基于BIM技术的盾构“隧道”风险可视化

摘要：随着我国社会经济的发展，BIM技术变得越来越完善，在建筑工程中的应用变得更加深入，并且由于BIM技术具有可视化、模拟化、优化性等特点，可以极大的减少工程建设的风险和误差。BIM技术的应用已经相对成熟，但是针对在地铁盾构隧道施工方面的应用仍旧处于起步阶段。因此，本文以BIM技术为研究对象，探讨其在地铁盾构隧道风险可视化研究，具有较大的现实意义。

关键词：BIM技术；地铁盾构隧道；风险可视化

引言

地铁做为我国一种重要的绿色交通工具，在城市交通中扮演着极其重要的角色，近年来，我国各大一线城市已经将开通地铁做为了一种标配，地铁的发展十分迅速。当然，在地铁建设的过程中，不可避免的会出现较多的建设风险和安全隐患，盾构法是一种较为科学的风险分析方法，可以将风险事件进行有效评价，并将风险隐患进行可视化分析。因此，本文以此为研究课题，并以自身的一个实际工程项目为例，来探讨基于BIM技术的盾构“隧道”风险可视化，期望能对后来的研究者提供一定的借鉴价值。

1 BIM概述

BIM技术，即建筑信息化模型，是一种结合现代信息技术的工程辅助技术，能够极大的帮助工程施工过程中减少风险、降低成本的目标，跟CAD相比，这种技术具有不可比拟的优势，CAD制图技术只能进行三维设计，而BIM则能进行四维设计。

从BIM技术的内涵来看，其具有以下几大好处：一是全生命周期，相比于CAD来说，BIM技术增加了时间维度，可以从设计阶段开始，一直到运营管理都可以进行全方位的模拟；二是构建三维模型，以往的施工图纸均是二维，要想实现三维可视化，就需要设计人员自己想象，这十分的不方便，而且随着建筑结构的不断复杂化，CAD技术已经逐渐被淘汰；三是模拟与优化，使用BIM还可以进行多方位的模拟，包括节能模拟、日照模拟、紧急疏散模拟、施工进度的模拟乃至模拟建筑物投入使用之后方方面面。掌握更多的信息之后，也方便做更多更好的优化，方便进行项目管理、特殊设计的优化、成本与工期的控制等等。

总之，BIM的优势十分明显，可以极大程度的提升建筑工程的施工效率，对于地铁隧道建设来说，同样具有不可替代的作用。

2地铁盾构模型构建

2.1相关参数设置

香港地铁建设已经十分成熟，针对盾构隧道来说，笔者采用的是预制管片拼装技术，但是这种技术存在着一定的缺陷，由于装配形式变化多样，而且存在着管片数量众多的情况，因此导致管片拼装位置十分复杂。因此，必须使用整体拼装建模策略，才能最大的提升效率，否则工作量将十分繁杂。因此，采用参数化建模，分析软土地铁盾构隧道管片组成规律，借助多个控制参数快速生成模型，是解决该阶段建模问题的首选之法。

从一般意义上来说，进行BIM参数设置，从而进行有效建模的流程比较复杂，但是环节清晰。一是要对地铁盾构隧道的相关数据进行测量，比如管片内径、拉伸长度、旋转角度等，依据这些数据做为参数设置的依据，特别要使旋转角度与管环中心参照点的距离在自适应体量下进行关联，建立两点自适应管环的参数化模型；二是要利用Revit程序来进行自适应点的设置，要保证自适应点与管片中心点的距离始终，并把这距离做为驱动参数的主体，并需要对其进行进一步的参数定义，可以选用if公式对隧道中心进行等距分割，从而可以有效的生成对应参照点，将自适应点放在这个参照点上，接着利用Revit程序，一键生成管环，Revit程序参数设置方法如下图所示：

图1 Revit程序参数设置

2.2参照平面设置

在自适应点的设置过程中，参照平面的设置至关重要，要保证自适应点与参照平面相互协调，必须还要利用Revit程序进行参照平面的生成，以此保证管环的顺利生成，针对参照平面的设置，如下图所示：

图2 Revit程序中参照点、参照线、参照平面

2.3BIM模型构建

在参照平面设置完成的基础上，必须进一步在Revit程序中新建一个公制常规模型，并结合参照平面以及图纸信息的基础上，对管片的位置进行迅速定位。在此基础上，编制一个融合命令，并在上面绘制出管片前后两侧的轮廓线，并修改融合起、始点，生成楔形体的邻接块与封顶快，采用旋转等命令完成单环管片的拼装，最后得到由带有楔形体的完整盾构管片所拼接而成的盾构隧道。在进行参数化处理后，通过调整个别参数即可得到不同尺寸的管片，进而实现模型的构建，该方法可以比较容易地实现盾构区间的 BIM 建模工作，从而极大地提高建模效率。经过这样的操作步骤，笔者初步得到了盾构环模型以及隧道错缝拼装模型，如下图所示：

图3 盾构环模型

图4 隧道错缝拼装模型

3 案例工程概述

3.1工程背景简介

香港地铁工程建设项目沙中线，是香港铁路有限公司正在兴建的一条全新地铁线，也是当前香港地铁建设中最先应用BIM技术的项目。目前该地铁项目由于现实需求，已经将计划线路拆分成了两部分，即“沙田至红磡段”及“红磡至中环段”。

地铁项目原本就是一个十分复杂的项目，在该项目中，其构造较为复杂，标高众多，管线十分密集，洞口设置如果不合理，则会造成大量成本的浪费，采用BIM技术进行盾构隧道风险可视化评价，则会大大的减少风险发生的可能，从而为地铁工程施工提供坚实的数据支撑。

