0 引言

公路隧道工程是一个投资多、建设周期长、施工技术复杂、项目涉及范围广的复杂系统, 具有极端的复杂性和极强的隐蔽性^[1]。公路隧道多建于山区, 复杂的地形、地质、水文等因素增加了隧道施工的难度和风险^[2]。在隧道设计过程中, 由于涉及专业多 (如建筑、结构、防排水、路面、通风和机电等) , 基于图纸的传统设计易出现不同专业设计间的碰撞。

我国在20世纪70年代引入新奥法, 并迅速推广, 取得良好的技术经济效果。经验表明, 新奥法不仅能够运用于各种复杂和开挖深度的隧道工程, 更具有高效、经济、安全等特点, 是世界各地隧道建设普遍采用的方法原则^[3]。但新奥法施工采取复合式衬砌断面, 施工交错, 作业面多、工序转换复杂, 对现场资源配置、进度管理、技术交底质量要求高。目前通用的二维横道图无法真实呈现现场施工工序的空间关系以及难以准确表达多个作业面的施工动态过程, 已无法满足现场施工管理需求。同时, 由于现场施工人员的识图能力参差不齐, 导致二维CAD图纸不能满足现场技术交底要求^[4]。

综上, 由于隧道工程施工环境复杂、施工风险因素多、不可预见性高、施工操作难度系数大、施工管理难度大等特点, 传统的新奥法施工已不满足日益增长的隧道安全、质量及施工进度要求, 而信息化技术的发展为此提供了新的解决思路。

BIM技术是以三维可视化数字模型为基础, 利用数字仿真模拟隧道的三维几何信息和非几何信息 (如进度、材质、体量等) ^[5], 不仅涵盖了工程项目各阶段的工程信息, 还涉及项目资源、成本、质量、进度等专业信息, 为各部门、各专业间的信息共享和协同提供条件, 是加快施工进度、提高工程质量、减少项目损失的有效手段。本文研究了公路隧道新奥法施工BIM模型的创建方法、技术方案3D数字模型可视化的设计方法、施工方案4D虚拟施工及优化的方法和流程, 使施工工法与过程可视化、参数化, 从而辅助施工组织设计、施工进度管理、项目管理决策等。

BIM信息数据模型主要用于信息系统, 重点在于支持数据流转。因此, BIM模型构建的关键在于构件资源库的开发, 包括构件命名、构件编码和建模精度^[6]。

隧道模型构件命名需符合隧道设计原则^[4]。由于隧道模型构件受围岩级别、衬砌结构类型影响 (不同围岩等级、衬砌结构采用的模型构件不同) , 参照现有的隧道模型构件命名规则^[4], 采用“构件类型+围岩级别+衬砌类型”形式进行构件命名, 以保证模型构件的可认知性。为表达构件对象在BIM模型中的唯一性, 构件代码应包含单位工程名称、构件类型、围岩级别、衬砌类型、里程等信息。具体规则为:“单位工程名称首字母+构件类型首字母+围岩级别+衬砌类型+里程”。其中, 围岩级别划分为Ⅰ～Ⅵ6个等级^[7], 每个围岩级别根据不同的地质条件划分不同的衬砌类型, 以英文字母a, b等表达。本文按复合式衬砌隧道的构件类型划分构件族, 如超前小导管的具体命名及编码示例:其构件命名是超前小导管SA5a, 构件代码是LX-CQXDG-SA5a-YK93+263.000 (LX代表岭下隧道, 以SA5a围岩等级为例) , 其余构件从略。

建模精度即模型构件的精细化程度, 最低级为近似概念化, 最高级达演示级精度^[8], 其深度随不同建造阶段的需求而定^[9]。目前, BIM模型精度一般采用LOD等级。LOD被定义为100～500 5个等级, 代表从工程概念模型到竣工模型的整个过程。我国将BIM全生命期应用的模型精度划分为7个等级:方案设计模型、初步设计模型、施工图设计模型、深化设计模型、施工过程模型、竣工验收模型和运维管理模型。面向施工管理, 建模精度需满足施工工序管理要求。

综合公路隧道的实际情况, 本研究处于施工过程模型构建阶段, 集成构件三维几何参数信息及非几何信息, 确定详细的型号参数、规格尺寸、数量、添加材料组成、机械资源、里程等信息。构件建模精度如表1所示。

