BIM技术在铁路隧道施工中的应用

王 新,刘振华,谢旺军,张彭云

(1.广西交通职业技术学院,广西 南宁 530023;2.中铁一局集团新运工程有限公司,陕西 咸阳 712099)

0 引言

在铁路工程建设中,铁路隧道是十分重要的一部分,通常此类工程位于偏僻的山区、峡谷,不仅施工条件恶劣,而且还会受到工程现场水文地质的影响,给隧道施工管理带来困难,因此顺利、安全地开展隧道施工并有效完成,成为工程行业亟须探讨并解决的问题。信息科技的高速发展为解决上述问题打好了基础,要想科学管理铁路隧道施工,施工单位可将BIM技术合理应用到工程管理工作中,BIM技术基于三维数字技术,通过综合工程项目数据信息能有效构建信息模型。而且在工程建设各环节的设计部门、施工人员都能参与到模型信息提取、修改与更新中,这样也能帮助各部门协同作业。

本文提出铁路隧道施工中BIM技术应用模式、模型构建方法、管理技术、管理平台等应用策略,为今后的铁路隧道决策、施工管理、运维工作提供参考依据。

1 铁路隧道BIM应用模式分析

依据中国铁路隧道施工的管理体制以及建设情况,本文可通过由建设单位主导,施工与设计单位一同参与的形式应用BIM技术,而该技术的应用模式如图1所示。

图1 铁路隧道施工的BIM应用模式图

在应用BIM技术的过程中,在设计初期建设单位就要做好BIM技术的整体应用规划,还要明确设计单位、施工单位的应用内容与责任,随后还要协调性管理BIM技术的实际应用。对于设计单位而言,设计人员要结合工程实际情况构建BIM技术模型,合理应用BIM技术能将铁路隧道的设计情况直接呈现出来,这不仅有利于设计人员及时发现出错的地方,还能不断优化、改进设计,进而提高设计工作的有效性、先进性。在结束上述工作后,设计单位需将设计初稿、模型交给施工单位,其间要确保模型信息与图纸上的内容相一致,施工单位便可结合图纸与模型合理制定施工方案,构建施工BIM模式。在此技术与模拟科技的帮助下,施工方案能得到优化,能及时发现问题并与设计单位有效沟通进行整改,设计单位在确保没有任何问题后便可出图。此外,在实际建设的过程中,施工单位要结合工程情况合理构建BIM管理平台,还要对施工进度、质量等方面进行可视化管理,科学指导施工建设,将隧道施工的风险降到最低。在完成项目作业后,施工单位要将竣工BIM模型交给建设单位[1]。

2 铁路隧道BIM模型的构建方法

铁路隧道施工存在线性特征,不同区域的地质环境不同,单位可根据地质情况以及隧道建筑分别建模,具体情况如图2所示。结合图例可以发现,地质模型可在虚拟场景布置中进行应用,也能优化设计单位的图纸与模型设计工作。隧道建筑模型有利于施工管理工作的开展,能对施工过程进行有效模拟。在构建完模型之后,借助线路里程以及地理坐标关系便可将建筑模型投放到地理空间内,随之整合模型进而构建出一个较为真实的虚拟施工环境。之所以构建地质模型与隧道建筑模型,是为了在铁路隧道复杂的地质情况下,方便计算机操作,精准地展现BIM技术的优势。地质模型主要依据地形数据构建三维地形模型,结合隧道地质测绘情况与横断面等便能构建地质模型,同时可用不同颜色代表不同地层,再依据现场图片便能实现地层处理,从而确保构建的模型与工程实际情况相一致。隧道建筑模型的构建是通过不同单位对工程项目管理的分工来完成,涉及很多构件信息,如混凝土强度以及材质等方面。

图2 设计期间铁路隧道BIM技术模型图

3 以BIM技术为主的铁路隧道施工管理技术

3.1 4D虚拟施工

在实际作业中,单位可采用Project计划,实现工程三维模型和进度计划的有机结合,以构建4D施工模型。此模型能够真实模拟项目的不同施工过程,呈现隧道施工工序,有利于后续的施工管理。针对较为关键的施工工序也可模拟和优化,得到更加高效、优质的施工方案,并结合工程情况制作施工动画[2]。

3.2 可视化交底管理

在施工建设中,相关人员还应将工程交底信息与施工情况、BIM模型有机整合到一起,这样便可构建出综合性较强的交底信息资料库,从而进行可视化交底作业,具体情况如图3所示。在施工人员触碰任一构件时便可查找到此构件的详细信息,其中包括设备情况、验收标准以及材料数据等,可让施工人员迅速了解工程施工的具体要求。

