BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计

基于BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，研究BIM辅助施工方案可视化设计和虚拟推演的方法和流程，以及施工方案的环境、结构和施工设施等三维数字模型设计原则。针对铁路隧道仰拱与仰拱填充施工特点，利用BIM辅助施工方案可视化设计，建立施工方案的三维数字模型，优化设计仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺，模拟方案的施工过程。结果表明，BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计，取得了很好的效果。

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[1] 。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[2，3] 。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[4，5] 。

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[6] 。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[7，8] ，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[9，10] 。

利用Autodesk Revit、Navisworks软件实现施工方案可视化设计[11] ，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[12] 。图2为基于BIM的施工方案优化流程。

图1 基于BIM的施工方案可视化设计流程

图2 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Autodesk Revit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。

图3 隧道初期支护与拱底土石方模型

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。

图4 隧道仰拱与仰拱填充模型