隧道BIM模型不同于二维CAD模型和一般3D效果图, 是由各式各样的族组成, 包含大量工程属性的三维图纸。分为常规构件族和特定构件族, 常规构件族可在族库中直接找到并调用, 通过设定现有的参数进行控制, 从而实现在项目中的独特性与适用性。特定构件族由项目施工人员根据项目所需自行创建。本文依据隧道施工组织设计规定和公路隧道施工技术规范等, 按照隧道的结构功能关系, 划分多种模型构件, 并定义空间形状和信息属性, 对其进行组装并建立隧道施工的BIM模型构件库。

隧道主体结构BIM族库包括锚杆、管棚、检修道、排水沟、中央排水管、检修道盖板、工字钢拱架、格栅拱架等。

本项目隧道设备BIM族库包括交通信号灯、射流风机、紧急电话灯等。

实际施工中, 协调各类机械的施工空间需求是保证施工安全的必要手段。根据初步施工组织设计要求, 在隧道主体模拟施工资源中加入机械, 如XE150D和SWE130W型号挖掘机、后8轮的出渣车、混凝土搅拌机等, 将实际隧道施工过程化、参数化, 直观展现隧道施工时的人员调配、机械使用、材料运输等空间占用情况, 以及各工法前后任务的协调、交错施工时的碰撞等, 从而增加过程管理的可预见性、优化资源配置、减少冲突与事故、提高施工效率。

隧道BIM模型一般包括环境模型、隧道围护结构模型和施工设施模型。其中, 环境模型 (地形地质模型) 用于支持虚拟场景布置和设计优化;隧道围护结构和施工设施模型主要支持施工管理和过程模拟。相关信息模型如图1所示。

1) 地形地质模型隧道工程埋于地下, 其所在地层、周边环境、水文地质等条件都会对隧道施工产生直接或间接的影响。地形地质模型根据地形数据构建三维地形模型, 根据隧道地质测绘资料及已有的横纵断面构建地质模型, 用颜色、花纹等区分不同时代的地层, 用现场实际图片处理地层, 得到隧道项目周边的仿真环境。

2) 隧道围护结构模型集成围护模型、主体模型及设备模型形成不同围岩级别下的每延米隧道横断面围护, 再拾取结构模型形成施工方案虚拟建造工程结构实体, 主要通过隧道主体结构BIM族库以及设备BIM族库进行组装构建。通过组装, 隧道主体横断面结构模型如图2所示。

由于公路隧道具有线性特征, 不同地段的地形、地质情况不同, 本文按照设计图纸及隧道的周边环境、围岩等级, 分段构建拟建隧道。之后整合建好的每段模型, 得到完整的隧道主体结构模型。

3) 施工设施模型施工设施模型采用机械设备、模板、模具等, 是BIM辅助施工方案设计的关键。根据施工组织设计确定的机械类型, 确定其活动半径, 并对活动半径进行空间建模, 形成空间包围盒, 如图3所示。

4) 模型集成与整合将按照前述建模方法及命名规则搭建的隧道围护结构、施工设施模型与环境模型相集成, 通过线路里程和地理坐标关系, 整合隧道围护结构和施工设施模型于地理空间中, 从而建立逼近真实的虚拟施工环境, 如图4所示。

公路隧道新奥法施工是由一系列复杂工序 (如钻孔、爆破、出土、现场监测、材料运输、安装初期支护、安装防水层、安装二期支护、路面铺设、安装供电设施等) 相互交织构成的复杂动态系统。其现场环境复杂、空间交叉作业多、并且具有一定的随意性, 易引起空间和时间上的需求冲突, 甚至发生安全事故。同时由于公路隧道的开挖方案、支护设计、工期等都基于有限且离散的地质勘探资料, 地质勘察描述的工程地质和水文情况可能与实际情况相差甚远。隧道的开挖方案和支护设计需根据超前地质预报更新和优化, 从而保证施工安全和工期。

施工方案的仿真与优化根据施工组织设计要求, 将隧道生长过程及各工序所需的施工空间进行安排和组织, 提前找出存在的空间冲突并优化施工安排。即关联隧道BIM模型与基于新奥法的施工进度计划, 依据模型构件的施工动态逻辑关系, 构建施工顺序和施工节点, 对隧道施工过程进行虚拟演示, 以实际工程进度驱动和调整虚拟仿真。

具体实施方法是利用虚拟仿真环境, 对所建3D几何空间模型添加施工过程时间维度, 按照时间进展模拟结构的生长, 并仿真分析所需的资源及空间占用情况。具体的技术路线如下。

