本文詳細(xì)介紹鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道項(xiàng)目BIM應(yīng)用的全過程方案，文章干貨滿滿，值得收藏學(xué)習(xí)。

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項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

新建鄭萬高鐵北起河南鄭州，途經(jīng)湖北襄陽，到達(dá)重慶萬州。線路全長818公里，設(shè)計(jì)時(shí)速350KM，是中國八橫八縱鐵路網(wǎng)重要組成部分。由中鐵十八局集團(tuán)有限公司承建的鄭萬高鐵湖北段六標(biāo)線路全長35.634Km，總投資29.1億元，合同工期66個(gè)月。

鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道項(xiàng)目

鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-6標(biāo)蘇家?guī)r隧道全長5360m，地處荊山山脈，為雙線越嶺隧道，最大埋深約439m，隧道進(jìn)口采用機(jī)械化大斷面鉆爆開挖方式，承擔(dān)正洞2595m施工，為鄭萬高鐵湖北段工期控制性工程。

1.2 項(xiàng)目重難點(diǎn)及創(chuàng)新性

蘇家?guī)r隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高；隧道單向掘進(jìn)距離長，施工組織復(fù)雜，整體進(jìn)度制約性大；山嶺地區(qū)上場策劃受環(huán)境影響因素大，且交通運(yùn)輸不便，為項(xiàng)目前期施工重難點(diǎn)。

蘇家?guī)r隧道地質(zhì)條件一覽

蘇家?guī)r隧道是國內(nèi)為數(shù)不多的采用加強(qiáng)型機(jī)械化配套施工隧道，為我集團(tuán)隧道機(jī)械化配套施工示范工程。首創(chuàng)高速鐵路軟弱圍巖大型機(jī)械化配套大斷面施工工藝，攻克了隧道施工智能化快速建造等諸多技術(shù)難題。

隧道機(jī)械化配套一覽

1.3 應(yīng)用目標(biāo)及內(nèi)容

（1）以BIM+隧道機(jī)械化為依托，總結(jié)隧道快速施工修建關(guān)鍵技術(shù)，形成“一洞九線”數(shù)字化建造流水作業(yè)生產(chǎn)線；

（2）建立隧道機(jī)械化施工BIM模型庫、可視化工藝庫，提高現(xiàn)場技術(shù)水平和隧道機(jī)械化技術(shù)人員培養(yǎng)速度；

（3）探索利用BIM技術(shù)優(yōu)化施工工序、提高生產(chǎn)效率；

（4）挖掘BIM技術(shù)在隧道機(jī)械化配套施工和管理過程的重要作用，為川藏鐵路建設(shè)“開山鋪路”。

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BIM整體方案

2.1 鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道BIM應(yīng)用組織架構(gòu)及分工

組織架構(gòu)圖

2.2 軟硬件配置

軟硬件配置表

2.3 標(biāo)準(zhǔn)保障

為確保隧道工程BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)施過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所交付的鐵路工程信息模型幾何精度和信息深度科學(xué)合理、滿足實(shí)際工程需求。參考《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》等前提下，編制隧道工程BIM應(yīng)用指南。同時(shí)自定義工作空間，以及 “隧道項(xiàng)目”工作集，統(tǒng)一工作環(huán)境。

隧道工程BIM應(yīng)用指南

2.4 制度保障

以隧道機(jī)械化施工階段數(shù)字化建造為基礎(chǔ)，建立服務(wù)于項(xiàng)目實(shí)施重要環(huán)節(jié)的規(guī)章管理制度，明確主要人員職責(zé)與配合部門職責(zé)，做到統(tǒng)一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一文件，實(shí)現(xiàn)工程主體、數(shù)字模型兩個(gè)維度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

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BIM實(shí)踐過程

3.1 人員技術(shù)培訓(xùn)

為保障隧道機(jī)械化BIM技術(shù)力量可持續(xù)發(fā)展，在項(xiàng)目啟動前期，以集團(tuán)數(shù)字建造中心BIM工程師為主，對子公司開展團(tuán)隊(duì)孵化，通過基礎(chǔ)培訓(xùn)、專題培訓(xùn)等形式共完成5期集中培訓(xùn)，共計(jì)80余人次，遴選7人組成項(xiàng)目BIM工作組，儲備人員5人，具備隧道獨(dú)立建模、應(yīng)用等技術(shù)能力。

BIM人員培訓(xùn)過程圖

3.2 技術(shù)應(yīng)用過程

? 項(xiàng)目前期策劃應(yīng)用

項(xiàng)目臨建三維規(guī)劃

（1）地形分析與初步規(guī)劃

施工階段項(xiàng)目上場前期，對原始場地進(jìn)行分析和研究，快速準(zhǔn)確地獲取場地高程、坡度、位置等數(shù)據(jù)信息。

地形分析圖

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)獲取現(xiàn)場高精度地形信息，臨建紅線范圍內(nèi)采用高精度且優(yōu)于3cm，邊緣輪廓精度5cm—8cm ，在滿足BIM應(yīng)用要求前提下，提高航測作業(yè)效率，降低數(shù)據(jù)處理工作量。

