近年来，BIM技术在建筑行业中的应用日趋成熟，而在城市地下工程设计中，BIM仍处于发展阶段。以隧道工程中的盾构工程为例，三维数字为基础的建筑信息模型尚未充分融入到管片的设计建模和生产安装过程中，致使BIM技术在盾构管片中的应用价值未被充分利用。基于上述问题，国内外专家研究BIM技术在盾构管片中的碎片化应用。刘涛^[1]研究如何利用Auto CAD对盾构管片进行建模，验证参数化在管片设计中的可行性;Gupta VB^[2]分析管片在动荷载影响下运输、堆放及安装过程中的受力情况;郭建鹏^[3]结合工程实例分析施工中盾构管片破损的原因及防治措施。上述成果涉及盾构管片从设计到拼装运行过程的主要环节，提出许多有价值的方法，但由于分析软件单一，未能做到信息化、力学分析等多专业协同运行。以具体实例为切入点，整合不同环节的信息化措施，协同不同专业在盾构工程中的应用，提高工程整体性，研究BIM技术在隧道工程领域中发展的正确方向。

建筑信息模型作为一种融合物理与信息功能的数字化表达，不断为建筑行业提供解决思路与方案^[4]。我国住房和城乡建设部于2012年颁布《关于推进BIM技术在建筑领域应用的指导意见》，标志着我国BIM发展有了明确的指向。在工业、民用建筑工程中，BIM技术逐渐成熟，而隧道工程因具有呈带状分布且与地质状况紧密关联的特征，信息化程度尚处于较低水平。尤其在盾构管片建模过程中，对几百米到几千米带状分布的管片信息化建模有较高要求。而附加于BIM技术中的Dynamo模块可通过分析管片的自身结构规律实现参数化设计，通过对参数的设定与调节完成与Revit的信息交互，灵活改变管片的外形、尺寸、旋转角度等特性，提高结构设计的效率与精度^[5]。

隧道盾构预制管片数量多，具有多种结构类型，若采用单环建模的方式，效率低且工作量大。传统平面图纸难以清晰表达管片全貌和设计者意图，对阅读平面图纸的施工人员要求很高。利用Dynamo可实现可视化编程与模型建立的对接，灵活调整管片结构及旋转角度，实现参数关联和多专业协同的目的。建模步骤如下。

1) 结合工程地质勘察报告，在Civil3D中生成土层模型，并设计合理的隧道中心线。提取隧道轨迹中心线，将其视作受x, y, z轴约束的空间三维曲线，保存于Revit中。

2) 依据规范及盾构机械类型制定盾构管片的规格尺寸，在Revit族中创建相应的样板文件，预留注浆孔。

3) 新建概念体量，将预制管片的厚度、宽度、内外径和旋转角度等要素参数化，可在单个标准块或整个圆环中设置相应数量的自适应点并加载到隧道中心线的rvt文件中。运行程序沿提取的隧道线摆放成一环一环的管片。

目前国内惯用的设计模型依然依托于二维平面设计，而后借助BIM等工具实现三维建模，是一个将二维图纸翻译成三维模型的过程。但Dynamo不同于传统的翻模技术，以所见即所得的编程思想为原则，通过不编写或仅编写少量程序代码就可实现编程工作的可视化，完成管片模型的设计，减少设计人员用于排布、拼装管片等简单重复工作，提高工作效率。可视化编程的优点在于可随时看到程序运行结果，同步调整算法与结果，通过类似搭积木的操作方式完成管片设计工作。

1) 在进行管片设计与安装时，螺栓孔的数量、错缝形式及管片宽度和楔形量都是决定隧道管片达到预期排布的关键步骤。将关键控制量参数化，可直观看到参数变化带来的差异，从而遴选出合理的方案。Revit可通过调节参数值实现模型规格外形的控制联动。共享参数可由多个项目和族共享，并且可导出到ODBC中，在明细表中进行查看。在设计环间螺栓时 (见图1) ，定义尺寸、角度、可见性等约束，建立参数名称，赋予公示或初值，灵活设置螺栓的数量值，排除不合理的设计方案。

2) 盾构掘进过程中，受地形条件及周边环境的影响，外荷载具有不均匀性，特殊情况下需设计异形管片进行拼装 (见图2) ^[6]。盾构隧道是一种由纵、环向螺栓将管片拼接成的筒体结构，在复杂地形中设计异形结构需考虑异形管片和标准管片的刚度差异，若不能拟合不同规格的管片拼装，会削弱衬砌结构整体刚度^[7]。利用Revit构建异形管片族，设置特殊位置处的参照平面，在实 (空) 心中添加尺寸标注，将其约束到设置好的参照平面中，通过控制旋转角度生成不同结构类型，指定该三维图形的显示特性，保存并载入项目中进行测试，通过有限元软件进行受力验算。

BIM技术可为管片设计提供正确的思路，实时更新工程量的统计和新型结构的建模，联动参数与模型的变化，遴选合理方案。充分利用族类型这一功能，大大减少设计人员用于重复工作的时间，利用BIM技术进行正向设计而不是简单翻模。

