0 引言
铁路隧道施工是高度动态的过程，尤其是矿山法施工的复合式衬砌隧道作业面多、工序转换复杂、交错施工，对现场进度管理、工程量核算、技术交底质量要求高。目前现场进度管理的技术手段相对落后，仍多采用二维的横道图展示形象进度，无法真实呈现现场施工工序的空间关系，难以准确表达多个作业面的施工动态过程。同时，现场技术交底一般是用二维CAD图纸，现场施工人员的识图能力参差不齐，现场技术交底困难。
BIM 可视化虚拟仿真技术，是以三维可视化数字模型为基础，利用数字仿真，模拟模型的三维几何信息和非几何信息( 如进度、材质、体量) ［1］。通过创建面向工程结构化对象的施工建筑信息模型( BIM) ，可视化展示工程结构的体量以及施工方案难点。同时模型中加入时间维度，模拟施工工序，实现工程虚拟施工［2 － 3］。基于BIM 的可视化虚拟仿真技术，为隧道施工创新发展提供了突破口。
本文将研究施工BIM 创建方法，技术方案的3D模型可视化设计方法，施工方案的4D 模型虚拟施工推演及优化的方法和流程，以及利用BIM 模型自动核算阶段工程量的方法和流程，以辅助施工组织设计和项目管理决策。
1 隧道施工BIM 模型创建
根据铁路矿山法施工的复合式衬砌隧道结构设计及施工方法、工序等，开发面向对象的隧道施工BIM模型构件库。所谓面向对象的建模方法［4］，即按照隧道结构空间关系，划分不同的构件，定义构件的空间形状和信息属性，最后通过组装构件形成模型。隧道施工BIM 模型如图1 所示。
图1 隧道施工BIM 模型
复合式衬砌隧道BIM 模型的构件可划分为超前支护、初期支护、二次衬砌、仰拱填充、防排水、沟槽等6 大类别。模型构件命名规则使用“构件类别+ 构件类型( 围岩级别、衬砌类型) ”。隧道围岩级别划分为Ⅰ—Ⅵ 6 个等级，在每一围岩级别下，又划分为不同的衬砌类型，以英文字母表达。限于篇幅，定义了Ⅴ级围岩和a、b 衬砌类型的构件命名示例，如表1 所示。
表1 复合式衬砌隧道BIM 模型构件命名
针对构件的细部构造，建模时需考虑进一步结构化分解，从而设计标准化构件。细部构造的命名也宜使用“构造类别+ 构造类型”规则，而构造类型一般宜使用“规格”参数。以下以格栅钢架为例，进行详细的细部构造分解，如表2 所示。
表2 格栅钢架结构化分解
BIM 模型建模的关键是开发构件资源库，构件定义的内容主要包括构件命名、构件编码、建模精度和信息粒度4 方面，其中信息粒度包括几何信息和非几何信息［5］。建模精度是指构件在模型中的单元大小，隧道施工BIM 模型中各构件的建模精度需满足施工工序管理的要求，具体如下。
1) 超前小导管、管棚、中空锚杆、砂浆锚杆的构件单元，宜按1 环的组件形式，相邻2 环呈梅花状布置。
2) 钢筋网、型钢钢架、格栅钢架的构件单元，宜按1 环的组件形式。
3) 喷射混凝土的构件单元，宜按开挖步纵向长度。不同围岩级别差别较大，一般为0． 5 ～ 3． 5 m。
4) 仰拱填充、底板、仰拱及仰拱部防水板构件单元，宜采用施工模板的模筑长度，一般为6 ～ 8 m。
5) 拱墙构件单元，宜按模筑纵向长度，一般为10 ～ 12 m。
2 BIM 在隧道施工中的应用
2．1 4D 虚拟施工
4D 虚拟施工是用Autodesk Navisworks 的虚拟仿真环境，对3D 几何空间模型添加时间维度，虚拟推演实际施工过程［6 － 7］。
具体来说，是将BIM 模型与施工组织进度计划相关联，以进度驱动模型的虚拟仿真。具体技术路线如下: 1) 用Autodesk Ｒevit 建立3D数字模型，赋予每一构件施工工序属性参数; 2 ) 用project 编制工序的时间任务项数据源; 3 ) 用Navisworks 集成模型和工序时间数据源，在虚拟仿真环境中实现模型的虚拟建造。同时进行实时的过程交互，虚拟推演施工方案，动态检查方案可行性及存在的问题，优化调整施工装备、工艺等［8 － 9］。基于BIM 的虚拟施工方案流程见图2。
