BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计

1、概述


随着我国高速铁路工程建设快速发展，尤其是铁路隧道施工高标准化建设，传统的隧道仰拱与仰拱填充施工工艺不能满足隧道施工技术的发展，以及人们对仰拱混凝土外观质量、结构尺寸、线形控制、施工高效的需求。目前，在铁路矿山法复合式衬砌隧道施工中，仰拱与仰拱填充多采用传统的拼装小模板的施工工艺，存在人工安装费用高、设备工装低、施工质量低等问题，并且施工进度难以保障，严重影响工期，常常导致隧道掌子面开挖安全步距超标、影响防水板和二次衬砌等后续工序的结构衔接质量和进度等问题。因此，仰拱与仰拱填充成为制约隧道高质量快速施工的控制性工序。


BIM技术是以3D数字模型为基础，以三维模型的平、立、剖等视图联动设计方式，取代了传统的单视图线条式设计，以“所见即所得冶的形式，把三维的设计思考变成可见的立体实物，提供真正的三维方案可视化设计环境。利用BIM模型，通过虚拟现实技术对方案进行全方互动性的直观展现，推敲方案的合理性，提供在4D虚拟仿真环境中展示方案的方法与流程。


针对现状问题，结合施工工序管理需求，利用BIM技术可视化、协同性、模拟性、优化性等手段，开展隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺设计，具有重要的探索应用价值。


2、基于BIM的施工方案设计原理


传统的施工方案深化设计，是在二维的施工图上想象构思，利用以往的施工经验，主观选择施工方案的装备、工艺等。但往往存在装备选型不合适、工艺繁琐或可行性差，以及简单的错、漏、碰冶等深化设计图纸问题。然而，BIM的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，为施工方案的装备、工艺的设计优化、可行性验证提供了技术途径。


实现施工方案的3D可视化和4D虚拟仿真的基础，是建立能真实描述施工方案的三维数字模型，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。其中，环境模型是施工方案的虚拟布置场地、前置及后置施工工序等环境影响因素。结构模型是施工方案虚拟建造的工程结构实体物。施工设施模型是施工方案采用的机械设备、模板、模具等作业设施，是BIM辅助施工方案设计的关键。依据模型构件的施工动态逻辑关系，通过施工步序的时间任务项驱动模型构件，表达施工方案的虚拟建造过程。


利用AutodeskRevit、Navisworks软件实现施工方案可视化设计，具体方案如下：


(1)通过Revit建立三维数字模型，每一构件的属性信息应配置唯一的施工步序参数，导出NWC模型文件；


(2)利用Excel编辑每一施工步序的时间任务项，具体包括任务名称、任务类型、开始时间、结束时间、ID序列号等，导出CSV文件；


(3)通过Navisworks导入NWC模型文件和CSV时间任务项数据源文件，利用一定的自动关联规则，使得模型构件与时间任务项一一对应关联，在Timeline虚拟仿真环境中进行时间任务项驱动模型的4D虚拟建造。图1为基于BIM的施工方案可视化设计流程。


同时，在BIM的4D虚拟仿真环境中，可以进行实时交互的过程模拟，虚拟推演施工方案的过程，动态检查方案可行性以及存在的问题，优化施工装备、工艺等。图2为基于BIM的施工方案优化流程。




3、3D模型协同设计


模型协同设计原则：首先根据施工现场环境条件，建立环境模型，形成虚拟真实的设计环境。然后建立结构模型，将未施工的结构物对象预设在已有的施工环境中。最后在环境模型的作业空间允许界限内，结合结构模型的施工需要，在同一设计环境中，进行施工设施模型的可视化设计和虚拟仿真优化，从而实现施工方案的模型协同设计效果。


为了实现隧道仰拱与仰拱填充施工方案设计和可视化展示，需要利用AutodeskRevit软件建立以下3个模型：环境模型包括隧道初期支护、前方拱底土石方；结构模型包括仰拱、仰拱填充；施工设施模型为仰拱与仰拱填充快速施工台车。


