基于BIM與裝配式技術的地鐵智慧建造探討

何冠鴻 南春子 翟利華

（1．廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2．華南農業大學，廣東 廣州 510642）

當今城市軌道交通建設規模不斷增大，據中國城市軌道交通協會統計，2017年末我國內地共計34個城市開通城軌交通，運營線路總長度5 033 km，每年增速超過20%。另一方面，BIM、大數據、物聯網等新時代新興信息技術也深入各行各業。在此背景下，“智慧地鐵”作為城市軌道交通未來的發展方向而被提出。其中，智慧建造作為智慧地鐵的重要組成部分，逐漸受到行業內各方關注與重視。所謂智慧建造就是將BIM、物聯網、云計算、大數據、移動互聯等新興信息技術集成應用，建立建設管理綜合監控系統平臺，結合先進的工廠化、裝配化、自動化建造技術，利用現代化的工裝設備、數字化的施工指導、智能化的施工監控和信息化的管理手段，實現全壽命周期的可視化、實時化、高效化、精確化、綠色化和一體化的設計與建造。文章將從設計、施工和驗收三方面討論地鐵的智慧建造。

1 一體化設計

基于BIM云平臺，全過程全專業在同一3D模型進行協同設計。綜合考慮周邊建構筑物和地質情況、前期交通疏解、管線遷改、施工階段工藝工法、施工組織等要素，模型作為施工的可視化“圖紙”，自動校驗完整性、規范性、合規性和關聯性等，實現標準化、智能化設計。

1.1 “BIM+GIS”輔助規劃

基于傾斜攝影技術，快速建立城市三維模型。傾斜影像上任意點之間可以進行準確量算，由此可直接測量出三維模型里面的距離、長度、面積、體積等各類數據。而BIM能提供精細的建筑信息模型，利用BIM和GIS技術，建立地鐵沿線周邊建筑的3D實景模型，將其作為智慧地鐵的底層數據，應用于項目規劃階段，能夠更好地輔助決策。

1.2 三維報建

根據工程建設項目報建程序和要件，建立基于BIM報建的數據標準、系統結構、報建流程和管理規范，實現基于BIM的三維報建，將BIM報建數據成果在城市規劃建設管理領域共享，實現數據聯動、管理協同，為智慧地鐵與智慧城市建設奠定數據基礎。

1.3 三維地質模型

通過建立三維地質和管線模型，可以直觀、方便地查看和利用地質、管線數據資料，將其復雜的內容通過圖像方式表達出來，更為清晰易讀和便于設計分析，也能為施工建設和運營提供有效的參考。

1.4 云平臺協同設計

基于協同理論，根據項目設計階段各參與方之間的工作關系及工作方式，建立項目設計階段中BIM技術應用的工作流程。BIM云平臺不僅可以幫助項目組實現文件、模型和信息的集中化管理，并且能安全高效地進行信息共享，解決跨專業、跨部門、跨區域的協同問題。通過云平臺，項目所有的信息能夠在項目全壽命周期中進行云存儲和實時管理，項目參與者通過登錄自己的賬號就可以隨時調用，以完成項目設計、鋼筋算量、碰撞檢查等的信息共享和協調，可有效避免專業間碰撞，減少返工造成的工時與材料浪費。同時，云平臺也可以同時管理多個項目的數據，個性化定制企業專屬工程數據庫，自動校驗BIM模型的完整性、規范性、合規性，項目參與者可以直接在云端瀏覽文件、添加評論和批注。

1.5 標準化設計

建立參數化標準模型構件庫，包括各專業工程模型庫、設備交付模型庫、標準設備房模型庫、標準車站模型庫等，奠定設備材料標準化工廠化預制、裝配式安裝工作的基礎。當功能需求相同、外部條件類似時，實現標準化設計，保證標準化模塊互通互用，便于施工及運營維護。

1.6 智能設計

在未來，計算機全面梳理所有設計規則，根據周邊環境、功能等輸入條件、自動生成推薦設計方案、同時人工指定有限條件，自動優化設計模型，實現快速參數化修改?；诤Ａ緽IM數據和算法為基礎的機器學習，通過構件庫數量增加、設計案例推演學習，不斷優化設計模型。根據現場實際施工數據反饋，自動調整模型，保證模型與現場實體一致，得出后續更優設計模型。最大限度將設計工作由設計人員轉變為軟件，根據相關設計規則進行智能分析設計，大大減少人力勞動，提高設計效率和設計質量。

2 裝配化施工

采用新方法、新技術、新材料，解決裝配式車站結構體系、預制構件連接及施工等核心技術問題?，F場施工信息反饋至模型，自動更新模型，基于數據分析，智能實時分析工效，生成下步施工技術參數推薦等參考，從而實現對技術及管理的智能化輔助。通過綜合監控系統、三維激光掃描、航拍、AR、GIS、生物識別等技術的單點及綜合應用，將所有生產、管理數據，實時、完備地匯集至BIM平臺。

