BIM輔助鐵路隧道施工方案優(yōu)化設計

1、1、概述隨著我國高速鐵路工程建設快速發(fā)展，尤其是鐵路隧道施工高標準化建設，傳統(tǒng)的隧道仰拱與仰拱填充施工工藝不能滿足隧道施工技術的發(fā)展，以及人們對仰拱混凝土外觀質量、結構尺寸、線形控制、施工高效的需求。目前，在鐵路礦山法復合式襯砌隧道施工中，仰拱與仰拱填充多采用傳統(tǒng)的拼裝小模板的施工工藝，存在人工安裝費用高、設備工裝低、施工質量低等問題，并且施工進度難以保障，嚴重影響工期，常常導致隧道掌子面開挖安全步距超標、影響防水板和二次襯砌等后續(xù)工序的結構銜接質量和進度等問題。因此，仰拱與仰拱填充成為制約隧道高質量快速施工的控制性工序。BIM技術是以3D數字模型為基礎，以三維模型的平、立、剖等視圖聯(lián)動設計方

2、式，取代了傳統(tǒng)的單視圖線條式設計，以“所見即所得冶的形式，把三維的設計思考變成可見的立體實物，提供真正的三維方案可視化設計環(huán)境。利用BIM模型，通過虛擬現(xiàn)實技術對方案進行全方互動性的直觀展現(xiàn)，推敲方案的合理性，提供在4D虛擬仿真環(huán)境中展示方案的方法與流程。針對現(xiàn)狀問問題，結結合施工工工序管管理需求求，利用用BIMM技術可可視化、協(xié)協(xié)同性、模模擬性、優(yōu)優(yōu)化性等等手段，開開展隧道道仰拱與與仰拱填填充快速速施工裝裝備與工工藝設計計，具有有重要的的探索應應用價值值。2、基于BBIM的的施工方方案設計計原理傳統(tǒng)的施工工方案深深化設計計，是在在二維的的施工圖圖上想象象構思，利利用以往往的施工工經驗，主主觀

3、選擇擇施工方方案的裝裝備、工工藝等。但但往往存存在裝備備選型不不合適、工工藝繁瑣瑣或可行行性差，以以及簡單單的錯、漏漏、碰冶冶等深化化設計圖圖紙問題題。然而而，BIIM的3D可視視化設計計環(huán)境和和4D虛擬擬仿真環(huán)環(huán)境，為為施工方方案的裝裝備、工工藝的設設計優(yōu)化化、可行行性驗證證提供了了技術途途徑。實現(xiàn)施工方方案的33D可視視化和44D虛擬擬仿真的的基礎，是是建立能能真實描描述施工工方案的的三維數數字模型型，包括括環(huán)境模模型、結結構模型型和施工工設施模模型。其其中，環(huán)環(huán)境模型型是施工工方案的的虛擬布布置場地地、前置置及后置置施工工工序等環(huán)環(huán)境影響響因素。結結構模型型是施工工方案虛虛擬建造造的工程

4、程結構實實體物。施施工設施施模型是是施工方方案采用用的機械械設備、模板、模具等作業(yè)設施，是BIM輔助施工方案設計的關鍵。依據模型構件的施工動態(tài)邏輯關系，通過施工步序的時間任務項驅動模型構件，表達施工方案的虛擬建造過程。利用AuttodeeskRReviit、Navviswworkks軟件件實現(xiàn)施施工方案案可視化化設計，具具體方案案如下：(1)通過過Revvit建建立三維維數字模模型，每每一構件件的屬性性信息應應配置唯唯一的施施工步序序參數，導導出NWWC模型型文件;(2)利用用Exccel編編輯每一一施工步步序的時時間任務務項，具具體包括括任務名名稱、任任務類型型、開始始時間、結結束時間間、I

5、DD序列號號等，導導出CSSV文件件;(3)通過過Navviswworkks導入入NWCC模型文文件和CCSV時時間任務務項數據據源文件件，利用用一定的的自動關關聯(lián)規(guī)則則，使得得模型構構件與時時間任務務項一一一對應關關聯(lián)，在在Timmeliine虛虛擬仿真真環(huán)境中中進行時時間任務務項驅動動模型的的4D虛擬擬建造。圖圖1為基于于BIMM的施工工方案可可視化設設計流程程。同時，在BBIM的的4D虛擬擬仿真環(huán)環(huán)境中，可可以進行行實時交交互的過過程模擬擬，虛擬擬推演施施工方案案的過程程，動態(tài)態(tài)檢查方方案可行行性以及及存在的的問題，優(yōu)優(yōu)化施工工裝備、工工藝等。圖圖2為基于于BIMM的施工工方案優(yōu)優(yōu)化流程

