BIM+VR技术在地铁穿越城市构筑物的应用解决方案

BIM+VR技术在地铁穿越城市构筑物的应用解决方案

李顺彦张红勇刘小超

中铁七局集团第三工程有限公司陕西西安710000

摘要：随着城市经济的发展和规模的扩大，地铁发挥了巨大的交通枢纽作用，越来越多的地铁在施工中穿越构筑物，并对其产生了不同程度影响，形成了一定的风险。BIM技术作为建筑业第三次技术改革，以其可视、可优化、可模拟等特性，借助VR优秀的沉浸式体验与良好的数据交互脚本，结合MidasGTS分析，为城市地铁施工中的数据可视化采集、分析，提供了高效的解决方案，本文作者基于BIM与VR技术，并采用了midasGTS，对本公司承建的石家庄地铁2号线塔谈-石家庄站区间采用盾构机穿越城市构筑物进行数据集成、模拟和分析，供类似案例参考。

关键词：BIMVR；地铁；穿越；构筑物

1.工程概况

石家庄地铁2号线塔谈-石家庄站区间工程，以塔谈站为起点，线路出塔谈站后向北行进，沿线下穿南栗明渠三孔暗涵、南二环大桥、石家庄大众驾校、南二环胜利大街匝道桥、京广东街立交桥C匝道桥、石家庄站地下停车场坡道，到达石家庄站。区间右线长度1122.130m，区间左线长度1142.930m。

区间线路间距11.1m~31.7m，区间纵向坡度呈“V”字型坡，线路最大纵坡25‰，区间覆土10.1~20.7m。本区间采用盾构法施工，钢筋混凝土圆形结构。盾构机由塔谈站北端始发，石家庄站南端接收。在塔谈站、石家庄站相应设置盾构始发井、接收井。如图1所示。本隧道掘进地质主要为粉细砂，局部为粉质粘土。

图1塔谈站～石家庄站区间地理位置图

2.工程特点

本工程穿越构筑物多，按常规的地下工程施工，需要采集沿线的地下与地面景观数据，数据量大，数据集成不方便，不便于直观发现隧道施工对周边构筑物的影响。因此，采用一种数据集成方式用于采集与分析数据是实现本工程施工管理的重要技术手段。

3.BIM+VR技术解决方案路线

3.1BIM技术特性

BIM技术，即建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）[1]技术是以三维数字技术为基础，集成了工程项目各种相关信息的工程几何和非几何数据模型，并为虚拟设计、虚拟建造（即可视化设计和施工）提供了项目信息载体。

BIM技术中的三维模型是对整个建筑设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审”过程，在此过程中发现大量隐藏在设计中的问题，这些问题往往不涉及规范，但与各专业配合紧密相关，在传统的单一专业校审过程中很难被发现。这些对于地铁车站这样富集各种管线、空间有限的复杂工程项目，基于BIM的地铁建设具有明显的优势和实践意义。

3.2VR技术特性

VR技术是利用计算机技术产生一种认为的虚拟环境，这种环境可以通过视觉、听觉、触觉、来感知自己的视点直接地、多角度的对环境进行观察，发生“交互”作用，使人和计算机较好融合。

3.3BIM+VR优势

BIM平台可以将二维图纸转化为虚拟三维模型，VR技术则可以沟通虚拟与现实，让设计实现“从界面到空间”，将两种技术优势互补、相互融合，通过构建三维虚拟展示，为使用者提供交互交融的设计过程，其沉浸式的体验加强了可视化和具象性，提升了BIM应用效果。在地铁设计中，应用BIM+VR技术可实现实时漫游观察，在其间发现问题，可及时在三维模型中修改，降低错误概率，提高工作效率。

3.4解决方案路线

通过采用Madis进行有限分析出理论沉降量，并采用Revit+Civil3D+dynamo构建塔谈-石家庄站区间的三维模型导入Unity3D实现联动与数据交互和可视化，同时将地面危险源的沉降监测信息实现在线发布和数据分析，与理论沉降量做对比，实现对危险源的监控。

