BIM技術在城市軌道交通工程施工管理中的應用與研究

吳守榮，李 琪，孫槐園，王軍戰

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島 266590；2.上海三凱建設管理咨詢有限公司，上海 200093)

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BIM技術在城市軌道交通工程施工管理中的應用與研究

吳守榮1，李 琪1，孫槐園2，王軍戰2

(1.山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島 266590；2.上海三凱建設管理咨詢有限公司，上海 200093)

為推進BIM技術在城市軌道交通工程中的應用，結合上海軌道交通9號線三期(東延伸)金海路站項目，運用BIM技術建立三維可視化施工模型，從控制施工風險、進度、安全、質量和施工全過程5D虛擬建造等5個應用方面進行詳細闡述。實踐表明，BIM技術可以實現施工管理的精細化、信息化，在城市軌道交通以及城市地下空間建設領域具有廣闊的發展空間。

城市軌道交通；BIM；施工管理；虛擬建造

城市軌道交通工程是關系國計民生的市政基礎設施,其質量、安全和工期狀況不僅涉及市民的切身利益，而且會影響到政府的公信力和城市形象。城市軌道交通工程的社會關注度高，所以對工程施工的要求越來越高，因此需要在更短的時間內，優質、安全、科學地完成城市軌道工程項目的施工任務。面對如此繁重的施工任務和復雜的條件以及嚴格的要求，基于傳統的建設工程的表現形式和管理方式已難以滿足城市軌道交通施工管理的需要[1]。

BIM技術[2-5]是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為參建各方提供協同工作的平臺，在提高生產效率、建筑質量、節約成本和縮短工期方面有明顯效果。它具有可視化，協調性，模擬性，優化性和可出圖性五大特點[6，7]。BIM技術在城市軌道交通以及城市地下空間工程領域還處于起步階段，基于上海軌道交通9號線三期(東延伸)金海路站項目進行BIM施工管理應用與研究，意在推動BIM技術在城市軌道交通工程以及城市地下空間工程領域的發展。

1 工程概況及重難點分析

金海路站主體結構位于金海路南側，與既有12號線成T字換乘。車站外包總長為208.78 m，其中東側基坑長度為58.14 m，西側基坑長度為91.24 m。車站為雙柱三跨兩層地下車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，站臺寬度為12.06 m。車站標準段結構高度為16.364 m，標準段基坑開挖深度17.866～18.253 m，頂板覆土厚度1.395～2.10 m。車站標準段開挖深度為17.938～18.253 m。工程重難點如下。

1.1 高壓線下方成槽及加固施工安全風險大

根據已有資料，位于金海路南側、施工現場北側的高壓線為220 kV，高度約為40 m，施工安全距離為6 m。金海路站主體及1號和4號出口均位于高壓線正下方。金海路站地墻施工將受到影響，影響的地墻共為28幅。

1.2 施工中對12號線成型地鐵車站的保護

9號線金海路站在施工期間，12號線處于營運中，地鐵監測數據由地鐵營運公司負責監測。在施工中如何確保12號線不出現監測報警值，出現報警值后如何采取措施是本工程順利施工的重點之一。

1.3 與12號線車站結構連接的施工措施

在金海路站施工中，9號線的樓板和梁等結構都會與12號線金海路站連接，如何保證連接處結構及防水的可靠性，為本工程的難點之一。另外地墻鑿除至12號線底板底，將造成12號線底板下側土體裸露。在承壓水作用下12號線下側水土會涌入基坑，構成風險。

1.4 控制施工降水對12號線的影響

由于本工程⑧層黏土層缺失，⑦、⑨層承壓水層直接相連，因此基坑有一定突涌風險。降壓井長度為42 m，濾頭長度為10 m，其中5.5 m位于⑦1-1層，4.5 m位于⑦1-2層。由于降壓井濾頭在地下連續墻墻趾下方，構成了敞開式抽水，對12號線影響較為不利。因此本工程降水遇到矛盾，⑦1-1層出水量較小，不能滿足基坑施工降低承壓水水頭要求，⑦1-2層出水量較大，單抽水同時也對周邊影響較大。土層地質條件如圖1所示。

圖1 施工BIM模型工程地質條件

2 建立BIM施工模型

2.1 軟件平臺選擇[8-10]

