BIM与铁路隧道施工可视化设计

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随着我国铁路隧道施工高标准化建设，传统的仰拱填充已不能满足隧道施工技术的发展。在矿山法复合式衬砌施工中，仰拱与仰拱填充多采用传统拼装小模板施工工艺，人工安装费用高、设备工装低、施工质量低，且施工进度难以保障。  

                               
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新关角隧道出口夜景

利用BIM技术可视化、协同性、模拟性、优化性等手段，开展隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺设计，具有重要的探索应用价值。

                               
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我国最长客专隧道：太行山隧道

BIM的3D可视化设计环境和4D虚拟仿真环境，为施工工艺的设计优化、可行性验证提供了技术途径。

设计原理

实现施工方案的3D可视化和4D虚拟仿真的基础，是建立能真实描述施工方案的三维数字模型，包括环境模型、结构模型和施工设施模型。

·        环境模型：施工方案的虚拟布置场地、前置及后置施工工序等环境影响因素

·        结构模型：施工方案虚拟建造的工程结构实体物

·        施工设施模型：施工方案采用的机械设备、模板、模具等作业设施，是BIM辅助施工方案设计的关键

施工的可视化设计选取Autodesk Revit、Navisworks软件，具体方案如下：

·        通过Revit建立三维数字模型，每一构件的属性信息应配置唯一的施工步序参数，导出NWC 模型文件

·        利用Excel编辑每一施工步序的时间任务项，具体包括任务名称、任务类型、开始时间、结束时间、ID序列号等，导出CSV文件

·        通过Navisworks导入NWC模型文件和CSV 时间任务项数据源文件，使模型构件与时间任务项对应关联，在Timeline虚拟仿真环境中进行时间任务项驱动模型的4D虚拟建造。

                               
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基于BIM的施工方案可视化设计流程

同时，在BIM的4D虚拟仿真环境中，可进行实时交互的过程模拟，虚拟推演施工方案的过程，动态检查方案可行性以及存在的问题，优化施工装备、工艺等。

                               
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基于BIM的施工方案优化流程

3D协同设计

模型协同设计原则：

1.根据施工现场环境条件，建立环境模型，形成虚拟真实的设计环境；

2.建立结构模型，将未施工的结构物对象预设在已有施工环境中；

3.在环境模型作业空间允许界限内，进行模型可视化设计和虚拟仿真优化，实现施工方案的模型协同设计效果。

为了实现隧道仰拱与仰拱填充施工方案设计和可视化展示，需利用AutodeskRevit建立以下3个模型：环境模型包括隧道初期支护、前方拱底土石方；结构模型包括仰拱、仰拱填充；施工设施模型为仰拱与仰拱填充快速施工台车。

1.环境模型

隧道初期支护、前方拱底土石方开挖，为仰拱与仰拱填充施工方案的前置施工工序。根据施工图Ⅲ级围岩Ⅲb型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道初期支护与拱底土石方模型。

                               
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隧道初期支护与拱底土石方模型

2.结构模型

                               
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根据施工图Ⅲ级围岩Ⅲb型衬砌断面，考虑施工工序划分原则，建立隧道仰拱与仰拱填充模型。

隧道仰拱与仰拱填充模型

3.施工设施模型

隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工设施模型，是指仰拱与仰拱填充快速施工台车（仰拱台车）设计，主要包括模板系统与行走系统两部分设备。由翻转组合式仰拱模板、端头模板、中心水沟模板构成的整体式模板系统；由一对自行式桁架梁组成的独立行走系统。

                               
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仰拱台车模型

4D虚拟施工

1.建立虚拟仿真环境

通过Autodesk Navisworks导入模型NWC 文件，得到虚拟仿真环境下的模型。利用Timeliner模块添加施工步序时间任务项数据源文件，生成虚拟环境下的时间任务项，使时间任务项与模型构件对应。模型赋予时间属性后，生成虚拟仿真环境下由时间驱动的4D动态模型，从而进行施工方案虚拟推演。

2.4D施工方案演示

隧道仰拱与仰拱填充施工方案的施工步序模拟过程：

·        测量放样，模架系统就位（a、g）

·        卷扬机驱动桁架梁向前行走至下一循环位置；浇筑仰拱混凝土（b）

·        手葫芦起吊、上翻仰拱压模活动板（c）

·        浇筑仰拱填充（d）

·        电葫芦起吊端头梁、整体模架向前滑移6m，前方隧底砟石开挖（e）

·        电葫芦下放端头梁,手葫芦下翻仰拱压模活动板（f）

                               
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施工方案演示

3 效果评价

仰拱模板设计为翻转式组合钢板，由固定部分和活动部分铰接组成，实现仰拱与仰拱填充连续循环浇筑，保证仰拱矮边墙浇筑质量和线形控制。端头模板依据仰拱与仰拱填充的结构尺寸进行设计，模板底与仰拱中埋式止水带位置、形状一致，便于固定中埋式止水带，模板顶与仰拱填充面高程一致，可控制仰拱填充浇筑高程。

利用端头模架固定仰拱模架和中心水沟模架，组成可拆卸式整体模板系统，依托独立的机械动力行走设备，一次快速循环移动、精确定位，缩短支模时间，避免人工操作误差，保证洞内交通。仰拱作业面分为两个作业区流水施工，一是仰拱底部开挖作业区，二是仰拱与仰拱填充连续浇筑作业区，大大缩短了循环作业时间。

利用BIM模型，通过4D虚拟现实技术对施工方案进行全方位互动性的直观展现，优化施工方案的合理性，辅助铁路隧道仰拱与仰拱填充快速施工装备与工艺可视化设计，效果显著。BIM辅助设计的仰拱台车能够很好应用于实际施工，对BIM技术在隧道施工中的应用具有一定的参考价值。

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