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模

（2）場坪設(shè)計(jì)及便道設(shè)計(jì)

基于實(shí)景地形進(jìn)行場地方案策劃，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌和現(xiàn)有臨時(shí)生活、生產(chǎn)設(shè)施，充分利用原有道路，遵循“挖填平衡”原則，在地形模型中進(jìn)行便道設(shè)計(jì)。進(jìn)行挖填方工程量對比，選擇最優(yōu)方案。

地形模型中進(jìn)行便道設(shè)計(jì)

（3）場地功能分區(qū)

根據(jù)實(shí)景模型規(guī)劃場地區(qū)域后，綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行三維建模。依據(jù)業(yè)主項(xiàng)目建家建線規(guī)范要求，參照項(xiàng)目施工組織資源配置情況，規(guī)劃項(xiàng)目整體臨建功能分區(qū)，快速搭建多種場地布置方案，并對初步方案進(jìn)行比選。根據(jù)最終方案，建立臨建標(biāo)準(zhǔn)化模型庫。

三維模擬與方案比選

拌合站三維立體規(guī)劃成果展示

參照施工組織資源配置要求，創(chuàng)建相應(yīng)生產(chǎn)臨建構(gòu)件，規(guī)劃拌合站分區(qū)。避免因材料亂堆放、機(jī)械設(shè)備安放位置影響施工生產(chǎn)的正常進(jìn)行，為施工生產(chǎn)提供便利；減少場地狹小等原因二次倒運(yùn)而產(chǎn)生的費(fèi)用。

隧道洞口三維立體規(guī)劃成果展示

針對蘇家?guī)r隧道進(jìn)口加強(qiáng)型機(jī)械化配置特殊需要，參照施工組織資源配置要求，規(guī)劃洞口場地功能分區(qū)。新增大型機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)區(qū)、停放區(qū)、設(shè)備組裝區(qū)、二次倒渣區(qū)，為蘇家?guī)r隧道進(jìn)口加強(qiáng)型機(jī)械化施工提供后勤保障。

場地布置分區(qū)

（4）成本測算及確定整體規(guī)劃

以三維可視化為手段，成本控制為主線，通過BIM技術(shù)應(yīng)用達(dá)到降本增效目的，從技術(shù)、組織、交通以及施工各階段需求等多方面進(jìn)行對比，選擇最終策劃方案。

三維成本測算與方案策劃

以設(shè)計(jì)方交樁點(diǎn)為相對坐標(biāo)控制原點(diǎn)，在各場地布置模型中選取拼裝定位關(guān)鍵點(diǎn)，將各功能區(qū)模型與地形進(jìn)行融合，完成項(xiàng)目模型總裝。

三維場布與拼裝定位

? 隧道主體模型建立與優(yōu)化

（1）對隧道結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行劃分，創(chuàng)建隧道參數(shù)化構(gòu)件庫，在BIM協(xié)同建模中統(tǒng)一模型單元及屬性信息。

① 參數(shù)化構(gòu)件庫

參數(shù)化構(gòu)件庫

② 大型機(jī)械設(shè)備模型庫

大型機(jī)械設(shè)備模型庫

（2）隧道主體模型

根據(jù)隧道主體結(jié)構(gòu)組成及《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》，對隧道結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行劃分，創(chuàng)建施工階段BIM精細(xì)化隧道模型。

隧道主體模型

隧道結(jié)構(gòu)單元解構(gòu)

（3）隧道鋼構(gòu)件3D設(shè)計(jì)及優(yōu)化

① 原圖紙鋼架設(shè)計(jì)優(yōu)化

利用BIM技術(shù)三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，對現(xiàn)有圖紙鋼架弧形連接處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如仰拱鋼架拱腳連接處優(yōu)化設(shè)計(jì)、附屬洞室與正洞鋼架的優(yōu)化設(shè)計(jì)、不同工法下鋼架的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。利用MicroStation輸出3D PDF圖紙，施工人員可量取任意構(gòu)件三維尺寸，為提高生產(chǎn)效率，減少因返工造成材料浪費(fèi)。

原圖紙鋼架設(shè)計(jì)優(yōu)化

② 異形鋼拱架三維設(shè)計(jì)

隧道變截面處、橫通道、洞門等特殊位置處，需采用異形鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。以往采用CAD畫出多視圖各個(gè)角度標(biāo)注鋼架尺寸，施工人員無法直觀讀取鋼架尺寸等信息。