實現BIM技術的核心是軟件平臺[11]，經眾多BIM軟件分析比對后選擇Autodesk Revit軟件建立BIM施工模型，并采用Autodesk Navisworks軟件對BIM模型進行施工全過程綜合應用。

2.2 BIM施工模型建立的總體思路

在工程施工準備階段，根據招投標文件信息進行項目分解并建立BIM模型構架，其中包括：建立結構樹、制定標準和確定命名規則。之后根據工程勘察文件、2D設計圖紙以及施工組織設計文件的信息建立三維BIM模型，包括：建立參數、信息附加和整體建模。且在施工過程中不斷更新并完善該模型。綜上，BIM施工模型建立的總體思路如圖2所示。

圖2 BIM施工模型建立的總體思路

3 BIM技術在施工管理中的應用

3.1 BIM模型三維可視化

可視化三維模型可以直觀清楚地表達出任意構件的幾何特征和空間位置，讓施工技術人員更好地理解設計意圖，節省識圖時間，更好地輔助施工。三維模型包含工程的所有數據信息，通過施工現場與模型的實時對比，可以發現施工中的錯誤以及預測可能出現的問題，進而不斷優化施工。三維可視化BIM模型如圖3所示。

圖3 BIM模型三維可視化

3.2 碰撞檢測(圖4)

傳統的施工圖由于設計的原因，并未在設計過程中進行整合檢查，因此在實際施工過程中就會發生結構碰撞和空間過緊等問題[12]。本工程利用Navisworks軟件的碰撞檢測功能，實現了建筑與結構、結構與暖通、機電安裝以及設備等不同專業之間的碰撞共150處。利用BIM軟件平臺碰撞檢測功能，可以預先發現圖紙問題，及時反饋給設計單位進行變更，避免了后期因圖紙問題帶來的停工以及返工，提高了項目管理效率，同時也為現場施工管理打下了基礎。

圖4 碰撞檢測

3.3 解決降水難題，控制施工風險

為了評估降水對基坑周邊環境的影響，采用三維有限元地下水滲流軟件進行計算。利用Revit軟件平臺良好的兼容性，將BIM模型導入第三方有限元軟件MODFLOW(模塊化三維有限差分地下水流動模型)，對降水對周邊環境的影響進行模擬，避免了重復建模。模擬結果如圖5所示。

圖5 基坑降水周邊沉降等值線

圖6 BIM模型中的MJS工法樁

為解決施工難題，控制施工風險，基坑西側采用MJS工法對地下連續墻進行加深，東側基坑換乘段部位采用MJS工法加深，北側采用地下連續墻進行加深，將帷幕深度加深至43 m，呈懸掛式止水帷幕，增加地下水繞流作用，降低抽取承壓水對12號線車站及隧道的影響， BIM模型中的MJS工法樁如圖6所示。MJS止水帷幕加深原方案整圓加固，采用BIM將MJS全圓優化為半圓，在效果能滿足要求的前提下，節約加固方量2 835 m3，節約工程造價708.75萬元，節約工期30 d，方案優化前后對比見圖7。

圖7 方案優化前后對比

3.4 控制施工進度3.4.1 共享模型信息，減少工期浪費

咨詢公司將BIM模型移交給施工方，由施工方工程師對模型進行審核，并提供模型修改建議。咨詢公司根據施工方意見進行模型調整，最終產生精度雙方均認可的模型。在實際應用階段，施工方提供給咨詢公司總進度計劃及年度進度計劃及每月進度計劃。咨詢公司對每月進度計劃進行分解，導出每月三維形象進度給項目部。施工方按BIM公司提供的形象進度，提前準備人員、機械及原材料，并安排有序施工，減少不必要的工期浪費。

3.4.2 合理化搭接施工順序，節約工期

在圍護結構施工階段，通過BIM模型在狹小場地內對鉆孔灌注樁施工和高壓旋噴樁施工進行搭接，節約20 d工期，見圖8。在基坑開挖階段，通過BIM模擬，提前預知鋼支撐安裝不利環境(如避讓降壓井位置等)，加快了鋼支撐安裝速度。此外將開挖與支撐安裝時間進行了合理的搭接，節約了工期，見圖9。