1) 根据图纸等信息, 建立三维数字模型, 赋予每个构件唯一的施工工序属性参数。

2) 根据施工进度和现场资源调配情况, 利用project编制每个施工工序的时间任务项数据源, 包括任务名称、工期、开始时间、完成时间等, 导出CSV文件。

根据施工顺序, 为构件增加时间参数, 将每个工序的起止、持续时间设为基本属性, 关联模型构件, 从而将施工进度计划和对应的施工过程参数化、可视化。

3) 用Autodesk Navisworks软件集成模型和工序时间任务项数据源, 建立带工序的4D施工模型, 在虚拟仿真环境中实现新奥法隧道施工的模型虚拟建造。同时虚拟推演施工方案、动态及碰撞检查方案可行性和可能出现的问题, 优化、调整施工设备及工艺。基于BIM的施工方案优化流程如图5所示。

在虚拟环境中进行现场施工模拟, 对建造的模型进行动态、碰撞检查, 可提前发现一些施工时可能遇到的冲突。目前, 硬碰撞是BIM技术用于碰撞检查的主要方法。碰撞问题中最常见的是挖掘过程中各专业设备间以及建筑和机械间的冲突。在隧道工程中, 空间冲突管理不仅是对建筑设计施工的排演过程, 更是对模型的审核过程, 通过检查能发现许多藏于设计中的问题。这些问题与现场施工密切相关 (如空间竖向高度上的碰撞) , 在传统的审核中很难发现。

4) 经动态检查确定施工方案后, 将建立的3D数字模型导入3DSMAX中, 制作具体的虚拟新奥法施工模拟, 通过渲染得到一套形象直观的施工工序及流程。

因此, 将BIM创建的参数化模型与新奥法实际施工相结合, 根据超前地质预报信息, 确定不同的施工方案, 在虚拟环境中预演施工任务在时间和空间上的资源需求, 查找可能存在冲突的工作, 在施工前对方案 (如开挖工序、初次衬砌和二次衬砌设计等) 进行优化, 可提高工程的可预见性和连续性, 同时预警设计更改所产生的工期风险。

浙江省41省道永嘉福佑至沙头段改建工程位于浙江东南沿海, 路线总长约23.486km, 其中, 长隧道6 880m/2.5座, 包括上岙山隧道、马头山隧道右幅、岭下隧道。地质资料显示, 工程所处地带围岩破碎、节理裂隙较发育、工程地质条件较差、开挖稳定性差。工程施工难度大, 尤其在隧道入口和出口处, 由于隧道埋深浅、偏压严重, 施工风险大。根据项目特点及工程地质条件, 该隧道采用新奥法, 并使用复合支护结构形式。为控制隧道施工工期、降低隧道施工风险, 保证工程施工质量和安全, 以典型的岭下隧道为依托, 构建精细的BIM施工模型, 协调不同专业的设计, 消除设计上的碰撞;之后导入相应的进度计划, 进行施工空间冲突检查;同时结合超前地质预报信息, 实现BIM对施工工序、支护结构设计的自动优化, 以及对工期的风险预警。

利用BIM技术, 基于已有的模型元件, 建立完整的隧道三维信息模型。

建立三维数字模型后, 导入project进度计划形成4D施工模型。新奥法施工的施工进度信息和横道图定义了每个构件的施工起止时间和搭接关系, 构建了施工顺序和施工节点。通过对比分析计划进度和实际施工进度状态, 项目施工管理者可实时动态掌握进度偏差, 调整施工方案和对应的资源, 随时为制定物资补给计划提供及时、准确的依据, 从而减少资源浪费, 为项目成本控制提供条件, 实现项目精细化施工管理。

岭下隧道采用无轨运输。先按照机械化作业的技术要求配备所需机械, 然后组织开挖、喷锚等机械化作业线, 最终实现主要工序机械化作业, 充分发挥大型机械设备的优势。

隧道施工空间随工程进展不断变化, 对工人的工作效率和安全产生极大影响。通过BIM模型可动态可视化地观察工作人员的施工状况, 以及施工工作面、施工机械位置的情形, 综合考虑施工中各种复杂交叉的动态关系, 以及资源、场地等方面的限制, 从而实现工序操作过程的模拟与预测。

在4D环境下, 模拟挖掘机的工作状态, 选择挖土位置及挖掘机的最优行驶路线, 步骤如下。

第1步是对挖掘机的挖土位置进行建模。挖掘机的挖土位置由挖掘机的作业空间决定^[15]。其参数包括最大挖掘深度、最大挖掘高度和最大挖掘半径等。为保证施工安全, 挖掘机只在特定的区域内工作。以XE150D挖掘机为例, 其作业范围如表2所示。

第2步是测算挖掘机的工作路径。根据挖掘机行进的每个工作点坐标, 在空间位置上计算2个工作点间的距离。

实际施工中, 为保证安全, 必须考虑移动的挖掘机和工作人员、传送设备间的距离。假设现场有2种不同的挖掘机 (轮式挖掘机和履带式挖掘机) , 当其行驶路线交叉或者相近, 且回转半径交叉 (冲突) 时, 需重新选择路径。

