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BIM技術案例分享:基于BIM的清華園隧道施工管理關鍵技術

發布時間:2021年03月30日 11:53:39 來源:網絡 點擊量:

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【摘要】近年來,BIM技術備受大眾青睞,運用BIM技術可以支援并改善許多建筑設計和施工過程業務實務流程,解決施工過程中更高復雜度的問題,對業主、設計單位、施工方都有不可替代的好處。環球網校為大家帶來“BIM技術案例分享:基于BIM的清華園隧道施工管理關鍵技術”。

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工程概況

清華園隧道是新建北京至張家口高速鐵路的重點控制性工程,主要包括盾構段和明挖段隧道。

其中,盾構段隧道系國內首條穿越北京主城區單洞雙線、大直徑、高風險的鐵路盾構隧道,全長5330m,在學院南路北側入地,并行城鐵13號線,依次下穿北三環路(上穿在建地鐵12號線)、知春路、地鐵10號線、北四環路、成府路、雙清路、上穿地鐵15號線后出地面。該地段地質復雜、環境風險高、施工難度大,長距離穿越卵石土地層,對刀盤刀具磨損大,不利于盾構連續掘進施工。下穿的地鐵線路承擔著巨大的客流輸送任務,施工過程中必須嚴格控制地表不均勻沉降;下穿的建筑物部分較為老舊,地面風險源及管線極多,穿越過程中如何保證敏感建筑安全,是盾構掘進控制的重點。隧道全線均在北京主城區內,沿線商業區分布較多,人員密集,文明施工和環境保護要求極高,施工中需采取各種措施減少環境破壞,保護周邊環境,要體現環保意識,樹立良好形象。同時各種電力設施、地下管線、通信線路密布,掘進過程中如何確保道路結構及管線安全,是本工程盾構施工控制的難點。

明挖區間共2段,每段均由明洞段隧道和工作豎井組成,起止里程分別為:DK14+090—DK14+289和DK18+200—DK19+420,總長1419m。

明挖區間圍護結構為鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁。1號豎井深20m、3號豎井深22.6m,2號豎井深31~37m。1號、3號豎井采用鉆孔灌注樁+旋噴樁圍護結構,鋼支撐支護體系;2號豎井采用地下連續墻圍護結構,鋼支撐支護體系。采用局部鋼筋混凝土支撐+鋼支撐支護體系。豎井深度大,地層穩定性差,容易失穩變形,并造成周邊沉降,是工程控制的重點。

關鍵技術

參數化建模

清華園隧道BIM模型主要分為4類:地質模型、結構模型、周邊環境模型和盾構機模型。

地質模型

三維地質模型包含地層模型、斷層、鉆孔等地質工程勘察信息,考慮地質專業建模的特殊性,本次地質建模精度高于初步設計精度,以保證在后續深化過程中地質專業不再重新建立模型。地質模型在地質勘探點處的幾何精度為1mm,位置精度為10mm。地質專業涉及的地層巖性多,采用了統一的地質材質標準、顏色標準、屬性標準、圖層標準等。按照統一標準完成的地質模型,整體更具有統一性。

結構模型

清華園隧道盾構段采用預制管片及軌下全預制構件拼裝創新技術,用拼裝的模式代替現澆法工藝,更符合盾構法隧道發揮對周圍環境影響小、自動化程度高、施工快速、優質高效、安全環保等優點。每環由9塊管片組成,包括1塊封頂塊、2塊臨接塊和6塊標準塊;軌下全預制結構采取中間預制“口”字件(中箱涵)+兩側預制邊箱涵的結構形式。在建模過程中,將結構劃分為基本零件,形成構件庫,并能根據設計圖從構件庫中調取模型生成隧道結構BIM模型。

周邊環境模型

隧道下穿北京核心城區,穿越市政管線、道路和建筑物多達上百處。根據實地考察和設計文件,創建26處風險構筑物、88條重要市政管線及10號、12號、13號與15號地鐵線,北三環、成府路等多條重要市政道路在內的BIM模型,為隧道施工系統開展實時可視化監控風險變化工作提供了位置關系、風險說明、應急方案等輔助決策信息。

盾構機模型

清華園隧道采用外徑12.2m的大直徑泥水平衡盾構機施工。盾構機建模主要包括刀盤、盾體、推進油缸、輸送機、管片拼裝機、拖車等主要零部件。盾構機模型的建立一方面能夠查看盾構機所在位置的地層地質情況,另一方面可與施工參數結合,實現設備狀態的可視化監測。

基于BlM的多源異構信息集成

清華園隧道數據信息來源于盾構機、RFID射頻標簽、圖紙、視頻、文字記錄等多種渠道,有效地組織處理數據成為平臺底層數據結構的關鍵。因此,有必要對形式復雜、格式不一、來源多樣的數據進行統一規劃。

