泥水盾构下穿渭河的BIM技术应用研究★

张 欣，李长鑫，解 洋，杨春奇，徐 可，丁 浩，李 杰

(1.中电建(西安)轨道交通建设有限公司,陕西 西安 710049；2.西安交通大学人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049； 3.西安市轨道交通集团有限公司,陕西 西安 710049； 4.上海浦东开发(集团)有限公司，上海 201204)

现如今，我国的城市发展同地铁工程的大力建设有着紧密的关联。在地铁工程施工期间，会产生大量的数据与信息，而当设计出现变更、施工条件发生变化及不可预见的情况发生时，更会引起信息的急剧增加，因此需要对其展开高效管理，才能够保障地铁工程施工的顺利进行[1]。BIM技术的诞生，能够有效提升地铁工程的信息管理工作，是确保地铁施工能够朝着信息化、智能化、工业化发展的核心因素。此外，BIM技术在施工信息管理方面具有不可替代的优势，因此在开展盾构法施工过程当中，同BIM技术相结合，能够达成更为有效的信息管理[2]，是降低施工成本投入、加快施工进度的核心因素[3-4]。由此可见，对BIM技术在地铁盾构施工中的有效应用策略展开分析，是相关从业人员迫在眉睫需要处理的问题。而本次西安地铁下穿渭河是西安一号线三期建设过程中最为复杂的一段施工，其下土层主要为富水砂层，地质情况复杂，在陕西省范围内属首次，并且依据西安地铁规划，类似的下穿还有7次～8次，因此科学安全的完成本次下穿有非常重要的意义，在此工程中BIM技术对施工安全性、高效性起到了极其重要的作用，并对其他远期规划中的类似工程具有十分重要的参考意义。

1 工程概述

本论文研究依托西安地铁1号线三期工程，该工程西起咸阳秦都站，东至一号线二期工程起点站森林公园站，线路全长10.61 km(右线)，均为地下线，设7座车站，其中换乘站4座。

本项目拟建的中华西路—安谷路区间位于中华西路与安谷路之间，沿彩虹二路、世纪西路敷设，由北向南下穿滨河西路、渭河主河槽、河堤路、咸阳中铁路桥有限公司、宇宏健康花城小区等，如图1所示。

2 工程特点

本项目区间地层以中砂、细砂层为主，同时存在砾砂、圆砾、黏土层，其中区间隧道洞身范围内地层自上到下分别为粗砂、粉质黏土、粗砂、中砂、粗砂，盾构区间处于中砂层。存在如下施工特点：

软土地层沉降较难控制的特性。一般来说，只要泥水仓满仓并建有适当的土压，地表的沉降都会得到有效控制，但在软土层中即使泥水仓建有压力，沉降有时也得不到有效控制，在盾构掘进振动扰动下极易使原土体结构破坏，使土体强度聚然降低，析出水分或减小空隙比使体积缩小，形成触变性沉降。

区间结构拱顶距河底竖向净距约15.5 m，距最低冲刷线约5.4 m。穿越区域盾构拱顶与地表之间主要为砂层等透水地层，盾构掘进扭矩大、推力大，施工过程中如参数控制不当，极易引起地面沉降，可能产生冒顶、河水倒灌涌水等情况，影响盾构施工安全，保证盾构掘进过程中安全是本工程的重点。

在穿越地层渗透系数大的砂层时，注入掌子面前面的泥浆易被稀释，很难形成隔水泥膜，泥水压力难以建立，施工过程中如果控制不好，可能产生开挖面失稳、河底冒浆等风险，控制好盾构掘进参数，防止开挖面失稳、制造高质量的泥膜是本工程的重点。

针对以上施工难点，本项目拟通过对盾构穿越时地面、河底等实测数据进行分析。根据监测数据、有限元分析结果对盾构掘进参数进行反馈，实时调整盾构掘进参数保证盾构安全顺利穿越渭河。并依托BIM技术进行辅助工程施工，将测量监测数据、有限元分析结果、盾构掘进参数等数据链入BIM模型中，进行三维技术交底，提高盾构施工信息化水平。

3 BIM技术应用点

3.1 项目部模型

安谷路站属于一号线三期工程，位于咸阳市秦都区咸阳世纪西路与安谷路的交汇处，沿世纪西路呈东西向敷设。安谷路站为地下两层岛式车站，车站主体基坑长219.2 m。自小里程0.2%坡向大里程，标准段宽19.7 m，东西端头井宽24.7 m，底板埋深约为17.5 m，覆土厚度中心里程处约3.5 m。车站主体采用明挖顺作法施工，基坑支护结构采用钻孔灌注桩，基坑内设钢管支撑，车站主体为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，结构外设置全外包防水层，车站共设4个出入口、2组风亭。根据所给平面图设计资料及其他相关资料，使用Revit软件建立安谷路站项目部的模型，如图2所示。

