BIM辅助铁路隧道施工方案优化设计案例赏析

时间:2016-04-21    来源:铁道标准设计     BIM编辑:wang

   摘要: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。

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  图1 基于BIM的施工方案可视化设计流程

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  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。

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  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。

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  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方案的施工设施模型,是指仰拱与仰拱填充快速施工台车(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独立行走系统。如图5所示。

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  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,尤其减少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连接,同时在移动运载模架系统时,使模板系统形成为一个整体,定位准确,移动就位快捷。

  独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。

  4 4D虚拟施工

  4.1 建立虚拟仿真环境

  通过Autodesk Navisworks导入模型NWC文件,得到虚拟仿真环境下的模型。利用Timeliner模块添加施工步序时间任务项数据源CSV文件,生成虚拟环境下的时间任务项,并使用规则自动附着于模型,使得每一施工步序的时间任务项与模型构件一一对应。模型赋予时间属性后,生成虚拟仿真环境下由时间驱动的4D动态模型,从而可进行施工方案的虚拟推演。

  4.2 4D施工方案演示(图6)

  隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工步序模拟过程,具体如下:

  (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))。

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  图6 施工方案演示

  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连续循环浇筑,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进行设计,模板底与仰拱中埋式止水带位置、形状一致,便于固定中埋式止水带,模板顶与仰拱填充面高程一致,可控制仰拱填充浇筑高程。

  利用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,依托独立的机械动力行走设备,一次快速循环移动、精确定位,缩短支模时间,避免人工操作误差,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(必要时绑扎仰拱钢筋)作业区,二是仰拱与仰拱填充连续浇筑作业区,大大缩短了循环作业时间。

  5 结论

  (1)利用BIM技术的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境,建立了BIM辅助施工方案可视化设计和虚拟推演的方法和流程。

  (2)BIM辅助施工方案的三维数字模型设计,包括环境模型、结构模型和施工设施模型。利用BIM模型,通过4D虚拟现实技术对施工方案进行全方位互动性的直观展现,优化施工方案的合理性。

  (3)BIM辅助铁路隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺可视化设计,效果显著。BIM辅助设计的仰拱台车能够很好应用于实际施工,对BIM技术在隧道施工中的应用具有一定的参考价值。

  参考文献:

  [1]摇冯国春,邓志刚. 铁路客专隧道简易仰拱移动模架施工技术[J].隧道建设,2011,31(2):262 264.

  [2]摇黄亚斌. BIM技术在设计中的应用实现[J]. 土木建筑工程信息技术,2010,2(4):71 78.

  [3]摇逯宗田. 铁路设计应用BIM的思考[J]. 铁道标准设计,2013(6):140 143.

  [4]摇张建平,李丁,林佳瑞,颜钢文. BIM在工程施工中的应用[J]. 施工技术,2012,41(16):10 17.

  [5]摇卢祝清. BIM在铁路建设项目中的应用分析[J]. 铁道标准设计,2011(10):4 7.

  [6]摇戴林发宝. 隧道工程BIM应用现状与存在问题综述[J]. 铁道标准设计,2015,59(10):99 102.

  [7]摇陶敬华,远方,贾瑛. 建筑信息模型(BIM)在海洋工程结构设计中的应用研究[J]. 土木建筑工程信息技术,2011,3(1):21 25.

  [8]摇高永刚,李光金. 基于BIM可视化技术在杭州东站中的应用[J].土木建筑工程信息技术,2010,2(4):55 58.

  [9]摇李宁. 基于BIM与IFC的混凝土坝施工仿真信息模型构建方法研究[D]. 天津:天津大学,2012.

  [10] 苗倩. BIM技术在水利水电工程可视化仿真中的应用[J]. 水电能源科学,2012,30(10):139142.

  [11] 何关培. BIM和BIM相关软件[J]. 土木建筑工程信息技术,2010,2(4):110 117.

  [12] 张为和. 基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究[J].铁道标准设计,2015,59(3):82 86.

  来源丨铁道标准设计

  作者丨姬付全 翟世鸿 陈富强 刘摇毅 中交第二航务工程局有限公司技术中心,王潇潇 中交第二航务工程局有限公司

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