【BIM应用】基于BIM的地铁隧道超近间距CRD法施工4D仿真

引 言

当前国内城市轨道交通地铁工程建设领域在施工管理方面运用数字化技术的研究相对薄弱，尤其是人机交互4D智能控制工程尚未在实际工程中得到真正开发和使用。依据北京地铁14号线土建10标段在建工程项目需求，针对其采用的CRD法施工穿越特级风险源所研制开发的4D仿真管理系统，将主要施工步序演示、特级风险源、交互式进度控制和三维几何模型有机结合，并嵌入周围地层及各种风险源模型信息，在复杂地铁车站工程施工数字化管理领域进行了有益探索与实践。

工程概况

北京地铁14号线10标段安蒲区间自安乐林站出发后，沿安乐林路起下穿景泰路、蒲黄榆五巷、蒲黄榆二巷及蒲黄榆路，至蒲黄榆路下穿5号线并与蒲黄榆站换乘。安乐林路规划道路红线宽30m，车流量较大，线路穿越范围内平房及瓦房较多，邻近高层建筑若干，距离隧道结构外侧在-0.5～8.0m。区间左线设计里程范围为K21+644.800—K22+449.595，全长804.795m；区间右线设计里程范围为K21+644.800—K22+449.200，全长804.400m。区间轨顶标高13.206～26.817m，地面标高40.85～41.04m，结构覆土厚度14.223～27.644m。区间平面由多条曲线构成，区间线路最大坡度-10.3‰。本段区间线间距10～17m，线路纵向呈单面坡。

项目整体平面图

项目地质情况

既有5号线蒲黄榆站为单柱双层拱形结构形式，暗挖中洞法施工，结构形式为复合式衬砌，已经建成交付投入运行。车站覆土约5.85m，底板埋深约22.0m，全长168m，由南向北设-0.3%的纵坡。车站东西向宽22.6m，高16.3m，轨顶标高21.588～22.092m。

车站结构示意图

安蒲区间在左线K22+404.634—K22+449.595、右线K22+404.247—K22+449.200段下穿既有5号线蒲黄榆站，左右线各45m，其中位于既有5号线结构下方长度为22.6m。区间隧道开挖轮廓线距既有蒲黄榆站底部距离为0.348～1.580m。

安蒲区间与既有5号线的关系

车站初支采用300mm厚C20网喷混凝土，二衬采用不小于600mm厚C30、P10防水钢筋混凝土；底纵梁尺寸1400mm×2750mm，中柱为φ1000mm钢管混凝土柱；车站施工时采用φ114mm，贯通整个车站拱部超长管棚。

隧道开挖步序图

地下管线众多，纵横交错，大直径雨污水、热力方沟、电力方沟，中压自来水、中压燃气、通信等，埋设深浅不一。

安蒲区间下穿既有蒲黄榆站部分隧道，共有以下几方面环境风险源：

(1)既有5号线蒲黄榆站(特级)；

(2)蒲黄榆三向天桥(一级)；

(3)热力方沟(一级)；

(4)新建联络通道(一级)；

(5)地下水——降水井未打到设计数量，降深不足，存在带水作业情况；

(6)砂卵石地层——内摩擦角43°，地层自稳性差，滑移面大，易塌方。

设计相关要求

一、设计原则

(1)系统功能设计本着简洁、实用的原则，运行于Windows环境，具有友好的用户界面，便于在目标用户群中广泛使用；

(2)遵循系统需求分析、总体设计、详细设计、程序编制、系统集成与调试等流程开展系统研制；

(3)满足该地铁车站工程施工管理需求，使系统在地铁工程数字化施工管理领域具有典型的代表性和示范性。

二、设计目标

(1)所构建三维模型应全面、准确反映车站工程本体、各主要施工工艺及周边地层信息，并满足穿越环境风险领域的评估需求；

(2)系统实现三维模型中的各施工工艺与进度控制的密切结合，满足人机智能交互操作的灵活性。

三、系统开发工具

Unity是由Unity Technologies开发的一个可轻松创建建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台综合型3D图形开发工具，比起其他可视化构建工具(如网页、动画、图形编辑工具)来说，Unity 3D由于提供了信息交互的接口，能在实时编辑环境中与对象互动。通过图形用户界面，实现方便灵活、快捷稳定的人机友好交互。鉴于此，选择Unity 3D作为开发工具，能够符合系统设计目标和原则。

系统集成及功能设计

系统平台包括图形界面化系统、三维模型显示系统、菜单控制系统、施工区段模型生长控制系统及背景控制系统等。

系统集成框架

一、图形交互界面系统

图形交互界面系统以二维界面形式设置了各种操作按钮并显示有关信息。

开启图形交互界面系统后进入欢迎界面并点击左侧屏幕中间按钮，车站施工区域的俯视照片向右侧滑动，并由灰色变为彩色，操作者通过图形交互界面进入主页面后，为控制模型的生长效果，必须借助图形交互界面系统所构建的施工区段划分及工序展示菜单框架中的按钮进行操控。