圖8 合理化搭接施工順序

圖9 鋼支撐安裝模擬

3.4.3 調整施工籌劃，控制施工總進度

本工程為換乘車站，OTE風道與常規不同，常規風道掛在中板下方，結構形式簡單。本工程OTE風道結構形式比較復雜，通過風道上縱橫梁，將風道支承在結構柱及內襯墻上。通過BIM模擬，發現后施工風道及梁工期較長。因此在中板施工前對OTE風道及上部的梁體系進行施工，以最小的工期代價，節約了車站總工期。

3.5 控制施工安全3.5.1 場地布置

利用BIM模型的可視性進行三維立體施工規劃[13]，包括辦公區、生活區、材料堆放區、材料加工區、倉庫以及現場道路，可以直觀反映施工現場狀況，減少施工占地，保證現場道路暢通，如圖10所示。

3.5.2 安全交底

利用施工BIM模型的可視化，進行危險源識別和安全檢查，將安全情況以動畫的形式對施工作業人員進行安全交底，避免了傳統安全交底的枯燥，使施工作業人員更直觀準確的了解現場，將安全交底落到實處，安全交底動畫見圖11。

圖11 安全交底動畫

3.5.3 安全監測

使用自動化監測儀器進行基坑沉降觀測，通過將感應元件監測的基坑位移數據自動匯總到基于BIM開發的安全監測軟件上，通過對數據的分析，結合現場實際測量的基坑坡頂水平位移和豎向位移變化數據進行對比，形成動態的監測管理，確保基坑在土方回填之前的安全穩定性。

3.6 物料跟蹤管理，控制施工質量

BIM模型中包含建筑材料所有信息，可以快速查找材料的規格、材質、尺寸、生產商、出廠日期和保修日期，對現場使用的材料進行關聯、比對、追蹤和分析，建立施工物料管理系統，保證施工質量，如圖12所示。利用BIM技術進行物料跟蹤管理，通過模型信息共享，給建筑物的后期運營和維護帶來了便利，實現了建筑物全生命周期的管理[14]。

圖12 模型現場相關聯

3.7 施工全過程5D虛擬建造

將BIM三維模型與時間信息以及工程量成本信息整合在一起進行施工全過程5D虛擬建造，見圖13、圖14。5D虛擬建造有助于改進規劃，盡早發現風險，減少潛在的浪費。通過將5D虛擬建造可以清晰地表現施工計劃、項目工程量與進展狀況，并實時與現場進行對比分析，控制施工進度及成本。

圖13 施工總進度計劃

圖14 施工全過程5D虛擬建造

4 區間工程BIM應用設想[15]

將盾構掘進過程中碰到的滲水、裂縫、破損等有缺陷的管片按綠、黃、橙、紅四個等級進行分類并整合到BIM模型中，如圖15所示。在施工階段加強可以對管片修補管理，在安裝階段可以避免對有裂縫的管片進行二次破壞，在運營階段可以對橙色及紅色管片加強監護。

圖15 區間工程BIM應用設想效果

5 結語

本工程利用BIM技術輔助施工，在控制施工進度、成本、安全、風險和質量方面效果顯著，初步實現了施工管理的精細化和信息化。目前BIM技術在城市軌道交通工程以及城市地下空間工程領域還處于初步發展階段，有待BIM技術在更多實際工程上應用與發展。

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Study and Application of BIM Technology in Urban Rail Transit Construction Management

WU Shou-rong1， LI Qi1， SUN Huai-yuan2， WANG Jun-zhan2

(1.Shandong University of Science and Technology， College of Civil Engineering and Architecture， Qingdao 266590， China;2.Shanghai Sunking Program Management Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200093， China)

In order to promote BIM technology in urban rail transit， this paper conducts a research on Shanghai Metro Line 9 Phase III (east extension) Jinhai Road Station project and addresses issues in 5 aspects of construction risk， progress schedule， safety， quality and 5D virtual building of all construction process with a 3D visual construction model of BIM technology. Practices prove that BIM technology can fulfill precision construction management and informatization， and sees extensive application in urban rail transit and urban underground space．

Urban rail transit; BIM; Construction management; Virtual building

2016-04-01；

2016-05-17

吳守榮(1961—)，男，教授，1996年畢業于天津大學，工學碩士，E-mail：171118593@qq.com。

1004-2954(2016)11-0115-04

U239.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.025