置会有不同的需求。利用 BIM 建模软件强大的参数化功能，可以实现不同功能需求及不同环境条件下，各功能区域模型的快速调整，快速建模。图 4 为相关设备模型族库。

图 4 相关设备模型族库

通过对某城市越江隧道工程泥浆干化系统的工作原理和分区情况进行研究，可以梳理出该系统的所有组成区域清单及每个区域对应的参数化要求。利 BIM 软件参数化建模功能，建立一套通用的泥浆干化系统参数化族库。以此为基础搭建完成本项目的泥浆干化系统模型，同时为后续同类工程中的泥浆干化系统模拟提供 BIM 族库储备，降低建模的难度、提高建模的效率。主要工作包括：①泥浆干化系统工作原理和分区情况研究；②各功能区域族库清单的梳理及建模标准的制定；③建立标准 BIM 族库。

3.2 场布设计与优化

结合上述已建立的 BIM 族库，通过采用 dynamo 参数化工具，并结合本工程施工场地环境条件，可快速建立泥浆干化系统的场布模型。一方面可以直观分析场地布置是否合理，并统计出各功能区域之间所需的连接管路长度及接头数量；另一方面结合 BIM 族库中内置的参数，快速调整并计算出当前方案下泥浆干化系统支持的泥浆处理量，使其满足本项目盾构机施工的要求。主要工作包括：①施工场地模型建立；②泥浆干化系统场布方案模型建立；③结合盾构机施工要求及场地环境条件优化场布方案模型。图 5 为泥水处理系统布局，图 6 为细部节点布置。

图 5 泥水处理系统布局

图 6 细部节点布置图

模型建立完成后再与现场 CAD 图纸的比对过程中，发现调节池南侧有一根 110 kVA 电缆无法搬迁，且现场场地狭小。因此再回到 BIM 模型中进行设备布局深化设计，最终将南侧两个调节池放入泥水干化系统箱变的下层，使结构更加紧凑，且布局更合理。如图 7 所示。

图 7 优化后 BIM 模型

3.3 设备、管路碰撞与优化

在完成设备模型并充分了解各设备的运行机制以及原理后，进行设备间的管路布设。利用 BIM 的三维技术在施工前期进行碰撞检查，优化空间设计，减少在施工阶段可能存在的错误损失和降低返工的可能性。同时，优化管线排布方案并进行相关设备管线的初步统计。最后，施工人员还可以利用碰撞优化后的三维管线模型，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量。

3.4 运维管理系统搭建

3.4.1 维护保养台账无纸化管理功能

对泥浆干化系统维护保养涉及的相关台账进行整理，并讨论明确本系统所需台账无纸化的范围及最终所需查看的数据统计报表。利用系统实现相关台账信息的统一管理及相关统计报表的实时查看，使管理层实时掌握泥浆干化系统的运行状况。

3.4.2 故障跟踪管理功能

在系统上建立故障上报、维修处理、验收关闭的故障跟踪处理流程，实现巡视人员发现故障能及时上报，维保人员能及时收到报修信息，处理结果能及时反馈，管理层能及时掌握故障处理的情况的目标。同时可以对泥浆干化系统的故障率、供应商的故障处理效率等信息进行统计分析。

3.4.3 主要工作内容

（1）相关台账、统计报表收集与整理。

（2）数据库设计。

（3）台账无纸化管理功能设计与开发。

（4）故障跟踪管理功能设计与开发。

（5）其他功能设计与开发。

（6）系统操作培训及后期服务。

4 结 语

建筑实体数字化和智能化转型是当下工程施工的一大重点，在信息化已成为行业趋势的今天，信息共享、人机交互、减负增效已普遍得到各工程行业人员的认可。

该市政越江隧道工程通过 BIM 平台开展泥浆干化系统的正向设计，不仅解决了工程中存在的实际问题，而且显著提高了其工程实体的信息化模式，具有模型可视化高、数据自查性强、族库模型复用性好的优点。同时借助此泥浆干化BIM 系统对盾构机施工所产生的泥浆进行精准控制及管理，有效缩短了盾构机掘进的时间，为城市环境的优化和保护做出了贡献[2]。