系统开始界面

二、维模型显示系统

三维模型显示系统是用于向操作者直观展示车站施工效果的系统。在这套系统中，通过三维建模软件所构建的模型被附加逻辑关系，进行从属性设置、位置绑定、自发光、漫反射及对应烘焙贴图的处理，使操作者通过亮度、阴影、颜色、前后位置关系将所看到的图形在头脑中转化为三维实体模型。

三、菜单控制系统

菜单控制系统是真正通过输入各种数据，向菜单发生控制命令的系统，也是整个系统平台的核心。菜单控制包括输入信息、记录信息、逻辑判定、控制模型显示等步骤。

按照工程施工部署，分为3个施工区段，每个施工区段包括的主要工序有：竖井开挖及初支、横通道开挖及初支、导洞开挖及初支、条基施工、边桩施工、边导洞冠梁施工、中导洞底纵梁施工、钢管柱施工、顶纵梁施工、中洞及边洞扣拱施工、车站上层土方开挖、车站中层板施工、站厅侧墙施工、站台层土方开挖、车站底板施工及站台侧墙施工等，各施工步序均单独控制。

菜单被点选后激活；鼠标点击可输入空白区域后，激活空白区域为可输入数字区域；鼠标输入数字后，所输入数字被赋予写入后台数据，并呼叫对应生长模型读取数据库中数据，将输入数据转换成模型控制区域所识别的数字后，改变模型为逻辑判定所涉及的相应状态，同时操作者所输入的数字也被传送到可输入的空白区域二维界面显示负责区，并赋值给一段代码，最终可显示操作者所输入的数值及模型上相关施工区段的变化，分别针对各施工区段的不同施工工序，随机输入有关数据后可得到相应形象进度模型显示。

施工进度模型显示

四、施工区段模型生长控制系统

施工区段模型生长控制系统将收到逻辑解析后的信息，通过值域选择在模型上体现。本套系统将每一步施工区域的模型都设定相关逻辑判定关系，涉及模型数量近千余个。

五、背景控制系统

通过背景控制系统可分别控制显示站台模型结构、地层分布及周边风险源等项目，并可嵌入车站本体模型，将各要素集成为整体系统。

背景控制系统要素展示

应用效果

安浦区间下穿5号线蒲黄榆站CRD法施工工艺复杂，风险源众多，尤其是划分为3个不同施工阶段，形成不同方向、位置的工序平行、交叉施工局面(如第2施工区段自横通道分别向东、西方向各开设8个导洞及内部结构施工，同时第1、第3区段也分别对应各自8个导洞)，仅依靠传统平面图纸及文字表达材料形式已经难以全面、充分、准确表达。基于真实几何尺寸所研制的4D仿真管理系统将施工进度控制与工程建设信息、三维几何形体有机结合，将传统平面设计图形、文字施工方案与抽象难懂的施工进度计划有机结合，具有生动、直观、形象、动态可控等特点。具体表现在：

(1)通过操作鼠标实现任意视角、方位和比例移动、旋转、缩放车站结构模型，并获得任何部位、构造的三维直观形象，有利于针对站体内部及其他复杂部位的施工方案进行深入优化分析；

(2)将所构建的各风险源模型根据操作者的需要实时展示在系统界面中，有助于正确显示施工信息并指导施工安全通过环境风险源；

(3)将空间模型施工步序与进度控制有机结合，针对进度控制开发专用技术，实现模型展示随机反映任意工况(实时工况或虚拟工况)，所输入数据精度可达0.1m，满足人机交互的可控性要求，有利于项目管理人员提出更加合理的施工建议，缩短施工周期，降低施工成本，成为进度控制及优化部署施工步序的有利工具。

结束语JIESHUYU

城市地铁工程施工具有风险大、工期长、工法(工艺)复杂、不确定因素多、影响范围广、参加单位多等特点，选择周边环境风险大、工艺复杂的洞桩法为范例，依托北京地铁14号线蒲芳区间工程研制开发的4D仿真管理系统开辟了将真实尺寸三维施工工艺模拟与交互式施工形象进度展示有机结合的新途径，构建起建设单位、设计单位、施工总分包等参建单位在同一集成平台上进行沟通的新模式，有望在地铁工程数字化施工管理领域起到良好的示范作用。

来源：铁路BIM联盟专属期刊

《铁路技术创新》2017年第1期

作者：刘海强

微信公众号：xuebim

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