研究數模分離技術,形成以BIM模型為核心,與施工數據、結構數據、監測數據、風險數據、人員數據相互映射的數據架構。通過數據調用技術、數據流接口技術、控制模式技術的研發,實現多源異構數據集中運行應用管理。

統一建模編碼體系

依據鐵路BIM聯盟《鐵路工程實體結構分解指南(1.0)》《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0)》《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0)》等相關標準,結合清華園隧道軌下全預制拼裝結構的特點,研究盾構隧道工程實體結構分解方式及專業構件編碼規則,通過附加IFD類型碼、EBS實體碼及風險監測測點編碼等統一標準編碼,實現數據信息的靈活性、傳遞性和共享性,也補充完善了鐵路BIM聯盟相關標準。

在建設基于BIM的隧道施工管理系統過程中,應遵循以下原則。

工點編碼,由鐵路工程管理平臺統一編碼下發,前6位表示項目編碼,第7、8位為專業代號,第9、10、11、12位為工點順序號

結構類別碼,第13、14位為結構類別位,如地基加固與處理DJ,初期支護CZ,襯砌CJ。

結構部位標識碼,第15、16位是結構部位標識位,單洞單線隧道為00,單洞雙線或多線隧道時,結構部位標識位應由小里程向大里程方向,從左到右依次是01、02…

結構部位順序碼,第17、18、19、20位為結構部位順序位

構件類別碼,第21、22、23、24位為構件類別位,如管片0304、箱涵0313

構件標識碼,第25、26位為構件標識位,若只存在唯一構件則為00,若存在多個構件,應由小里程向大里程方向,從左到右依次是01、02…

構件順序碼,第27、28、29、30、31位為構件順序位

示例:XPBZ01040010.CJ.01.0001.0313.00.00001,解釋為新建北京至張家口鐵路清華園隧道1號盾構段左線1號節段第一塊箱涵預制構件。

基于BlM的隧道施工管理系統構建

系統架構設計

系統整體架構由網頁端和手持應用終端組成。服務器端配置由SQLServer服務器、防火墻和路由器組成,負責提供數據存儲、訪問和管理服務。通過BIM模型輕量化處理發布、調用,實現設計與施工階段數據無縫銜接,并為后期的運營維護提供數據信息。手持應用終端采用響應速度較快、安全性較高的C/S架構,保證施工數據獲取的時效性。

基于BIM的隧道施工管理系統分為5層架構,包括設備層、數據層、模型層、功能層和應用層。

設備層包括監控監測傳感器、視頻監視器、射頻識別芯片(RFID)和手持終端。在豎井、建筑物、道路、盾構頂層地面等關鍵位置布設檢測傳感器,動態采集沉降、傾斜、應力等監測數據。通過RFID芯片和手持終端采集管片拼裝質量數據,固定式RFID讀寫器獲取門禁、盾構機、人員定位等動態數據。獲取的多源數據通過網絡統一回傳至中心服務器進行數據處理分析。

數據層包括預制構件生產、質量追溯、監控監測、人員定位等數據庫,將預制構件生產過程數據、盾構拼裝質量數據、風險監測數據、人員定位數據通過異構多源數據融合機制集成到BIM模型和中心數據庫。

模型層包括地層地質模型、周邊環境模型、隧道結構模型和盾構機模型。模型層以設計院提供的BIM模型為源頭,通過輕量化處理、數模分離,提取幾何信息和非幾何信息,形成設計階段屬性數據庫,并與建造數據互通。

功能層是通過自主研發WebGL的CarsView圖形引擎對各類BIM模型統一集成管理,包括施工質量追溯、進度跟蹤、安全風險監控、人員軌跡分析、施工參數挖掘、盾構工效分析等服務,實現各參建方數據共享與應用。

應用層是為各參建方提供包括Web、手持終端和調度中心的應用服務,滿足人機交互需求。

基于BlM隧道施工管理系統實施流程

依托鐵路總公司重點科研課題,重點研究參數化建模、多源異構數據集成、統一建模編碼體系等關鍵技術。并結合清華園隧道工程特點、管理要求、施工難點等進行施工系統需求分析,形成系統架構設計、功能設計和網絡安全設計技術方案。對設計院提供的不同深度模型輕量化處理,將施工組織信息、人員組織結構信息、技術方案信息和管理信息與BIM模型融合,通過WebGL圖形引擎研發基于BIM的清華園隧道施工管理系統,通過功能測試、性能測試與安全測試后部署在鐵路工程管理云平臺上,組織系統使用人員培訓,并建立消息日志與容災備份等運維保障機制。