生产、运输、存储的系统化和合理化及网络化的信息管理是现代产业的主要特征^[8]。预制管片生产养护完毕后，需运送至堆场统一存储管理。堆场管片的布置是否合理关系到施工中管片的运输、拼装等关键环节，直接影响施工进度与效率。管片由于体积大、型号和生产环节较多，在堆场难以定位，经常出现随意堆放和无序运输的情况，严重影响隧道工程的整体进度。加之盾构掘进方案计划调整频率较高，需要对管片的生产过程进行较大幅度的调整，如果不建立合理有序的堆场规则，很容易出现管片积压或与施工需求脱节的状况。Navisworks是一种可视化和仿真软件，可结合Revit三维设计模型整合审阅管片堆放场地的可靠性，将所有项目视作整体，在堆场运行前进行模拟分析，评价不同管片堆放类型的优缺点。

Navisworks可实现BIM软件的多格式整合，以实时漫游的角度进行三维校审，模拟人机互动生成施工动画，还可整合不同软件的信息与几何图形，输出三维整体项目，完成多种文件格式的实时审阅。如管片堆场中常见的混合堆放和分区堆放模式，在Revit中模拟一个面积为100m×80m的管片堆放场地，并将场地划分为6个堆放区域，每个区域堆放450块管片，区域间隔设为1.2m。其中，分区堆放将相同类型的管片归类堆放，而混合堆放中堆区的管片为不同类型，按照下层为标准块、上层为邻接块的原则进行堆放。管片定位部分的编码规则为横向堆区-纵向堆区-层数，堆场平面如图3所示。

基于BIM技术的三维可视化控制手段建立二维条形码物联网系统，完成管片的堆放与定位管理。对管片的生产厂家、型号、班次、分块号等信息进行编码，通过如扫描仪、手机等手持仪器进行条形码的信息输入与读取，通过设置推送功能，还可以提醒施工人员进行相关工序的操作，从而实现管片的快速定位与信息化管理。

在Revit中导出管片堆场布置的nwc文件，并附加在Navisworks中。将管片运输场景附加在Animator模块中，并设置管片运输仪器的运输速度。

以完整的一环管片拼装运输为一个动画路径，生成混合与分区堆放2种模式的管片模拟动画。观察管片运输存储的动画，从时间、场地利用率等角度可得出2种堆放方式的优缺点: (1) 在混合堆放模式下，可达到场地利用的最大化，但不易找到所需管片，耗时大; (2) 分析动画进度发现，将相同类型的管片分区存放，能提高仪器寻找管片的效率，较混堆模式节省约20%的时间。但分区堆放要求专片专放，导致场地利用率低，因此在用地紧张的地区不建议分区堆放。

由于国内尚缺乏较细致的管片堆场模式规范和标准，加上各地施工水平和条件不一致，导致堆场经常堆满没有盾构施工当前所需规格的管片，也有为提高保障率，在盾构管片施工完毕后剩下大量管片。不仅浪费施工成本，也不符合绿色建筑的理念。通过BIM技术对管片堆放实际场地进行模拟，可通过施工动画遴选合理施作模式，真正实现具体工程具体分析，减少预期外的施工风险。

盾构管片是隧道工程的主体工程，其结构稳定性是影响隧道工程安全的关键环节。李美群^[9]以天津地铁1号线为例总结管片从运输到拼装过程中的破损情况;张映根^[10]结合传统施工工艺，提出各种管片破损的预防及修补措施。管片损坏方式及原因如表1所示。

受施工水平的限制，盾构管片的破损现象不能完全规避，但采取针对性的措施可减少管片的破损。BIM技术提供超前预警、三维建模及动画预览等功能，能够较贴合地运用在管片破损治理预防、控制和补救环节中: (1) 将二维条形码作为信息的中转站，实时监测管片运行状况，不管是搬运还是拼装过程中的损坏，都能及时反馈给施工人员。一旦出现管片破损，施工人员便可通过手持端设备扫描条形码，快速获得管片信息并迅速定位到堆场中所需替换的管片。 (2) 受地形条件变化等影响，管片施工中常遇到变更隧道中心线的情况，如未调整管片的角度和楔形量等参数，很容易在推进过程中出现管片破损等事故。控制Revit中设置好的参数可实现隧道中心线的重新拟合，新的管片信息瞬间生成，极大提高管片设计和拼装的效率与精度，拟合新的隧道线如图4所示。 (3) Navisworks提供的动画模拟功能，能减少施工人员阅读复杂图纸的时间，并能更准确定位管片安装的位置，减少工作误差，提高拼装效率。

纵观建筑信息技术在我国建筑行业中的应用，隧道工程迫切需要一场基于BIM技术的变革。以管片工程为例，探索管片施工中的信息化建设，研究基于Dynamo模块的管片建模方法，模拟不同类型的管片堆场并提出基于二维条形码的管片定位手段，提出施工过程中针对管片破损现象的信息化处理措施。BIM技术可整合多种专业，形成基于三维可视化的信息交互。二次开发后的平台可较好地贴合管片施工，利用参数化手段完成管片高效建模，省去平面图纸的设计环节，动画模拟施工操作，可协同处理管片存储与拼装环节遇到的实际问题。