4.BIM模型构建

4.1Civil3D地质建模

在使用的Civil3D建模软件中，使用曲面对象模拟空间地质界面，包括建模主要涉及的地形表面和地层曲面。一般地质界面的几何形态十分复杂，但按照建模的几何形态，可以分成单值界面与多值界面。对于单值曲面，采用简单顺序的建模思路便可以直接实现。一般使用高程点和等高线作为曲面建模的基本依据。如图2所示利用高程线建立曲面。

图2高程线建模曲面

4.2构筑物建模

桥梁、车站构筑物建模采用Revit进行建模，通过2D图纸构建3D施工模型，利用revit实现对地铁建设中的桥梁的建模。建模效果如图3所示。

图3桥梁建模

路面建模：按照路面上路线分布以及路面标志物建模，针对路线分布以及路面标志物贴图区分，下图为局部细节效果图，在图中可见部分桥梁和路面以及其他附属物的建模效果。如图4所示。

图4部分桥梁和部分路面的建模效果图

4.3Unity3D数据UI交互

Unity3D平台与盾构机实时数据对接（时间、环数、里程、总推力、推进速度、土仓压力等开放性数据），并根据危险源所在的里程（以南二环大桥为例），进行预警展示（预警位置：距离盾构机30m），并且在盾构机下实时标注危险源的距离如图5所示。

图5UI交互

5.BIM+U3D危险源沉降统计与分析（以南二环大桥为例）

5.1区间下穿南二环高架桥

1.周边环境调查

南二环大桥修建于1999年，区间隧道穿越段为三跨预应力砼连续箱梁的型式，跨径为36.8+54.5+36.2=127.5m，B类桥，梁高2m，采用半桥单箱双室的断面，腹板宽650mm。采用四桩承台，承台尺寸为6.4×6.4×2.5m，桩径1.5m，桩长25m，墩柱与上部结构连梁采用固结方式联结，桥梁桩基采用钻孔灌注桩。如图6所示：

图6南二环大桥平面图

2.施工影响预测

本模型选用MIDASGTS软件进行三维模拟，模型外观及网格划分如图所示。桥梁承台及桩基采用实体单元，管片采用板单元。土体模型选用摩尔库伦准则，衬砌模型选用线弹性准则。荷载为土体本身自重，并在土体表面施加20Kpa面荷载，用以模拟地面荷载。桥梁上部荷载及行车荷载等效为均布面荷载加载至承台处。边界条件为固定模型侧面的水平位移，约束模型底面XYZ三个方向的位移。

（1）计算模型

模型尺寸为：120m×100m×60m，计算工况为推进右线→施工复合锚杆桩→推进左线。如图7所示。

图7有限元分析模型

（2）计算结果

如图8-10所示：

图8计算结果一

图9计算结果二

图10计算结果三

通过模拟计算，盾构隧道通过后，桥桩的水平向最大位移出现在桩顶，为3.9mm，最大竖向位移为3.7mm，为整体均匀沉降，满足桥梁的变形控制指标。桥区的地面最大沉降为5.8mm，考虑地面沉降的规律，可以得出由于盾构施工的地面沉降小于6mm，满足建筑物的沉降控制标准。

6.BIM+Unity3D桥梁沉降监测数据统计分析

6.1监测平面布置

墩柱处布置竖向沉降观测：沿墩身底部在地面上布设2个测点，监测墩柱处地表竖向沉降。通过墩柱沉降计算桥桩倾斜率。如图11所示：

图11下穿南二环大桥监控量测平面图

6.2数据统计与分析

在Unity3D中，通过对各个桥梁数据的采集，生成桥梁监测曲线图，进行直观展示。如图12-13所示：

图12二环桥地表累计变量图

图13二环桥桥梁墩柱横向差异沉降累计变形曲线图

7.总结和应用展望

通过对地铁下穿构筑物进行理论分析，并用实测数据进行验证，并在隧道穿过前进行地下地面数据集成风险源提示，充分发挥BIM+VR技术中的可视化、可模拟特点，为以后类似案例提供了可借鉴的整套解决方案，值得广泛推广。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院，建筑信息模型应用统一标准GB/T51212-2016[S].中国建筑工业出版社，2016.