1概述
隨著我國高速鐵路工程建設(shè)快速發(fā)展，尤其是鐵路隧道施工高標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，傳統(tǒng)的隧道仰拱與仰拱填充施工工藝不能滿足隧道施工技術(shù)的發(fā)展，以及人們對仰拱混凝土外觀質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、線形控制、施工高效的需求。目前，在鐵路礦山法復(fù)合式襯砌隧道施工中，仰拱與仰拱填充多采用傳統(tǒng)的拼裝小模板的施工工藝，存在人工安裝費(fèi)用高、設(shè)備工裝低、施工質(zhì)量低等問題，并且施工進(jìn)度難以保障，嚴(yán)重影響工期，常常導(dǎo)致隧道掌子面開挖安全步距超標(biāo)、影響防水板和二次襯砌等后續(xù)工序的結(jié)構(gòu)銜接質(zhì)量和進(jìn)度等問題[1]。因此，仰拱與仰拱填充成為制約隧道高質(zhì)量快速施工的控制性工序。
BIM技術(shù)是以3D數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以三維模型的平、立、剖等視圖聯(lián)動設(shè)計(jì)方式，取代了傳統(tǒng)的單視圖線條式設(shè)計(jì)，以“所見即所得冶的形式，把三維的設(shè)計(jì)思考變成可見的立體實(shí)物，提供真正的三維方案可視化設(shè)計(jì)環(huán)境[2，3]。利用BIM模型，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對方案進(jìn)行全方互動性的直觀展現(xiàn)，推敲方案的合理性，提供在4D虛擬仿真環(huán)境中展示方案的方法與流程[4，5]。
針對現(xiàn)狀問題，結(jié)合施工工序管理需求，利用BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性等手段，開展隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝設(shè)計(jì)，具有重要的探索應(yīng)用價值。
2基于BIM的施工方案設(shè)計(jì)原理
傳統(tǒng)的施工方案深化設(shè)計(jì)，是在二維的施工圖上想象構(gòu)思，利用以往的施工經(jīng)驗(yàn)，主觀選擇施工方案的裝備、工藝等。但往往存在裝備選型不合適、工藝繁瑣或可行性差，以及簡單的“錯、漏、碰冶等深化設(shè)計(jì)圖紙問題[6]。然而，BIM的3D可視化設(shè)計(jì)環(huán)境和4D虛擬仿真環(huán)境，為施工方案的裝備、工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化、可行性驗(yàn)證提供了技術(shù)途徑。
實(shí)現(xiàn)施工方案的3D可視化和4D虛擬仿真的基礎(chǔ)，是建立能真實(shí)描述施工方案的三維數(shù)字模型[7，8]，包括環(huán)境模型、結(jié)構(gòu)模型和施工設(shè)施模型。其中，環(huán)境模型是施工方案的虛擬布置場地、前置及后置施工工序等環(huán)境影響因素。結(jié)構(gòu)模型是施工方案虛擬建造的工程結(jié)構(gòu)實(shí)體物。施工設(shè)施模型是施工方案采用的機(jī)械設(shè)備、模板、模具等作業(yè)設(shè)施，是BIM輔助施工方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。依據(jù)模型構(gòu)件的施工動態(tài)邏輯關(guān)系，通過施工步序的時間任務(wù)項(xiàng)驅(qū)動模型構(gòu)件，表達(dá)施工方案的虛擬建造過程[9，10]。
利用AutodeskRevit、Navisworks軟件實(shí)現(xiàn)施工方案可視化設(shè)計(jì)[11]，具體方案如下：
(1)通過Revit建立三維數(shù)字模型，每一構(gòu)件的屬性信息應(yīng)配置唯一的施工步序參數(shù)，導(dǎo)出NWC模型文件;
(2)利用Excel編輯每一施工步序的時間任務(wù)項(xiàng)，具體包括任務(wù)名稱、任務(wù)類型、開始時間、結(jié)束時間、ID序列號等，導(dǎo)出CSV文件;
