隨著我國高速鐵路工程建設快速發展，尤其是鐵路隧道施工高標準化建設，傳統的隧道仰拱與仰拱填充施工工藝不能滿足隧道施工技術的發展，以及人們對仰拱混凝土外觀質量、結構尺寸、線形控制、施工高效的需求。目前，在鐵路礦山法復合式襯砌隧道施工中，仰拱與仰拱填充多采用傳統的拼裝小模板的施工工藝，存在人工安裝費用高、設備工裝低、施工質量低等問題，並且施工進度難以保障，嚴重影響工期，常常導致隧道掌子面開挖安全步距超標、影響防水板和二次襯砌等後續工序的結構銜接質量和進度等問題[1]。因此，仰拱與仰拱填充成為制約隧道高質量快速施工的控制性工序。
bim技術是以3D數字模型為基礎，以三維模型的平、立、剖等視圖聯動設計方式，取代了傳統的單視圖線條式設計，以“所見即所得冶的形式，把三維的設計思考變成可見的立體實物，提供真正的三維方案可視化設計環境[2，3]。利用BIM模型，通過虛擬現實技術對方案進行全方互動性的直觀展現，推敲方案的合理性，提供在4D虛擬仿真環境中展示方案的方法與流程[4，5]。
針對現狀問題，結合施工工序管理需求，利用BIM技術可視化、協同性、模擬性、優化性等手段，開展隧道仰拱與仰拱填充快速施工裝備與工藝設計，具有重要的探索應用價值。
2基於BIM的施工方案設計原理
傳統的施工方案深化設計，是在二維的施工圖上想象構思，利用以往的施工經驗，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、碰冶等深化設計圖紙問題[6]。然而，BIM的3D可視化設計環境和4D虛擬仿真環境，為施工方案的裝備、工藝的設計優化、可行性驗證提供了技術途徑。
實現施工方案的3D可視化和4D虛擬仿真的基礎，是建立能真實描述施工方案的三維數字模型[7，8]，包括環境模型、結構模型和施工設施模型。其中，環境模型是施工方案的虛擬布置場地、前置及後置施工工序等環境影響因素。結構模型是施工方案虛擬建造的工程結構實體物。施工設施模型是施工方案采用的機械設備、模板、模具等作業設施，是BIM輔助施工方案設計的關鍵。依據模型構件的施工動態邏輯關系，通過施工步序的時間任務項驅動模型構件，表達施工方案的虛擬建造過程[9，10]。
利用AutodeskRevit、Navisworks軟件實現施工方案可視化設計[11]，具體方案如下：
(1)通過Revit建立三維數字模型，每壹構件的屬性信息應配置唯壹的施工步序參數，導出NWC模型文件;
(2)利用Excel編輯每壹施工步序的時間任務項，具體包括任務名稱、任務類型、開始時間、結束時間、ID序列號等，導出CSV文件;
(3)通過Navisworks導入NWC模型文件和CSV時間任務項數據源文件，利用壹定的自動關聯規則，使得模型構件與時間任務項壹壹對應關聯，在Timeline虛擬仿真環境中進行時間任務項驅動模型的4D虛擬建造。圖1為基於BIM的施工方案可視化設計流程。
同時，在BIM的4D虛擬仿真環境中，可以進行實時交互的過程模擬，虛擬推演施工方案的過程，動態檢查方案可行性以及存在的問題，優化施工裝備、工藝等[12]。圖2為基於BIM的施工方案優化流程。 圖1基於BIM的施工方案可視化設計流程
圖2基於BIM的施工方案優化流程 33D模型協同設計
模型協同設計原則：首先根據施工現場環境條件，建立環境模型，形成虛擬真實的設計環境。然後建立結構模型，將未施工的結構物對象預設在已有的施工環境中。最後在環境模型的作業空間允許界限內，結合結構模型的施工需要，在同壹設計環境中，進行施工設施模型的可視化設計和虛擬仿真優化，從而實現施工方案的模型協同設計效果。
為了實現隧道仰拱與仰拱填充施工方案設計和可視化展示，需要利用AutodeskRevit軟件建立以下3個模型：環境模型包括隧道初期支護、前方拱底土石方;結構模型包括仰拱、仰拱填充;施工設施模型為仰拱與仰拱填充快速施工臺車。
3.1環境模型