3.1.环境模型


隧道初期支护、前方拱底土石方开挖，为仰拱与仰拱填充施工方案的前置施工工序。根据施工图芋级围岩芋b型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道初期支护与拱底土石方模型，如图3所示。需要注意的是，初期支护模型只需具有静态的施工环境布置特征，不参与施工方案虚拟推演过程。而拱底土石方模型，需要反映出动态开挖的过程，要赋予施工步序参数，构件的建模精度采用沿隧道轴向6m一段的划分原则。


3.2.结构模型


根据施工图芋级围岩芋b型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道仰拱与仰拱填充模型，如图4所示。其中，仰拱的矮边墙高出填充面300mm，仰拱填充预留中心盖板沟，仰拱采用C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，两者相对独立浇筑。模型构件赋予施工步序参数，建模精度采用沿隧道轴向6m一段的划分原则。


3.3.施工设施模型


隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工设施模型，是指仰拱与仰拱填充快速施工台车(简称仰拱台车)设计，主要包括模板系统与行走系统两部分设备。由翻转组合式仰拱模板、端头模板、中心水沟模板构成的整体式模板系统；由一对自行式桁架梁组成的独立行走系统。如图5所示。


仰拱模板设计为左右两幅翻转式组合钢板，模板沿隧道轴向的长度为6m，由固定部分(与刚性骨架刚接)和活动部分铰接组成，安装、定位、拆除操作简便快捷，尤其减少了固定部分钢板本身变形损伤，可很好地保证仰拱矮边墙线形控制。


端头模板由钢板和型钢梁组成，与仰拱模板和中心水沟模板活动连接，同时在移动运载模架系统时，使模板系统形成为一个整体，定位准确，移动就位快捷。


独立行走系统的动力设备包括电葫芦和卷扬机(固定在后支座上)，由1对桁架梁为模架系统提供滑行轨道。


4、4D虚拟施工


4.1.建立虚拟仿真环境


通过AutodeskNavisworks导入模型NWC文件，得到虚拟仿真环境下的模型。利用Timeliner模块添加施工步序时间任务项数据源CSV文件，生成虚拟环境下的时间任务项，并使用规则自动附着于模型，使得每一施工步序的时间任务项与模型构件一一对应。模型赋予时间属性后，生成虚拟仿真环境下由时间驱动的4D动态模型，从而可进行施工方案的虚拟推演。


4.2.4D施工方案演示(图6)


隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工步序模拟过程，具体如下：


(1)测量放样，模架系统就位(图6(a)、图6(g))；


(2)卷扬机驱动桁架梁向前行走至下一循环位置；浇筑仰拱混凝土(图6(b))；


(3)手葫芦起吊、上翻仰拱压模活动板(图6(c))；


(4)浇筑仰拱填充(图6(d))；


(5)电葫芦起吊端头梁、整体模架向前滑移6m，前方隧底砟石开挖(图6(e))；


(6)电葫芦下放端头梁，手葫芦下翻仰拱压模活动板(图6(f))。


4.3.效果评价


仰拱模板设计为翻转式组合钢板，由固定部分和活动部分铰接组成，实现仰拱与仰拱填充连续循环浇筑，保证仰拱矮边墙浇筑质量和线形控制。端头模板依据仰拱与仰拱填充的结构尺寸进行设计，模板底与仰拱中埋式止水带位置、形状一致，便于固定中埋式止水带，模板顶与仰拱填充面高程一致，可控制仰拱填充浇筑高程。


利用端头模架固定仰拱模架和中心水沟模架，组成可拆卸式整体模板系统，依托独立的机械动力行走设备，一次快速循环移动、精确定位，缩短支模时间，避免人工操作误差，保证洞内交通。仰拱作业面分为两个作业区流水施工，一是仰拱底部开挖(必要时绑扎仰拱钢筋)作业区，二是仰拱与仰拱填充连续浇筑作业区，大大缩短了循环作业时间。


5、结论


(1)利用BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，建立了BIM辅助施工方案可视化设计和虚拟推演的方法和流程。


(2)BIM辅助施工方案的三维数字模型设计，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。利用BIM模型，通过4D虚拟现实技术对施工方案进行全方位互动性的直观展现，优化施工方案的合理性。


(3)BIM辅助铁路隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺可视化设计，效果显著。BIM辅助设计的仰拱台车能够很好应用于实际施工，对BIM技术在隧道施工中的应用具有一定的参考价值。