图3 交底信息资料库图

3.3 4D施工进度管理

使用不同的颜色区分构件的进展情况,如未开始施工、施工过程中等,之后还要依据进度计划制定项目高亮预警,以便管理人员能直观、清晰掌握工作的进展状态,同时也能了解哪些区段处于进度滞后情况,以便对这些区段进行重点监控。施工人员可将拍摄的施工图片上传到模型中,这不仅能记录施工整个过程,还能提高信息的完整性、科学性,了解施工与计划存在的差异,有利于纠偏工作的开展。

3.4 4D施工安全评估管理

在这一阶段涉及了很多内容:(1)安全风险评估工作,结合围岩等级以及地质条件自动识别施工风险等级,用不同的颜色标注施工环节的风险程度,在一定程度上有利于后续施工的开展;(2)进行安全风险预警,通过将地质超前预报以及BIM有机联系到一起,在拱顶下沉等一系列监测数据超过最初设定的阈值时模型系统会自动报警,同时在模型中以红色显示危险区域;(3)日常安全管理,在实际工作中工程安全隐患的可视化管理涵盖了很多内容,如定位、查找隐患区域以及提示预警等,这一过程在很大程度上都有利于日常安全管理工作的开展。

3.5 4D质量监控

(1)需将三维构件与技术质量有机联系在一起,使用不同颜色标注构件的不同检测结果,这不仅有利于施工管理人员快速找到出现质量问题的区域,还能结合具体情况进行针对性质量管控。(2)施工人员能迅速查阅构件相关的质量资料,其中包括质量标准与检测文件等,这不但能帮助管理人员更好地管理施工现场,还能追溯工程构件质量资料。(3)还要结合构件展开全面的质量检查工作。在此作业中施工人员要及时上传质量相关的照片,有利于单位开展闭合式质量管理工作[3]。

3.6 资源管理以及项目总控

在工程建设中要结合条件与区域情况合理统计各种材料的使用用量,这不仅有利于构建材料需求方案,还能针对材料消耗情况进行分析。而要想全面落实项目总控,还要将施工进度、质量以及安全等信息有机整合到一起,找到工程项目存在的问题,以指标趋势进行展示,以利于项目管理人员整体把握。

4 施工管理平台的构建

通过BIM技术可有效构建BIM施工管理平台。从整体角度看,管理平台是基于三维数字、BIM技术施工模型来搭建,同时将施工涉及的各种信息融入模型之中,随之产生了施工集成管理环境。以IFC为基础来落实BIM数据集成管理,不仅能将各种软件的数据有效集成、共享,还能不断扩展施工环节的工程数据,如下页图4所示为管理平台的系统框架。

由图4可知,该平台可分成三级架构,在数据层可管理并存储BIM数据信息,其数据库采用了适宜的应用软件,不仅能存储大量的数据信息,还能对分布异构数据进行协调、共享;数据转换接口可快速转换施工进度等非IFC格式的数据,文件解析器可导入、解析BIM建模软件构建的IFC格式模型。在模型层可结合实际应用需求开展BIM数据集成式管理并通过3D方式呈现,随后可生成4D施工模拟等子信息模型。在应用层可把握进度管理,突出风险控制,做好4D施工模拟以及进度管理等其他业务管理,有利于BIM技术以及总控管理的作用全面发挥。由于铁路隧道施工涉及很多方面的内容,再加上网络条件差,无法便利携带计算机,所以可以移动终端为基础添设轻量化查询以及信息报送等功能,由施工管理人员运用智能手机便可及时查询模型与技术相关的质量资料,还能将工程现场的施工进度、质量等以图片的形式上传到相应构件,自动保存进BIM数据库[4]。

图4 施工管理平台系统构架图

5 BIM在清凉山隧道工程中的具体应用

我国清凉山隧道总长共计12 553 m,该工程不但跨越了秦岭山地,还途经很多水域,其间难免存在不良地质情况,施工也具备较大的风险。依据工程项目的具体需求,构建了BIM施工模型,对施工开挖、衬砌等诸多工序也进行了施工模拟,如图5所示,不仅取得了较好的成效,还将工程施工的质量、效率全面提高[5]。

图5 施工过程模拟图

6 结语

总而言之,将BIM技术灵活应用到铁路隧道施工建设中,不但能在施工建设前将工程设计问题全面解决,还能将设计内容与施工建设不符的情况消除。在BIM模型信息属性的帮助下,隧道工程的施工建设也能趋于数字化发展,这不仅能实现工程项目的可视化与集成化管理,还能将工程的风险管控能力最大限度地提升。此外,结合具体工程实践,BIM技术可实现工程设计与施工的一体化发展,在施工管理平台的作用下施工现场可得到精细化管理。BIM技术具备极大的应用价值与空间,应进一步提高对BIM技术在各行业领域应用的研究力度。