2.1 基于BIM的采購

在BIM模型中添加工藝工法、材料規格型號等信息，通過與施工計劃的結合，自動分類統計各工點、各階段所需不同規格型號設備、材料數量需求。根據標準模型構件庫，實現各類材料場外預制、集中采購/加工、智能配送，最大限度減少現場加工作業量。生產、配送過程中利用二維碼、RFID等各類手段，實現（加）工廠與施工現場的無縫對接。同時，根據現場實際施工進展，反饋模型后，自動得出目前采購計劃與現場需求的匹配程度，自動優化采購計劃。

2.2 工廠數字化加工

通過BIM在鋼結構工程中的深化設計，減少二維圖紙中的“錯漏碰缺”，利用三維模型的可視化降低按圖加工的難度及因圖紙理解有誤造成的構件加工偏差。基于BIM模型信息進行數字化加工，實現“模塊拆分-單獨加工-模塊組合-后期處理”流水線化和模塊化的施工。數控鋼筋加工機器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優點，能滿足快速、大批量加工的要求，有效節省人力資源成本，提高生產效率。

2.3 裝配式建造

針對各種復雜地質環境情況，研發新型的裝配式車站和車輛基地結構體系，并通過模型試驗驗證及優化。研發新型鋼混組合連接節點，實現受力安全可靠。引入超高性能混凝土UHPC、輕質混凝土等新型材料，并與鋼材形成組合結構預制構件，進一步優化構件尺寸與重量，便于吊裝施工，實現免支模。預制構件采用工廠自動化生產，構件質量可控，模具重復使用，節水節能，材料資源利用率提升，污染排放減少。工地現場可減少甚至避免搭腳手架、安裝模板、綁扎鋼筋、現場焊接和混凝土澆筑振搗等落后粗放式施工，改善現場施工環境，減少污染噪聲排放。充分運用BIM的三維可視及動畫功能，模擬施工流程和拼裝過程?；谌斯ぶ悄芤曨l識別技術，研發智能化自動化運輸和拼裝施工設備，提高預制構件拼裝的精準度與效率。

2.4 基于“BIM+GIS”的基坑監測

以BIM模型為基礎，采用物聯網技術，將基坑監測所需的變形監測傳感器、內力監測傳感器、裂縫監測傳感器和地下水位傳感器等采集的數據實時傳輸到數據庫進行處理保存和數據形式的轉換，將包含基坑周邊信息的GIS數據和BIM模型結合，實現基坑的三維可視化展示，可以直觀地表現基坑圍護結構的變形情況及變形趨勢。同時通過GPS技術可以對基坑監測的測點進行準確定位，可以快速定位基坑圍護結構的危險點，并根據變形趨勢及現狀及時作出應急預案，對危險位置提前預警重點監測，有利于施工管理人員和業主方的工程決策。

2.5 全景監控+熱成像相機

采用聯網全景高清智能攝像機同時提供360°全景及特寫畫面，運用先進的視頻分析算法和智能行為分析功能，實現多目標行為檢測，并發出報警信號和聯動攝像機跟蹤，全天候監視重點區域，防止入侵功能，滿足更高的安保需求。同時，結合熱成像技術進行著火點檢測，全天候監控火情，實時檢測溫度變化，提前預警，防患于未“燃”。

2.6 流程自動管理與推進

根據標準工序（包括前置邏輯關系）、邊界輸入條件、關鍵節點工期要求等信息，智能分析自動推薦最優施工組織方案（包括各類資源配置需求，如人員、材料、機具、投資等），并實現施工組織設計、專項施工方案的可視化施工模擬。根據項目管理相關制度流程，項目推進的各階段自動觸發工作任務，全過程各業務協同推進。在工程推進過程中，如實際進度發生偏差，系統自動預警并智能調整后續施工組織方案，及時糾偏。對采集的數據進行智能分析、識別，對不滿足規則的事件進行自動判別，觸發指令及時報警。

3 數字化驗收

3.1 基于BIM的數字化移交

完成地面恢復及市政道路接駁后，利用航拍技術，拍攝車站出入口及風亭周邊環境狀態；通過三維激光掃描儀獲取車站、隧道的表面三維數據，將拍攝和激光掃描成果納入實體模型，形成竣工模型。對獲取的數據進行處理、計算、分析并與BIM模型進行對比。同時，整理錄入項目相關的設計合同、設計資料、圖檔、規范、手冊等資料，并對這些基礎數據進行加工、分解，主要包括系統分解、空間分解、工作單元分解、設備類型分解、材料分解等，建立多維度的數據原型及數據原型間的關聯關系，建立各種臺賬報表系統，滿足驗收移交及運營階段設備清點與信息查詢功能，實現數字化移交。

3.2 基于BIM的運維知識庫

建立運維知識庫，方便快捷地查詢追溯設備歷史資料為后續輔助運維管理提供BIM數據支撐。運用BIM平臺快速獲取工程實體的完整過程信息，支持驗收移交階段相關業務應用，包括設備清點、設備信息查詢、驗交問題整改等，實現基于模型的工程過程信息與關聯圖紙信息查詢，導出檔案資料。

4 結語

地鐵工程的智慧建造是一個嶄新的研究方向，對軌道交通的發展具有重要意義。其中涉及信息技術、裝配施工技術、視頻成像技術、人工智能技術、管理技術等多種技術的交叉與融合，在未來仍需要進一步的研究與實踐，實現新時代的智慧地鐵建設。