通過BIM軟件三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鋼拱架尺寸的線性變化且滿足凈空及支護(hù)要求。確定加工尺寸及數(shù)量，并進(jìn)行模型預(yù)拼裝模擬，指導(dǎo)加工廠下料加工。

異形鋼拱架三維設(shè)計(jì)

（4）工程量輸出

根據(jù)BIM模型輸出主體結(jié)構(gòu)精細(xì)化材料用量，為后續(xù)施工組織、成本歸集、分析提供可靠依據(jù)。

隧道主體模型

鋼架精細(xì)化工程量統(tǒng)計(jì) 鋼筋精細(xì)化工程量統(tǒng)計(jì)

? 施工組織模擬

（1）長大隧道施工面臨多個(gè)輔助坑道、多工作面同步、交叉施工等工期編制難題，施工工期計(jì)劃排布較為復(fù)雜，采用4D工期模擬可實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

① 實(shí)現(xiàn)全隧整體施工流程的進(jìn)度模擬，優(yōu)化現(xiàn)有的工期進(jìn)度計(jì)劃。

② 結(jié)合可視化工期分析，得出材料需求量月峰值，從而計(jì)算出鋼筋加工廠、混凝土攪拌站的生產(chǎn)效率等，分析得出項(xiàng)目生產(chǎn)所需最優(yōu)資源配置；

③ 與實(shí)際的進(jìn)度情況進(jìn)行匹配，施工過程中同步優(yōu)化。綜合對比分析進(jìn)度滯后原因，為下一步施工安排提供指導(dǎo)。

施工流程進(jìn)度模擬

（2）針對不同工法的施工特點(diǎn)，制定各機(jī)械設(shè)備合理的施工空間。根據(jù)隧道長度、工期要求、圍巖地質(zhì)條件、斷面大小、輔助坑道設(shè)置、環(huán)境及場地條件等綜合因素進(jìn)行機(jī)械配套方案設(shè)計(jì)，使之與施工方法相配套，與施工工期相適應(yīng)，最大限度發(fā)揮機(jī)械設(shè)備總體效率，并根據(jù)地質(zhì)條件變化及時(shí)調(diào)整。

全斷面施工

微臺階施工

? 施工方案、工藝模擬

通過對隧道機(jī)械化施工關(guān)鍵性施工方案、工藝進(jìn)行模擬，有利于現(xiàn)場施工技術(shù)人員更好掌控施工方案和施工工藝技術(shù)要點(diǎn)，驗(yàn)證各項(xiàng)施工方案和工藝可行性并對其進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超前模擬指導(dǎo)施工；

通過項(xiàng)目積累形成隧道機(jī)械化施工BIM工藝庫，作為隧道項(xiàng)目新上崗技術(shù)、施工人員快速學(xué)習(xí)、掌握成套隧道施工技術(shù)的教材。

三維施工方案和工藝模擬

? BIM創(chuàng)新應(yīng)用

與人工分部開挖法相比，機(jī)械化全斷面法施工質(zhì)量高、開挖次數(shù)少、對圍巖擾動小、初期支護(hù)封閉及時(shí)， 更有利于控制圍巖的穩(wěn)定性。而目前所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工藝、管理措施大多是基于人工分部法的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，已難以適應(yīng)機(jī)械化全斷面法，因此依托于BIM技術(shù)解決以下挑戰(zhàn)。

（1）隧道軟弱圍巖大斷面機(jī)械化開挖施工工法可行性論證

掌子面穩(wěn)定性控制：

同傳統(tǒng)軟弱圍巖人工分部開挖法相比，機(jī)械化大斷面開挖面積大，圍巖由此引發(fā)掌子面位移較大，當(dāng)位移值達(dá)到安全閾值時(shí)，開挖工作面即出現(xiàn)失穩(wěn)，甚至塌方現(xiàn)象發(fā)生，對隧道整體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

因此保障開挖面穩(wěn)定性至關(guān)重要，需對傳統(tǒng)超前支護(hù)進(jìn)行調(diào)整。

剪切隧道主體與之相同里程相應(yīng)的地質(zhì)模型，采用Plaxis進(jìn)行超前預(yù)加固施工方案論證，分析經(jīng)不同超前預(yù)加固施工后深埋隧道圍巖形變壓力數(shù)值模擬、虛擬驗(yàn)算。選出最優(yōu)超前預(yù)加固施工方案，結(jié)合施工現(xiàn)場應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測反饋數(shù)據(jù)，論證超前預(yù)加固實(shí)施效果。