隧道初期支護、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，建立隧道初期支護與拱底土石方模型，如圖3所示。需要註意的是，初期支護模型只需具有靜態的施工環境布置特征，不參與施工方案虛擬推演過程。而拱底土石方模型，需要反映出動態開挖的過程，要賦予施工步序參數，構件的建模精度采用沿隧道軸向6m壹段的劃分原則。 圖3隧道初期支護與拱底土石方模型 3.2結構模型
根據施工圖芋級圍巖芋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，兩者相對獨立澆築。模型構件賦予施工步序參數，建模精度采用沿隧道軸向6m壹段的劃分原則。 圖4隧道仰拱與仰拱填充模型 3.3施工設施模型
隧道仰拱與仰拱填充施工方案的施工設施模型，是指仰拱與仰拱填充快速施工臺車(簡稱仰拱臺車)設計，主要包括模板系統與行走系統兩部分設備。由翻轉組合式仰拱模板、端頭模板、中心水溝模板構成的整體式模板系統;由壹對自行式桁架梁組成的獨立行走系統。如圖5所示。 圖5仰拱臺車模型 仰拱模板設計為左右兩幅翻轉式組合鋼板，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，同時在移動運載模架系統時，使模板系統形成為壹個整體，定位準確，移動就位快捷。
獨立行走系統的動力設備包括電葫蘆和卷揚機(固定在後支座上)，由1對桁架梁為模架系統提供滑行軌道。
44D虛擬施工
4.1建立虛擬仿真環境
通過AutodeskNavisworks導入模型NWC文件，得到虛擬仿真環境下的模型。利用Timeliner模塊添加施工步序時間任務項數據源CSV文件，生成虛擬環境下的時間任務項，並使用規則自動附著於模型，使得每壹施工步序的時間任務項與模型構件壹壹對應。模型賦予時間屬性後，生成虛擬仿真環境下由時間驅動的4D動態模型，從而可進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，模架系統就位(圖6(a)、圖6(g));
(2)卷揚機驅動桁架梁向前行走至下壹循環位置;澆築仰拱混凝土(圖6(b));
(3)手葫蘆起吊、上翻仰拱壓模活動板(圖6(c));
(4)澆築仰拱填充(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，手葫蘆下翻仰拱壓模活動板(圖6(f))。 圖6施工方案演示 4.3效果評價
仰拱模板設計為翻轉式組合鋼板，由固定部分和活動部分鉸接組成，實現仰拱與仰拱填充連續循環澆築，保證仰拱矮邊墻澆築質量和線形控制。端頭模板依據仰拱與仰拱填充的結構尺寸進行設計，模板底與仰拱中埋式止水帶位置、形狀壹致，便於固定中埋式止水帶，模板頂與仰拱填充面高程壹致，可控制仰拱填充澆築高程。
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，依托獨立的機械動力行走設備，壹次快速循環移動、精確定位，縮短支模時間，避免人工操作誤差，保證洞內交通。仰拱作業面分為兩個作業區流水施工，壹是仰拱底部開挖(必要時綁紮仰拱鋼筋)作業區，二是仰拱與仰拱填充連續澆築作業區，大大縮短了循環作業時間。
5結論
(1)利用BIM技術的3D可視化設計環境和4D虛擬仿真環境，建立了BIM輔助施工方案可視化設計和虛擬推演的方法和流程。
(2)BIM輔助施工方案的三維數字模型設計，包括環境模型、結構模型和施工設施模型。利用BIM模型，通過4D虛擬現實技術對施工方案進行全方位互動性的直觀展現，優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計，效果顯著。BIM輔助設計的仰拱臺車能夠很好應用於實際施工，對BIM技術在隧道施工中的應用具有壹定的參考價值。
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