應用實踐

預制件管理

清華園隧道預制構件供應商為中鐵十四局房山橋梁廠,研發的手持終端設備具備鋼筋加工、鋼筋安裝、模具檢查、澆筑、蒸汽養護、脫模、噴碼、灑水養護等構件制造全過程數據采集功能,并在堆場和出場過程中粘貼二維碼,保證構件制造信息流轉到施工拼裝階段,與拼裝質量數據融合,實現信息傳遞和共享。

進度管理

將盾構機掘進施工時間、持續時長和里程位置等進度數據通過抽取算法與進度判定算法分析,結合施工計劃與BIM模型,實時判別進度超前或滯后,形成計劃與實際進度三維可視化對比分析,并將實時分析的結果反饋到項目管理人員,提高進管控時效性,輔助施工方案調整與決策。

質量追溯

通過安裝在管片上的RFID標簽,動態采集隧道拼裝質量、結構健康狀態、跟蹤修復結果等數據信息,并分析隧道軸線偏差、管片橢圓度、錯臺、滲漏、破損等工程質量數據。

可點擊平面示意圖和三維BIM模型查詢實體結構的拼裝時間、注漿量、二次注漿量、外觀質量信息,形象直觀快速地為相關質量監督人員指明問題所在,同時保證隧道質量具有可追溯性。

風險監控

通過對隧道線路走向及周邊范圍內風險源梳理,建立包括地面風險構筑物、地下復雜管線、臨近地鐵線、既有鐵路線以及成型隧道結構的監控監測預警體系,與盾構掘進拼裝進度密切關聯,提前對盾構機即將穿越的風險源發出警示提醒;并采用Revit和MicroStation建模軟件創建所有的風險源、地層地質及監測點BIM模型,提供隧道與風險源空間位置關系;結合地層地質中的屬性參數信息,自動檢索匹配數據庫中的工程地質參數,判定相應的地質風險因素,提供專項應急處理方案便于用戶查詢。在盾構施工遠程調度中心大屏上實時關注監控量測數據、盾構機施工數據與人員定位信息,切實可行組織落實風險預警管控措施。

盾構遠程監控

將盾構掘進姿態、刀盤扭矩、同步注漿、泥水循環和盾尾油脂等施工數據引入地面調度監控中心,便于實時掌握地下盾構機運行狀態,并將數據信息與盾構機BIM模型關聯,有助于動態模擬優化盾構施工實施方案。對盾構隧道單環管片的掘進、拼裝、施工3種狀態所需時間數據結構化存儲和工效分析,有助于項目管理人員掌握盾構機施工規律,輔助施工組織優化,并為日常盾構機養護、資源動態優化調整等提供依據。

信息總覽

綜合展示清華園隧道工程形象進度、管片拼裝質量、安全風險監控、盾構機掘進姿態以及成型隧道質量等信息,以三維可視化漫游方式便于快速了解隧道施工進展。

系統特點

基于BIM技術的清華園隧道施工管理系統具備以下技術特點。

(1)標準化:根據《鐵路工程實體結構分解指南(1.0)》《鐵路工程信息模型分類和編碼標準(1.0)》《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0)》等BIM相關技術標準,建立并豐富鐵路盾構隧道工程實體結構分解與編碼規則,補充完善鐵路BIM聯盟標準,并為其他在建隧道提供建模編碼范例。

(2)全壽命:以二維碼和RFID射頻電子標簽為信息載體,便于施工過程數據采集與查詢,并與建造期數據融合,形成類似裝配式的隧道生產、運輸、拼裝以及后期運營健康數據信息的全壽命質量追溯體系。

(3)可視化:自主研發WebGL為瀏覽器展示層技術的CarsView圖形引擎,建立實時數據驅動的盾構隧道形象進度與安全風險管控體系,形成基于BIM的盾構隧道施工可視化管理模式。

結合穿越核心主城區大直徑鐵路盾構隧道關鍵施工難點問題,重點突破參數化建模、多源異構數據融合和統一建模編碼體系等關鍵技術,研發各方參與、信息共享、可擴展應用的鐵路隧道BIM施工管理系統,有效解決了盾構隧道施工中遇到的進度卡控、資源平衡配置、質量病害追溯、環境風險監測、盾構遠程監控等重難點問題,并在京張高鐵清華園隧道中成功應用,提升了盾構隧道施工數字化、信息化與精益化管理水平,取得了良好應用效果。通過基于BIM的鐵路隧道施工管理系統收集了勘察設計與建造等數據,為探索建維一體化技術路線,打造工程建設全生命周期數據鏈條奠定了基礎。同時,依托鐵路工程管理平臺,可形成全路隧道遠程監控平臺,實現向項目群信息化管理方式的轉變。

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