BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计案例

Word版本，下载可自由编辑BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计案例1概述

随着我国高速铁路工程建设迅速进展，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进展，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纳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，严峻影响工期，经常导致隧道掌子面开挖平安步距超标、影响防水板和二次衬砌等后续工序的结构连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迅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，把三维的设计思量变成可见的立体实物，提供真正的三维计划可视化设计环境[2，3]。通过BIM模型，利用虚拟现实技术对计划举行全方互动性的直观呈现，推敲计划的合理性，提供在4D虚拟仿真环境中出示计划的办法与流程[4，5]。

针对现状问题，结合施工工序管理需求，通过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迅速施工装备与工艺设计，具有重要的探究应用价值。

2基于BIM的施工计划设计原理

传统的施工计划深入设计，是在二维的施工图上想象构思，通过以往的施工阅历，主观挑选施工计划的装备、工艺等。但往往存在装备选型不合适、工艺繁琐或可行性差，以及容易的“错、漏、碰冶等深入设计图纸问题[6]。然而，BIM的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，为施工计划的装备、工艺的设计优化、可行性验证提供了技术途径。

实现施工计划的3D可视化和4D虚拟仿真的基础，是建立能真切描述施工计划的三维数字模型[7，8]，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。其中，环境模型是施工计划的虚拟布置场地、前置及后置施工工序等环境影响因素。结构模型是施工计划虚拟建筑的工程结构实体物。施工设施模型是施工计划采纳的机械设备、模板、模具等作业设施，是BIM辅助施工计划设计的关键。依据模型构件的施工动态规律关系，利用施工步序的时光任务项驱动模型构件，表述施工计划的虚拟建筑过程[9，10]。

通过AutodeskRevit、Navisworks软件实现施工计划可视化设计[11]，详细计划如下：

(1)利用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)通过Excel编辑每一施工步序的时光任务项，详细包括任务名称、任务类型、开头时光、结束时光、ID序列号等，导出CSV文件;

(3)利用Navisworks导入NWC模型文件和CSV时光任务项数据源文件，通过一定的自动关联规章，使得模型构件与时光任务项一一对应关联，在Timeline虚拟仿真环境中举行时光任务项驱动模型的4D虚拟建筑。图1为基于BIM的施工计划可视化设计流程。

同时，在BIM的4D虚拟仿真环境中，可以举行实时交互的过程模拟，虚拟推演施工计划的过程，动态检查计划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的施工计划优化流程。

图1基于BIM的施工计划可视化设计流程

图2基于BIM的施工计划优化流程

33D模型协同设计

模型协同设计原则：首先按照施工现场环境条件，建立环境模型，形成虚拟真切的设计环境。然后建立结构模型，将未施工的结构物对象预设在已有些施工环境中。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，举行施工设施模型的可视化设计和虚拟仿真优化，从而实现施工计划的模型协同设计效果。

为了实现隧道仰拱与仰拱填充施工计划设计和可视化出示，需要通过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迅速施工台车。

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计划的前置施工工序。按照施工图芋级围岩芋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。需要注重的是，初期支护模型只需具有静态的施工环境布置特征，不参加施工计划虚拟推演过程。而拱底土石方模型，需要反映出动态开挖的过程，要给予施工步序参数，构件的建模精度采纳沿隧道轴向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

按照施工图芋级围岩芋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，仰拱采纳C30混凝土，仰拱填充采纳C20混凝土，两者相对自立浇筑。模型构件给予施工步序参数，建模精度采纳沿隧道轴向6m一段的划分原则。

图4隧道仰拱与仰拱填充模型

3.3施工设施模型

隧道仰拱与仰拱填充施工计划的施工设施模型，是指仰拱与仰拱填充迅速施工台车(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自立行走系统。如图5所示。

图5仰拱台车模型

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，尤其削减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衔接，同时在移动运载模架系统时，使模板系统形成为一个整体，定位精确     ，移动就位快捷。

自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。

44D虚拟施工

4.1建立虚拟仿真环境

利用AutodeskNavisworks导入模型NWC文件，得到虚拟仿真环境下的模型。通过Timeliner模块添加施工步序时光任务项数据源CSV文件，生成虚拟环境下的时光任务项，并使用规章自动附着于模型，使得每一施工步序的时光任务项与模型构件一一对应。模型给予时光属性后，生成虚拟仿真环境下由时光驱动的4D动态模型，从而可举行施工计划的虚拟推演。

4.24D施工计划演示(图6)

隧道仰拱与仰拱填充施工计划的施工步序模拟过程，详细如下：

(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))。

图6施工计划演示

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延续循环浇筑，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举行设计，模板底与仰拱中埋式止水带位置、外形全都，便于固定中埋式止水带，模板顶与仰拱填充面高程全都，可控制仰拱填充浇筑高程。

通过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，依托自立的机械动力行走设备，一次迅速循环移动、精确定位，缩短支模时光，避开人工操作误差，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(须要时绑扎仰拱钢筋)作业区，二是仰拱与仰拱填充延续浇筑作业区，大大缩短了循环作业时光。

5结论

(1)通过BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，建立了BIM辅助施工计划可视化设计和虚拟推演的办法和流程。

(2)BIM