圍巖形變壓力數(shù)值模擬

圍巖形變壓力數(shù)值模擬—位移隨掘進(jìn)過程的發(fā)展

圍巖形變壓力數(shù)值模擬—超前預(yù)加固后圍巖壓力

現(xiàn)場實(shí)測圍巖壓力時(shí)程曲線

結(jié)果表明采用9mφ76中管棚+掌子面玻璃纖維錨桿+高壓霹靂注漿超前預(yù)加固施工方案，對掌子面穩(wěn)定性控制可達(dá)到最佳實(shí)施效果，證明經(jīng)超前預(yù)加固施工后可進(jìn)行軟弱圍巖大斷面帶仰拱開挖施工。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

采用Plaxis進(jìn)行隧道軟弱圍巖多支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案數(shù)值模擬，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合施工現(xiàn)場大量支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、位移測試數(shù)據(jù)反饋，結(jié)果表明經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，圍巖壓力小于規(guī)范值，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)。

支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬——支護(hù)完成后襯砌平均應(yīng)力

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集 現(xiàn)場實(shí)測鋼架內(nèi)力時(shí)程曲線

現(xiàn)場實(shí)測噴射混凝土?xí)r程曲線 現(xiàn)場實(shí)測錨桿軸力時(shí)程曲線

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)和圍巖收斂變形量測數(shù)據(jù)的對比分析，大斷面施工的優(yōu)勢較為明顯，各項(xiàng)受力及變形數(shù)值均優(yōu)于臺階法施工。

① 全斷面工法開挖導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)范圍有一定程度的增大，但總體差異不大；

② 全斷面工法開挖引起隧道拱頂下沉變形小于三臺階法開挖；

③ 全斷面工法開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均小于三臺階法開挖。

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BIM實(shí)踐總結(jié)

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過本項(xiàng)目BIM技術(shù)在隧道軟弱圍巖大型機(jī)械化配套施工中的應(yīng)用，采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)將隧道機(jī)械化作業(yè)線進(jìn)行優(yōu)化提升，施工現(xiàn)場在保障施工質(zhì)量的前提下提高了施工效率，與II型機(jī)械化相比，將單循環(huán)時(shí)間(IVk2/3.6m)提升至25.47h；基于SYNCHRO 4D 施工模擬，制定了合理的施工計(jì)劃，有序安排施工順序，發(fā)揮更高的施工效率，建設(shè)工期減少了5個(gè)月，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會效益

本項(xiàng)目以“隧道機(jī)械化施工+BIM”為切入點(diǎn)，探索BIM技術(shù)在隧道機(jī)械化配套施工管理過程中發(fā)揮優(yōu)化施工工藝、提質(zhì)增效等重要作用。

首創(chuàng)了基于BIM技術(shù)高速鐵路軟弱圍巖大型機(jī)械化配套大斷面施工新工藝，制定了隧道機(jī)械化施工標(biāo)準(zhǔn)BIM模型庫、積累軟弱圍巖大斷面機(jī)械化開挖工法“3D”知識成果庫。

針對隧道機(jī)械化施工工藝參數(shù)、工效指標(biāo)、工序銜接、配置標(biāo)準(zhǔn)及成本測算等方面及時(shí)進(jìn)行總結(jié)并形成系統(tǒng)性成果，為隧道機(jī)械化施工技術(shù)推廣奠定基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步攻克隧道鉆爆法智能化快速建造技術(shù)難題提供了新的解決思路，一定程度上實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)隧道工程數(shù)字化施工建設(shè)新突破，獲得業(yè)內(nèi)多家鐵路相關(guān)單位的一致好評。

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發(fā)展規(guī)劃

在隧道工程中，利用BIM技術(shù)深入研究軟弱圍巖大斷面機(jī)械化配套施工工法，推進(jìn)隧道機(jī)械化、信息化、智能化裝備應(yīng)用，建立科學(xué)、有效的數(shù)字化項(xiàng)目管理平臺，達(dá)到施工信息可視化集成，實(shí)現(xiàn)鐵路隧道智能化施工。

方向1：基于 BIM 技術(shù)的鉆爆法全工序機(jī)械化流水線研究，對各工藝環(huán)節(jié)、以及各環(huán)節(jié)之間的銜接進(jìn)行參數(shù)化模擬，探索隧道鉆爆法施工數(shù)字工廠模式。

方向2：特殊地質(zhì)段虛擬施工技術(shù)，采用BIM技術(shù)對真實(shí)環(huán)境下的現(xiàn)場重建、安全分析、潛在災(zāi)害識別進(jìn)行虛擬仿真，編制可視化專項(xiàng)施工方案和應(yīng)急救援方案。

方向3：基于GIS+BIM的多維工程信息融合應(yīng)用技術(shù)，形成可視、可量測、可分析、可計(jì)算的隧道全空間實(shí)景三維場景，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集成管理，支撐現(xiàn)場智能管控與智能建造。

文 | 中國建筑業(yè)BIM應(yīng)用分析報(bào)告

來源 | 廣聯(lián)達(dá)新建造（ID：Glodon-NB）