香港地铁工程建设项目沙中线项目全长约17公里，途径10个车站，本文选取的就是扩建钻石山站与金钟站之间的隧道，区间距离为1.6公里。在这两个车站之间，由于已经渐趋郊区，工程地质剖面图如下所示：

图5 工程地质剖面示意图

3.2相关量的确定

在进行盾构“隧道”施工之前，需要对其总配件数量、总混凝土数量、隧道挖土土方量等进行量的确定，以配合估算师工作，接下来本文对此进行一一阐述。

（1）总配件数量

在这种施工中，所涉及到的配件数量较多，比如桥架、线管、用电设备等，这些配件的总量可以由Revit中的明细表计算得出。通过打开明细表，在项目浏览器中，选择标题、合计和综述，合计中显示组中图元的数量，标题和合计左对其显示在组的下方，总数即为总配件数量。

通过在Revit软件中进行总计，发现刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机、拖车等，总数量为5234件，其中管片居多。

（2）总混凝土体积

总混凝土体积也可以用Revit软件来计算得出，首先打开创建完毕的模型，新建明细表，并创建结构柱明细表，选择类别为结构柱；其次，添加相应的需要字段信息，比如体积，并点击成组，勾选总计；然后，点击格式，设置体系，计算总数；最后点击体积列，选择选项卡中的“设置单元格式”，保留三位小数，并导出进行数据处理即可。

因此，由于之前已经创建了模型，那么经过这样的步骤，很容易就得出总混凝土体积量为304m3。

（3）隧道挖土土方量

针对隧道挖土土方量的计算，进行的步骤可能要稍微复杂一点，首先要绘制地形，这在前面已经完成。在绘制地形的基础上，选择地形，待图元高亮显示后，在左侧属性对话框中将“创建的阶段”设定为“现有”；其次，单击“体量和场地”选项卡>“修改场地”面板>“平整区域”命令，弹出对话框，并绘制建筑地坪，进入3D视图，在左侧视图属性对话框中将“相位”设置为“现有”；然后，将属于“现有”阶段的原地形选择后删除，再次在视图属性对话框中将“相位”设置为“新构造”，此时可见到新构造阶段的地形及其他构造物出现，并单击“视图”选项卡>“图形”面板>“可见性/图形”按钮，在弹出的“可见性/图形替换”对话框中取消勾选“场地”中的“建筑地坪”（如图-1），这样画面上将只会看见单纯的地表；最后，任选一个被地坪切割过后的地形，高亮选择后，在实例属性对话框中，在“标识数据”下的“名称”栏内输入这个轮廓的名称，再利用明细表计算土方量。经过这样的步骤，可以很轻松的得到，本次隧道施工挖土土方量为59.05m3。

4基于BIM技术的盾构“隧道”风险可视化

4.1盾构“隧道”风险事件评价

在进行盾构隧道风险事件评价之前，需要对工程施工中会出现的风险事件进行整理和归类，结合施工现场实际情况，对地铁盾构隧道的风险事件进行了全面总结，如下表所示：

表1 地铁盾构隧道的风险事件表

上表对于不可接受需要重新决策的风险进行了全部罗列，但是由于受到主客观环境的影响，无法将所有风险都一一罗列出来，比如还有较多的三级风险。

4.2基于BIM技术的风险可视化

在利用BIM技术将风险可视化之前，需要在Revit程序中进行底层模型的模拟，即对钻石山站与金钟站进行详细分析，可以将场地视图导入进CAD平面图纸中，从而方便后续操作。在此基础上，必须修改导入单位和可见性等参数，并使用Revit程序中的特殊命令，来进行场地绘制，利用放置点来确定地表高程坐标，顺利生成地表模型。此外，还需对地表模型进行有效分割，在分割成一个个单独的区域后，辅以不同颜色的材质，来模拟地面上的真实情况。下部土层分布参考区间工程地质土层勘探图，通过内建场地模型的方式，借助勘探图土层边界线，通过拉伸命令绘制各个土层，并分别赋予相应材质、颜色，生成整体土层模型。通过以上操作，可以得到盾构区间底层及周边环境的模型，具体如下图所示：

图6 盾构区间底层及周边环境的模型

当然，为了对盾构隧道的风险进行全面评价，在BIM模型库已经建立的基础上，针对钻石山站与金钟站的管片参数设置，从而在Revit程序中可以极其方便的生成盾构隧道以及联络通道等模型，具体如下图所示：

图7 盾构隧道模型

图8 联络通道模型

在以上步骤完成情况下，要想进一步将风险评价表中的风险事件进行可视化，需要利用BIM模型库中的相关模型，将其转换成图片，然后载入到程序中，并放置于相应的事故发生位置做为警示标志。而一线施工人员可以依据模型图纸，清晰的看到哪些区域属于风险高发区域，从而及时的对施工过程进行有效监测，提前进行警示的优势可以极好的避免风险的发生，而这样将风险进行可视化，才能有效的降低风险。

结束语

综上所述，BIM技术的应用让建筑工程领域的建设效率得到了极大的提升，而且由于其可视化的特点，最大程度的避免了施工风险的发生，解决了潜在的安全隐患，让施工变得更加安全。本文以香港地铁钻石山站与金钟站为例，探讨了将BIM技术应用在盾构隧道风险可视化的方法，在构建好了BIM模型库之后，利用Revit程序的建模功能，实现了风险可视化的目标。因此，本文的研究内容和结论对香港地铁沙中线避免施工风险提供了理论上的指导价值。（基建项目总监蔡振声编辑）