数字孪生绿色工业之盾构机三维可视化

​前言

建国以来，我国铁路隧道的建设取得令人瞩目的进步，其数量和总延长都已位居世界各国之首。从“卡脖子”到人无我有，人有我优，隧道的建设提高了车辆的行程时间、使人民生活更加便捷、生活水平提高，而隧道的建设最大的功臣就是盾构机。

伴随着城市建设发展，创新和技术在发挥着越来越重要的作用，以GIS、BIM、人工智能、大数据、5G为代表的创新技术和应用也为了城市、工业建设提供着技术支持。工程建设的发展也以科技创新为切入点，形成创新协同互动的新生态圈。今天将采用 Hightopo 的 HT for Web 产品来构造轻量化的 3D 可视化场景，数字孪生盾构机施工流程，清晰直观的展示设备的部件组成，动态运作效果，设备拆分，组装、施工全过程。

界面简介及效果预览

我们使用 HT for Web 自主研发的 2D/3D 引擎，经过搭建轻量化场景、搭配数据面板以及动画驱动制作了盾构机施工流程可视化：

 

场景由中心的 3D 盾构机和底部数据面板构成，场景支持常规的旋转、平移和视角缩放，通过数据面板模拟展示盾构机施工进程的一些相关信息。

结合HT的数据可视化面板实时监控，实时展示施工过程的各项数据指标。智能分析采集后台数据，真实反映每一项模块的实时动态，让管理者了解各板块情况，进行快速维护管理。

实现价值

传统的施工常采用BIM模型，但BIM建模模型数据往往过于庞大臃肿且建模模型不够美观。通过案例我们可以感受到，相比于传统方式的项目建设而言，HT 的三维展示具有更灵活的表现形式和直观生动的效果。对于企业，生动的演示动画能让客户更快了解产品的工作原理和优势，而且比起普通的工业动画，Web 上的可视化系统展示内容更丰富、自由度更高，后续需求更改也更为灵活、成本更低。

应用3D可视化技术，不仅能够提升工程施工现场工作效率，并且可以实时监控工程进度。该项目也拓宽了可视化模型的应用空间及应用价值：

一、还原性：数字孪生打破了通过平面图纸整合施工信息的传统模式，通过三维可视化技术仿真还原盾构机施工现场，以及盾构机内部系统、状态信息等。

二、信息化：HT 可视化改善了传统模式中设计、建造与运维阶段的信息存储弊端，使施工到运维阶段的信息集成，保证了数据的及时性，通过及时的信息反馈能够分析得知施工阶段可能遇到的问题，减少了维护成本。

三、绿色化：顺应绿色发展理念，以新兴技术代替传统人工作业，加大工业绿色发展。随着盾构机在地铁、电力、电信、地下管廊、海底隧道、岩石隧道等更多领域得到应用，对盾构机技术的要求也越来越高，所以新结构、新形式、新概念的盾构机将会不断推出。

系统分析

盾构机的基本工作原理是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构机可分为4个构造组成：

盾构壳体

盾构壳体由切口环，支撑环，水平、竖直隔板以及外壳钢板组成，在工程施工开始，首先通过开挖基坑，将盾构机器安装至指定位置，进行调试。

 

推进系统

盾构机的推进系统主要由盾构千斤顶和液压设备组成，沿支撑环呈圆周状分布，通过向管片施加压力，反推盾构机向前掘进。

 

出土系统

在刀具削土后，通过传送装置运输至后方。

 

拼装系统

拼装系统可以说是盾构机的骨架所在，通常工厂会按照盾构机规格生产的一系列环片状管片，再通过环式拼装机进行组装，管片也成为了隧道的支护要件，保障盾构机的安全掘进。

 盾构机作为隧道施工的重要设备之一发挥着举足轻重的作用。工程施工也必须提升自主能力，提高行业竞争优势，以绿色化智能化为核心，提高整体的管控一体化水平及制造水平，打造为智能制造行业。

总结

在科技强国战略的不断推动下，中国越来越多的技术短板被补齐，并且还诞生了一大堆尖端国产技术，而中国的盾构机也已经成为一张代表实力的名片，许多国家甚至慕名前来购买。通过结合 HT 的智能化的监测控制和管理系统的可视化，促进未来绿色工业建设的智慧化和深度化，有效解决城市建设的各项成本消耗，提升环境监测，安全监控的准确性，提高施工建设的质量与效率。

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