(3)通過Navisworks導(dǎo)入NWC模型文件和CSV時間任務(wù)項(xiàng)數(shù)據(jù)源文件，利用一定的自動關(guān)聯(lián)規(guī)則，使得模型構(gòu)件與時間任務(wù)項(xiàng)一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，在Timeline虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行時間任務(wù)項(xiàng)驅(qū)動模型的4D虛擬建造。圖1為基于BIM的施工方案可視化設(shè)計(jì)流程。
同時，在BIM的4D虛擬仿真環(huán)境中，可以進(jìn)行實(shí)時交互的過程模擬，虛擬推演施工方案的過程，動態(tài)檢查方案可行性以及存在的問題，優(yōu)化施工裝備、工藝等[12]。圖2為基于BIM的施工方案優(yōu)化流程。
圖1基于BIM的施工方案可視化設(shè)計(jì)流程
圖2基于BIM的施工方案優(yōu)化流程
33D模型協(xié)同設(shè)計(jì)
模型協(xié)同設(shè)計(jì)原則：首先根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境條件，建立環(huán)境模型，形成虛擬真實(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境。然后建立結(jié)構(gòu)模型，將未施工的結(jié)構(gòu)物對象預(yù)設(shè)在已有的施工環(huán)境中。最后在環(huán)境模型的作業(yè)空間允許界限內(nèi)，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型的施工需要，在同一設(shè)計(jì)環(huán)境中，進(jìn)行施工設(shè)施模型的可視化設(shè)計(jì)和虛擬仿真優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)施工方案的模型協(xié)同設(shè)計(jì)效果。
為了實(shí)現(xiàn)隧道仰拱與仰拱填充施工方案設(shè)計(jì)和可視化展示，需要利用AutodeskRevit軟件建立以下3個模型：環(huán)境模型包括隧道初期支護(hù)、前方拱底土石方;結(jié)構(gòu)模型包括仰拱、仰拱填充;施工設(shè)施模型為仰拱與仰拱填充快速施工臺車。
3.1環(huán)境模型
隧道初期支護(hù)、前方拱底土石方開挖，為仰拱與仰拱填充施工方案的前置施工工序。根據(jù)施工圖芋級圍巖芋b型襯砌斷面，考慮施工工序劃分原則，建立隧道初期支護(hù)與拱底土石方模型，如圖3所示。需要注意的是，初期支護(hù)模型只需具有靜態(tài)的施工環(huán)境布置特征，不參與施工方案虛擬推演過程。而拱底土石方模型，需要反映出動態(tài)開挖的過程，要賦予施工步序參數(shù)，構(gòu)件的建模精度采用沿隧道軸向6m一段的劃分原則。
圖3隧道初期支護(hù)與拱底土石方模型
3.2結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)施工圖芋級圍巖芋b型襯砌斷面，考慮施工工序劃分原則，建立隧道仰拱與仰拱填充模型，如圖4所示。其中，仰拱的矮邊墻高出填充面300mm，仰拱填充預(yù)留中心蓋板溝，仰拱采用C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，兩者相對獨(dú)立澆筑。模型構(gòu)件賦予施工步序參數(shù)，建模精度采用沿隧道軸向6m一段的劃分原則。
圖4隧道仰拱與仰拱填充模型
3.3施工設(shè)施模型
隧道仰拱與仰拱填充施工方案的施工設(shè)施模型，是指仰拱與仰拱填充快速施工臺車(簡稱仰拱臺車)設(shè)計(jì)，主要包括模板系統(tǒng)與行走系統(tǒng)兩部分設(shè)備。由翻轉(zhuǎn)組合式仰拱模板、端頭模板、中心水溝模板構(gòu)成的整體式模板系統(tǒng);由一對自行式桁架梁組成的獨(dú)立行走系統(tǒng)。如圖5所示。
圖5仰拱臺車模型