图2 基于BIM 的虚拟施工方案流程
图3( a) 展示了隧道4D 虚拟施工过程，对超前支护、初期支护、仰拱填充和二次衬砌所有结构节点进行动态施工模拟。图3( b) 展示了施工进度信息和横道图，对每个构件进行施工流水段、时间的定义。
从图3 可清晰查看所有构件的施工顺序和时间节点，通过对比分析施工计划和实际施工进度的状态，便于项目管理者实时动态掌控施工进度，确定最好的施工顺序和时间节点，快速调整施工资源，随时为制定物资采购计划提供及时、准确的数据支撑，对项目成本管控提供技术支持，以实现项目精细化施工管理。
图3 4D 虚拟施工
2． 2 方案与工法可视化交底
传统的二维CAD 图纸表达工程结构节点设计时，往往需要平面图结合多个剖面图才能表达清楚，而BIM 以三维数字模型为基础，真实表达工程结构节点的空间几何形状、位置与功能关系，将复杂空间的设计变得更加直观，实现模型“所见即所得”的效果，且可以进行360°视角的空间可视化［10］，降低了施工作业人员理解图纸的难度，有效避免了因对图纸理解不清而产生的施工错误。
复合式衬砌隧道的环向施工缝需设置中埋式橡胶止水带，纵向施工缝需设置中埋式钢边橡胶止水带。图4( a) 是CAD 图，图4( b) 是BIM 模型。通过两者对比可知，利用三维模型对现场施工员和班组进行技术交底的效果显著。
图4 止水带模型
利用BIM 虚拟仿真技术，进行结构节点施工工法的三维展示，将结构设计和施工方案变得更加直观，方便施工作业人员的理解运用。通过Autodesk Ｒevit 软件创建施工BIM 模型，并定义构件“阶段化”施工顺序，将模型导入Autodesk Navisworks 软件，搭建虚拟仿真环境，以展现模型的施工工法，进行可视化交底。图5 是Ⅴ级围岩隧道采用的三台阶七步开挖工法，图6是桥台进洞段采用的CD 法开挖工法。
2． 3 工程量动态核算
在施工过程中，根据二维图纸计算工程量十分繁琐、重复冗余，浪费了大量的人力物力，且精度普遍不高，对工程计量影响很大; 而BIM 数字信息模型具有精准的三维体量，结合施工进度，可以快速获取阶段工程量［11］。具体方法是: 1) 用Ｒevit 建立分部分项工程BIM 模型，赋予模型构件的体量、施工阶段属性信息;2) 根据实际施工状态，统计当前施工阶段的分部分项模型体量明细表; 3) 参照工程量计算量纲公式规则，由模型体量生成分部分项工程量。
例如，图7 是Ⅳb 型隧道开挖步模型，其中初期支护、仰拱及仰拱填充轴向长度是6 m，拱墙轴向长度是12 m。表3 是Ｒevit 自动统计出的模型构件体量，按照工程量量纲公式规则，最终得到开挖步的工程量( 见表4) 。经比对，模型输出的工程量与二维施工图工程量清单一致。
图5 三台阶七步开挖模拟
图6 桥台进洞段CD 法开挖模拟
图7 Ⅳb 型复合式衬砌隧道模型
3 结论与讨论
1) 目前，BIM 技术在隧道工程中的应用尚处于探索阶段。按照工程结构化的构件命名规则，以及工序管理的精度要求，利用面向工程实体对象的三维建模方法，创建了铁路矿山法隧道复合式衬砌施工BIM 模型，可辅助隧道工程施工组织3D 可视化设计和4D 虚拟施工管理。
表3 模型构件体量
表4 模型工程量统计
2) 利用BIM 可视化虚拟仿真技术，建立了隧道施工技术方案的3D 模型可视化设计与交底、施工方案的4D 模型虚拟施工推演与优化，以及自动核算阶段工程量的方法和流程，可为隧道工程BIM 技术的实践和推广提供应用参考。
摘自：隧道建设