6、程圖1基于BBIM的的施工方方案可視視化設計計流程圖2基于BBIM的的施工方方案優(yōu)化化流程3、3D模模型協(xié)同同設計模型協(xié)同設設計原則則：首先先根據施施工現(xiàn)場場環(huán)境條條件，建建立環(huán)境境模型，形形成虛擬擬真實的的設計環(huán)環(huán)境。然然后建立立結構模模型，將將未施工工的結構構物對象象預設在在已有的的施工環(huán)環(huán)境中。最最后在環(huán)環(huán)境模型型的作業(yè)業(yè)空間允允許界限限內，結結合結構構模型的的施工需需要，在在同一設設計環(huán)境境中，進進行施工工設施模模型的可可視化設設計和虛虛擬仿真真優(yōu)化，從從而實現(xiàn)現(xiàn)施工方方案的模模型協(xié)同同設計效效果。為了實現(xiàn)隧隧道仰拱拱與仰拱拱填充施施工方案案設計和和可視化化展示，需需要利用用Autto

7、deeskRReviit軟件件建立以以下3個模型型：環(huán)境境模型包包括隧道道初期支支護、前前方拱底底土石方方;結構模模型包括括仰拱、仰仰拱填充充;施工設設施模型型為仰拱拱與仰拱拱填充快快速施工工臺車。3.1.環(huán)環(huán)境模型型隧道初期支支護、前前方拱底底土石方方開挖，為為仰拱與與仰拱填填充施工工方案的的前置施施工工序序。根據據施工圖圖芋級圍圍巖芋bb型襯砌砌斷面，考考慮施工工工序劃劃分原則則，建立立隧道初初期支護護與拱底底土石方方模型，如如圖3所示。需需要注意意的是，初初期支護護模型只只需具有有靜態(tài)的的施工環(huán)環(huán)境布置置特征，不不參與施施工方案案虛擬推推演過程程。而拱拱底土石石方模型型，需要要反映出出動

8、態(tài)開開挖的過過程，要要賦予施施工步序序參數，構構件的建建模精度度采用沿沿隧道軸軸向6mm一段的的劃分原原則。圖3隧道初初期支護護與拱底底土石方方模型3.2.結結構模型型根據施工圖圖芋級圍圍巖芋bb型襯砌砌斷面，考考慮施工工工序劃劃分原則則，建立立隧道仰仰拱與仰仰拱填充充模型，如如圖4所示。其其中，仰仰拱的矮矮邊墻高高出填充充面3000mmm，仰拱拱填充預預留中心心蓋板溝溝，仰拱拱采用CC30混混凝土，仰仰拱填充充采用CC20混混凝土，兩兩者相對對獨立澆澆筑。模模型構件件賦予施施工步序序參數，建建模精度度采用沿沿隧道軸軸向6mm一段的的劃分原原則。圖4隧道仰仰拱與仰仰拱填充充模型3.3.施施工設

9、施施模型隧道仰拱與與仰拱填填充施工工方案的的施工設設施模型型，是指指仰拱與與仰拱填填充快速速施工臺臺車(簡稱仰仰拱(BBIM設設計)臺車)設計，主主要包括括模板系系統(tǒng)與行行走系統(tǒng)統(tǒng)兩部分分設備。由由翻轉組組合式仰仰拱模板板、端頭頭模板、中中心水溝溝模板構構成的整整體式模模板系統(tǒng)統(tǒng);由一對對自行式式桁架梁梁組成的的獨立行行走系統(tǒng)統(tǒng)。如圖圖5所示。圖5仰拱臺臺車模型型仰拱模板設設計為左左右兩幅幅翻轉式式組合鋼鋼板，模模板沿隧隧道軸向向的長度度為6mm，由固固定部分分(與剛性性骨架剛剛接)和活動動部分鉸鉸接組成成，安裝裝、定位位、拆除除操作簡簡便快捷捷，尤其其減少了了固定部部分鋼板板本身變變形損傷傷