仰拱模板設(shè)計(jì)為左右兩幅翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，模板沿隧道軸向的長度為6m，由固定部分(與剛性骨架剛接)和活動部分鉸接組成，安裝、定位、拆除操作簡便快捷，尤其減少了固定部分鋼板本身變形損傷，可很好地保證仰拱矮邊墻線形控制。
端頭模板由鋼板和型鋼梁組成，與仰拱模板和中心水溝模板活動連接，同時在移動運(yùn)載模架系統(tǒng)時，使模板系統(tǒng)形成為一個整體，定位準(zhǔn)確，移動就位快捷。
獨(dú)立行走系統(tǒng)的動力設(shè)備包括電葫蘆和卷揚(yáng)機(jī)(固定在后支座上)，由1對桁架梁為模架系統(tǒng)提供滑行軌道。
44D虛擬施工
4.1建立虛擬仿真環(huán)境
通過AutodeskNavisworks導(dǎo)入模型NWC文件，得到虛擬仿真環(huán)境下的模型。利用Timeliner模塊添加施工步序時間任務(wù)項(xiàng)數(shù)據(jù)源CSV文件，生成虛擬環(huán)境下的時間任務(wù)項(xiàng)，并使用規(guī)則自動附著于模型，使得每一施工步序的時間任務(wù)項(xiàng)與模型構(gòu)件一一對應(yīng)。模型賦予時間屬性后，生成虛擬仿真環(huán)境下由時間驅(qū)動的4D動態(tài)模型，從而可進(jìn)行施工方案的虛擬推演。
4.24D施工方案演示(圖6)
隧道仰拱與仰拱填充施工方案的施工步序模擬過程，具體如下：
(1)測量放樣，模架系統(tǒng)就位(圖6(a)、圖6(g));
(2)卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動桁架梁向前行走至下一循環(huán)位置;澆筑仰拱混凝土(圖6(b));
(3)手葫蘆起吊、上翻仰拱壓模活動板(圖6(c));
(4)澆筑仰拱填充(圖6(d));
(5)電葫蘆起吊端頭梁、整體模架向前滑移6m，前方隧底砟石開挖(圖6(e));
(6)電葫蘆下放端頭梁，手葫蘆下翻仰拱壓?；顒影?圖6(f))。
圖6施工方案演示
4.3效果評價
仰拱模板設(shè)計(jì)為翻轉(zhuǎn)式組合鋼板，由固定部分和活動部分鉸接組成，實(shí)現(xiàn)仰拱與仰拱填充連續(xù)循環(huán)澆筑，保證仰拱矮邊墻澆筑質(zhì)量和線形控制。端頭模板依據(jù)仰拱與仰拱填充的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，模板底與仰拱中埋式止水帶位置、形狀一致，便于固定中埋式止水帶，模板頂與仰拱填充面高程一致，可控制仰拱填充澆筑高程。
利用端頭模架固定仰拱模架和中心水溝模架，組成可拆卸式整體模板系統(tǒng)，依托獨(dú)立的機(jī)械動力行走設(shè)備，一次快速循環(huán)移動、精確定位，縮短支模時間，避免人工操作誤差，保證洞內(nèi)交通。仰拱作業(yè)面分為兩個作業(yè)區(qū)流水施工，一是仰拱底部開挖(必要時綁扎仰拱鋼筋)作業(yè)區(qū)，二是仰拱與仰拱填充連續(xù)澆筑作業(yè)區(qū)，大大縮短了循環(huán)作業(yè)時間。
5結(jié)論
(1)利用BIM技術(shù)的3D可視化設(shè)計(jì)環(huán)境和4D虛擬仿真環(huán)境，建立了BIM輔助施工方案可視化設(shè)計(jì)和虛擬推演的方法和流程。
(2)BIM輔助施工方案的三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，包括環(huán)境模型、結(jié)構(gòu)模型和施工設(shè)施模型。利用BIM模型，通過4D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對施工方案進(jìn)行全方位互動性的直觀展現(xiàn)，優(yōu)化施工方案的合理性。
(3)BIM輔助鐵路隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝可視化設(shè)計(jì)，效果顯著。BIM輔助設(shè)計(jì)的仰拱臺車能夠很好應(yīng)用于實(shí)際施工，對BIM技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用具有一定的參考價值。