3.1.1 一般特定构件的建立

Revit自带的族库中有可用于直接调取并导入项目模型中的族文件，该类文件的存在可以显著地提高地铁建模的速度，为地铁工程以及其他工程的应用提出了新的选择方案。但由于目前BIM技术在地铁工程中应用较少，数据库族文件较少，所以针对于复杂的地铁模型建模比较困难。不过，用户也可以根据需求自主建立族文件，虽然族文件的建立过程比较复杂，但它可以大大降低重复建模的时间。所以在项目部的建立过程中，优先选择族文件数据库中和项目相适配的模型，无法在数据库族文件中找到的构件，可按照其尺寸直接采用新建族文件的方式建立，并导入项目文件中。

3.1.2 复杂机械设备的建立

对于部分复杂的机械设备等构件，因为组成其整体的各构件尺寸千差万别，且构造细节繁多，如若真实还原所有构造细节以建立该类模型，则建模工作量大、耗时长，使得建模成本增高。对于该类构件，可直接在数据库中调取相适应的族文件并插入到项目部模型中，而无法在数据库中找到对应族文件的构件，可以按照其型号在第三方插件中找到对应的族文件或者与之相似的族文件，并导入项目文件中。

因此在项目部建模过程中，主要分为两类构件：一类是需要自主建立的，一类是可以直接从数据库中调取导入的。前者耗时较长，但可调整性强，可以根据需求自由地调整构件形状和尺寸，以使模型可以真实、精确地体现出各分部的信息；后者耗时短，建模速度快，但模型的可调整性差。不过在建模过程中，二者各自有着不可被取代的优点，所以在实际建模过程中，需要设计者根据项目的实际情况来斟酌如何利用它们各自的优点进行建模。

而本项目前期，根据设计图纸和资料，以及对安谷站项目部实际情况进行考察，将模型中需要建立的各构件进行分类，对其中多数简单的构件自主建模，如浓缩池、混凝土管片、库房等等。部分较为特殊、复杂的构件在数据库中调取或在第三方插件中按照其型号找出相匹配的族文件，然后导入项目部模型文件中，如挖掘机、龙门吊等。此次安谷站项目部建模过程中，结合这两种方法各自的优点在不失精确度的条件下保证了效率，更加契合本次工程实际。

3.2 隧道模型

隧道建模过程中大都是机械、重复性的工作，手动建模效率低。另外，由于Revit软件自身的曲面建模能力不足，即较难建立异形结构及曲面模型，无法满足用户的个性化设计需求，所以Autodesk公司针对Revit曲面建模能力的不足推出了补充产品Dynamo插件。所以本项目BIM模块的完成过程中，首先基于Revit软件“所见即所得”的建模特点，使用其自身的功能对项目部模型和地质地貌模型进行建模，而隧道模块则引入了Dynamo插件来进行辅助建模。

Dynamo软件因其可视化编程的特性，为该类建模工作提供了便利，因此本次项目中隧道部分模型的建立，主要使用的是Revit+Dynamo方法，该方法的基本原理是通过Dynamo驱动管片自适应族来实现参数化建模，在Dynamo中把管片环半径、管片宽度、标准块、连接块、封顶块的角度等参数作为基本参数，经数据处理之后，就能确定每个管片的关键点，用来定位管片自适应族。这样一来对盾构隧道通用管片进行建模时，曲面、复杂孔洞等问题可以被有效解决，并可以根据不同的情况用于不同尺寸的隧道模型。

使用Dynamo+Revit方法建模的基本步骤如下：

1)基础数据的准备。根据隧道断面的设计图纸，以衬砌管片标准块为底图，然后制作以管片各角点和各长边中点等共12个点为自适应点的自适应族构件(见图3)，节点编号按逆时针顺序排列，然后以上下底面为约束面创建实心形状，最后另存为rfa文件格式。

2)然后在Dynamo中进行编程，将代码块按一定逻辑连接在一起以构成实现自定义算法的命令流，从而编制成可以驱动自适应管片族来实现参数化建模的第三方插件。

3)根据隧道路线的设计图纸，将处理好的隧道中心轴线导入Revit，然后调整隧道管环外半径、管片厚度、管片宽度、错峰布置类型、管片圆弧角度等参数(见图4)，最后运行Dynamo生成隧道模型(见图5)。

3.3 地质地貌模型

地貌由北向南依次通过渭河北岸二级阶地、渭河河漫滩、渭河南岸一级阶地三个地貌单元。区间隧道洞身范围内地层自上到下分别为粗砂、粉质黏土、粗砂、中砂、粗砂，盾构区间处于中砂层。