因此, 当采用2种或多种机械同时施工时, 应添加检测路线是否会发生机械碰撞的判定。其相应的流程如图6所示。

上述流程图可通过Matlab运行。其中, d[1, 2, …, n]为1个数列, p代表程序中增加的边 (不包含第1和最后1条边) 。程序运行之前, 需输入挖掘机的参数、起始节点坐标及挖掘机所有可能行驶路径的节点坐标。通过计算最终得到优化的挖掘机工作路线。

此外, 通过上述方法可对岭下隧道开挖时渣料装载及出渣过程进行机械碰撞检查。

根据施工方案对新奥法渣料装载及出渣机械行驶路线进行建模, 通过最优行驶路线算法计算是否发生冲突, 若冲突, 则进行调整, 直至得到最优出渣方案。

同理, 通过模拟工序, 可得人员、机械、场地、工期等占用情况, 通过BIM对实时地质情况预报进行方案调整, 并对各方案的模拟结果进行对比, 继续优化, 最终形成更加合理的施工进度计划及资源和场地分配, 提高现场资源和场地的利用率, 控制工程施工工期, 减少项目成本。

1) 施工图纸可视化在传统隧道施工中, 需结合多个二维CAD图纸的平面图和剖面图表达工程结构节点。而BIM以三维数字模型为基础, 将二维图纸立体化, 直观形象地表达工程结构节点的空间位置与布置、空间几何形状、位置与功能关系等, 实现所见即所得的视觉效果, 如本研究制作的岭下隧道洞门BIM模型如图7所示。利用三维参数化模型进行现场技术交底, 增强现场人员的理解。

2) 施工工法及施工过程可视化新奥法模拟隧道施工工法及施工过程如图8所示。直观形象地表现了新奥法隧道施工的具体操作方法与流程, 使各施工参与方通过BIM进行更有效便捷的交流。通过预先了解施工过程, 每位安全、技术和施工生产管理人员能快速、清晰地了解每个工序的施工流程, 合理有序配置资源。

通过可视化模拟, 现场工作人员可更好、更快地熟悉项目施工的内容和方法, 从而减少在工程施工初期由于理解不深而犯错的可能, 做到人人参与工程质量、安全、进度、成本的管理与控制。新奥法施工过程及工法的直观展现, 有利于协调现场施工人员与机械、优化资源配置, 使隧道施工更加安全优质、高效。

3) 施工方案仿真与优化运用虚拟现实技术建立逼真的立体场景, 对工程项目的实施进行虚拟“预演”, 从而找出潜在问题, 制定可行的施工方法, 减少由于事前规划设计不周造成的损失。如通过模拟挖掘机、铲土机作业活动区域、危险区域、运渣车进出现场状况等, 直观、便利地协助管理者分析现场限制, 评估工作空间在实际施工中的可用性与安全性, 根据现场洞口与机械尺寸, 结合运渣量, 优化现场机械的行进路径。有利于减少因采用传统施工现场布置方法而导致的碰撞, 同时也可及早发现施工图的设计缺陷及工序冲突, 对提高施工现场的效率和安全有重要意义。此外, 当发现问题时, 因视图直观准确, 从而避免庞大的修改工作量。

因此, 新奥法项目工程BIM技术的应用不仅增加了过程管理的可预见性, 通过冲突检查, 优化施工方案及资源配置, 预防了某些现场施工事故的发生, 增加了工程的安全管控能力;同时也大大提高了项目进度管理的效率和质量, 使方案实施更加顺畅, 同时也使信息传递更全面准确、及时, 极大降低了项目施工预算, 节约了项目资源以及节省了项目的使用空间。

1) BIM三维数字模型由环境模型、隧道围护结构模型和施工设施模型整合而成。按照新奥法施工的构件命名规则及工序管理的精度要求, 创建了新奥法公路隧道复合式衬砌施工的BIM三维数字模型, 将3D数字模型中添加时间维度, 即得带工序的新奥法4D隧道施工模型。

2) 利用BIM可视化虚拟仿真技术, 建立了3D模型可视化设计与交底、施工方案的4D虚拟施工及施工工法与过程的模拟。

3) 目前, 施工行业仍处在一个由开放式到精细化管理的过渡期, 大部分施工过程都依靠经验完成, 其中的行业发展惯性, 思维模式在短期内较难改变, 所以对BIM技术的效益和优势认识不够到位, BIM技术的推广面临极大挑战。