10、，可很很好地保保證仰拱拱矮邊墻墻線形控控制。端頭模板由由鋼板和和型鋼梁梁組成，與與仰拱模模板和中中心水溝溝模板活活動連接接，同時時在移動動運載模模架系統(tǒng)統(tǒng)時，使使模板系系統(tǒng)形成成為一個個整體，定定位準確確，移動動就位快快捷。獨立行走系系統(tǒng)的動動力設備備包括電電葫蘆和和卷揚機機(固定在在后支座座上)，由1對桁架架梁為模模架系統(tǒng)統(tǒng)提供滑滑行軌道道。4、4D虛虛擬施工工4.1.建建立虛擬擬仿真環(huán)環(huán)境通過AuttodeeskNNaviiswoorkss導入模模型NWWC文件件，得到到虛擬仿仿真環(huán)境境下的模模型。利利用Tiimellineer模塊塊添加施施工步序序時間任任務項數數據源CCSV文文件，生生

11、成虛擬擬環(huán)境下下的時間間任務項項，并使使用規(guī)則則自動附附著于模模型，使使得每一一施工步步序的時時間任務務項與模模型構件件一一對對應。模模型賦予予時間屬屬性后，生生成虛擬擬仿真環(huán)環(huán)境下由由時間驅驅動的44D動態(tài)態(tài)模型，從從而可進進行施工工方案的的虛擬推推演。4.2.44D施工工方案演演示(圖6)隧道仰拱與與仰拱填填充施工工方案的的施工步步序模擬擬過程，具具體如下下：(1)測量量放樣，模模架系統(tǒng)統(tǒng)就位(圖6(aa)、圖圖6(gg);(2)卷揚揚機驅動動桁架梁梁向前行行走至下下一循環(huán)環(huán)位置;澆筑仰仰拱混凝凝土(圖6(bb);(3)手葫葫蘆起吊吊、上翻翻仰拱壓壓模活動動板(圖6(cc);(4)澆筑筑仰

12、拱填填充(圖6(dd);(5)電葫葫蘆起吊吊端頭梁梁、整體體模架向向前滑移移6m，前前方隧底底砟石開開挖(圖6(ee);(6)電葫葫蘆下放放端頭梁梁，手葫葫蘆下翻翻仰拱壓壓?；顒觿影?圖6(ff)。圖6施工方方案演示示4.3.效效果評價價仰拱模板設設計為翻翻轉式組組合鋼板板，由固固定部分分和活動動部分鉸鉸接組成成，實現(xiàn)現(xiàn)仰拱與與仰拱填填充連續(xù)續(xù)循環(huán)澆澆筑，保保證仰拱拱矮邊墻墻澆筑質質量和線線形控制制。端頭頭模板依依據仰拱拱與仰拱拱填充的的結構尺尺寸進行行設計，模模板底與與仰拱中中埋式止止水帶位位置、形形狀一致致，便于于固定中中埋式止止水帶，模模板頂與與仰拱填填充面高高程一致致，可控控制仰拱拱填

13、充澆澆筑高程程。利用端頭模模架固定定仰拱模模架和中中心水溝溝模架，組組成可拆拆卸式整整體模板板系統(tǒng)，依依托獨立立的機械械動力行行走設備備，一次次快速循循環(huán)移動動、精確確定位，縮縮短支模模時間，避避免人工工操作誤誤差，保保證洞內內交通。仰仰拱作業(yè)業(yè)面分為為兩個作作業(yè)區(qū)流流水施工工，一是是仰拱底底部開挖挖(必要時時綁扎仰仰拱鋼筋筋)作業(yè)區(qū)區(qū)，二是是仰拱與與仰拱填填充連續(xù)續(xù)澆筑作作業(yè)區(qū)，大大大縮短短了循環(huán)環(huán)作業(yè)時時間。5、結論(1)利用用BIMM技術的的3D可視視化設計計環(huán)境和和4D虛擬擬仿真環(huán)環(huán)境，建建立了BBIM輔輔助施工工方案可可視化設設計和虛虛擬推演演的方法法和流程程。(2)BIIM輔助助施工方方案的三三維數字字模型設設計