隧道模型建立完成后，根据地质勘测资料来优化土层模型，自上而下分层建模，先拾取土层轮廓然后拉伸为土层模型，再使用不同的颜色来表示不同的土质，并附上标注以标明各土层的具体信息。最后，突出显示隧道模型，以直观体现其与周围围岩体的相对位置关系，如图6，图7所示。

3.4 信息链入BIM模型

上述模型建立好后，需要将监测数据、有限元分析结果及盾构掘进参数链入BIM模型中，以便直观地观察地层的沉降及力学响应，完成数字化移交。而Revit在这方面的功能尚不成熟，通过查阅相关资料，本项目将使用Bentley的Open Roads Designer软件来实现该操作。其实施步骤为：在Revit中将建立好的BIM模型以dgn的格式导出，然后导入ORD软件中;添加链接可以事先在资源管理器中创建链接，此种方式创建的链接保存在当前dgn文件中或当前工作空间中，方便其他文件导入或共享使用。通过资源管理器给元素添加链接，支持给一个元素加多种格式的多个链接，也可以选中元素后右键菜单向模型中各元素添加链接。

添加的链接可以是单个的图片、文档、视频、网页链接等，也可以将整个文件夹作为链接。然后选择处理好的力学数据图像、材料属性表格、施工现场照片、工序视频或网页链接等施工相关资料完成信息的链入，分别在各沉降处链入左右线的沉降数据，在各盾构管片上链入有限元分析结果，如管片位移、土体位移、掌子面位移随掘进压力、注浆压力和水深的变化情况，以及管片内力随掘进压力的变化情况等施工过程中产生的相关信息。信息链入完成后，双击该处的链接点就可以调取出该点的工程相关信息，如图8所示。

这样点对点的链入方法，有助于参建各方直观地获取模型的相关信息，提高了模型的信息化水平，且成本较低。此外，将监测数据和有限元分析结果导入BIM模型当中，突破了在以往的课题研究过程中，监测及有限元分析所研究的对象难以清晰地被表示出来，从而导致其他学者无法直观地接收到研究人员所阐述对象的位置、形状、材质等相关属性的信息。因此可以通过使用Revit+ORD的方法，在BIM模型中直观地展示出各课题研究人员着重研究和分析的对象的相关信息，如监测点、土体最大位移点、管片最大内力点等特殊点的位置，不仅起到了直观展示的作用，还为监测和有限元分析提供了有利的着手点。

3.5 BIM辅助管理平台

最后可以将Web端信息集成平台链入上述模型中，同样点击链接点即可弹出该平台，然后现场的工作人员和技术人员可以实时地将现场相关资料进行上报，从而高效地对项目进行进度管理、质量管理、安全管理等[5]。

例如施工进度管理，可以对施工计划进度进行审核或者变更；质量管理可以进行方案报批和原材料进场审批以及施工技术交底等操作；安全管理可以上报员工入职体检和入职相关培训的信息，还有日常安全考核和季度安全考核等安全管控情况；这些信息都可以从现场及时地申请上报，然后管理人员可以通过平台实时掌控所有信息，提高了项目管理的效率，以及数字化移交的水平。

4 结语

本文依托西安地铁1号线三期工程进行了BIM建模研究，利用了Revit,Dynamo软件各自的特点，分别对项目部、隧道、地质进行了建模，并在传统BIM建模的基础上结合使用了Open Roads Designer软件，有效地提高了模型的信息化水平，优化了场地布置，节约了施工用地。现将本文的主要内容总结如下：

1)建立了安谷站场地模型，分别对施工场地进行了详尽的建模，如浓缩池、混凝土管片、库房等等，部分较为特殊、复杂的构件在数据库中调取或在第三方插件中按照其型号找出相匹配的族文件，然后导入项目部模型文件中，将场地模型进行优化，合理布置泥水盾构场地，节约了用地，降低了施工成本。

2)根据设计资料、地勘信息对中-安区间隧道模型、地层模型及周围地物地貌模型进行了建立，可清晰查看区间沿线三维空间地层分布情况，为盾构机提前预判施工风险、动态修正掘进参数进行动态调整提供了依据。

3)在BIM模型中独创性的将盾构施工监测数据以及有限元分析结果进行可视化链入，从而可清晰查看盾构掘进过程中地面监测点及河道中沉降标沉降、隆起等数据，为实现信息化施工及时调整优化施工参数提供了便捷的帮助。

4)最后提出可以通过链入Web端平台的方式，对施工现场的相关资料进行集成，将现场上报的数据、信息等及时地反馈给管理人员，从而有利于加快现场工作的推进及工程施工质量的保障，大幅地提高了工程管理的效率，对项目的顺利完成具有重要意义。