BIM技術(shù)在軌道交通施工中的應(yīng)用

卞晨杰，李小戌，王書(shū)明，樹(shù) 葉

(1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.空中客車(chē)(中國(guó))企業(yè)管理服務(wù)有限公司，北京 101300)

1 引言

在能源危機(jī)與環(huán)保壓力日益加大的今天，軌道交通具有綠色、快捷、安全、舒適的特點(diǎn)，日益被廣泛運(yùn)用。截至2016年末，我國(guó)累計(jì)30個(gè)城市建成投運(yùn)城軌交通線路133條，運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)達(dá)4153 km，其中地鐵線長(zhǎng)3168.7 km，占比76.3%。2016年城市軌道交通完成投資3847億元，在建線路總長(zhǎng)5636.5 km，均創(chuàng)歷史新高，這有效地緩解了我國(guó)各一線城市的交通壓力。在未來(lái)，我國(guó)的城市軌道交通線路網(wǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)張。軌道交通工程建設(shè)規(guī)模大，所處施工環(huán)境大多復(fù)雜，因此軌道交通施工技術(shù)必須引起足夠的重視。

2 軌道交通施工的特征

2.1 建設(shè)環(huán)境復(fù)雜

軌道交通的建設(shè)通常需要貫穿城市中心地帶，在施工過(guò)程中就不可避免地會(huì)遇到地上已建房屋、管線、橋梁、隧道、道路等建(構(gòu))筑物和設(shè)施，以及文物、地表水體等，其中穿越已有線路的施工，就是典型的特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。因此周邊的復(fù)雜環(huán)境給軌道交通的建設(shè)工作帶來(lái)了許多難題。

2.2 建設(shè)規(guī)模大、周期長(zhǎng)

目前在我國(guó)一線城市的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃里程數(shù)達(dá)百余公里至數(shù)百公里，如上海達(dá)673 km，北京達(dá)600 km，且軌道交通每公里的造價(jià)高達(dá)5-7億元左右。至于其建設(shè)周期，單線建設(shè)一般為4～5年，線網(wǎng)建設(shè)一般要30～50年。

2.3 控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格

軌道交通工程在其區(qū)間隧道，深基坑等開(kāi)挖過(guò)程中，要嚴(yán)格保證周邊建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)施、橋梁、隧道、道路、管線等不發(fā)生嚴(yán)重沉降和坍塌，這不僅是保證地面建筑物、行人的安全，也是保證地下列車(chē)和軌道的貼合程度符合要求，從而有效地避免脫軌事故的發(fā)生，通常地面沉降控制在3 mm以內(nèi)。因此對(duì)于如此嚴(yán)苛的施工標(biāo)準(zhǔn)，就給現(xiàn)有的施工技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

3 軌道交通隧道工程施工技術(shù)

3.1 明挖回填法

一般情況下，在沒(méi)有上部環(huán)境條件限制時(shí)，通常會(huì)采用明挖回填法。該法顯而易見(jiàn)，是類(lèi)似于土建工程的基坑開(kāi)挖，先由挖掘機(jī)和工人從地面開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中需要在基坑周?chē)牌隆⒆鲋ёo(hù)，支撐等，以防止周?chē)练剿荩ＷC工人的安全，之后在基坑中進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工以及防水作業(yè)，最后進(jìn)行土方回填恢復(fù)地面的一種工法，明挖法通常分為無(wú)支護(hù)放坡開(kāi)挖和基坑支護(hù)開(kāi)挖兩種形式。明挖法施工工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，速度較快，但施工時(shí)對(duì)地面影響很大，需長(zhǎng)時(shí)間占用公路設(shè)施等，在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪音污染，因此在使用該方法時(shí)有很大的限制，特別是在人口密集，交通繁忙的中心城市地帶。

3.2 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是由新奧法發(fā)展而來(lái)的一種工程方法，它在距離地面較近的位置進(jìn)行各種形式的地下洞室暗挖施工。淺埋暗挖法大多用于穿越山丘線路等，在城市施工中的特殊情況下也可予以使用。其工藝流程為預(yù)先支護(hù)并加固，后進(jìn)行土方開(kāi)挖，為防止土方坍塌進(jìn)行初期支護(hù)，在支護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度并保持穩(wěn)定后開(kāi)始防水層施工，最后二次襯砌[2]。其中土方開(kāi)挖工藝繁多，大致分為全斷面開(kāi)挖、正臺(tái)階開(kāi)挖、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土、單側(cè)壁導(dǎo)坑、雙側(cè)壁導(dǎo)坑、中隔壁法、交叉中隔壁法七種形式。淺埋暗挖法的施工工藝靈活多變，對(duì)地下管線和路面環(huán)境等影響較小，施工場(chǎng)地用地面積小，不擾民。因此在全國(guó)范圍內(nèi)該法應(yīng)用廣泛，例如北京地鐵復(fù)西區(qū)間、西單車(chē)站、長(zhǎng)安街地下過(guò)街通道及地鐵復(fù)—八線等都采用了該法。

3.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是由暗挖法發(fā)展而來(lái)的一種機(jī)械化的施工方法，由盾構(gòu)機(jī)頂部的刀片在土中挖掘前進(jìn)，再通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的外殼和管片支撐四周土壁以防止土層坍塌。盾構(gòu)法的施工工藝流程為建造豎井—盾構(gòu)機(jī)的拼裝、吊放—土層開(kāi)挖—推進(jìn)糾偏—襯砌拼裝—襯砌壓注[1]。此外，盾構(gòu)法的優(yōu)勢(shì)很大，因此在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，它完全在深層地底施工不會(huì)影響地面的正常交通，施工過(guò)程中所產(chǎn)生的噪音、震動(dòng)較小，對(duì)地面建筑物和地下管線影響較小等。因此，盾構(gòu)法適用于交通繁忙的中心城區(qū)。但盾構(gòu)機(jī)的購(gòu)置費(fèi)昂貴，造價(jià)不夠經(jīng)濟(jì)，且不適用于斷面形式多變的地域，故對(duì)于一些較短的線路不采用盾構(gòu)法。

4 BIM技術(shù)在軌道交通施工過(guò)程中的應(yīng)用

BIM技術(shù)具有可視化模擬、沖突檢查、三維化、信息化等優(yōu)點(diǎn)，目前在軌道交通的施工過(guò)程中BIM技術(shù)的應(yīng)用主要包括：施工場(chǎng)地的規(guī)劃和綜合布置、施工過(guò)程的可視化模擬、管線及結(jié)構(gòu)的碰撞檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別和快速預(yù)警。

4.1 施工場(chǎng)地規(guī)劃及綜合布置

軌道交通的施工環(huán)境復(fù)雜，施工場(chǎng)地具有局限性，在進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃時(shí)往往要涉及地上已建建筑物，地下管線等復(fù)雜狀況，各個(gè)單位在施工圖完成后，在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行十幾個(gè)專(zhuān)業(yè)的同時(shí)交叉施工，這會(huì)導(dǎo)致施工工序紊亂，無(wú)法發(fā)現(xiàn)一些盲點(diǎn)，輕則重新返工，重則引發(fā)安全事故。因此要保證整個(gè)場(chǎng)地的有序性、協(xié)調(diào)性是一項(xiàng)困難的工作。但BIM技術(shù)的出現(xiàn)恰好可以解決這樣的問(wèn)題，在施工過(guò)程中應(yīng)用BIM技術(shù)能更好地布置施工場(chǎng)地和組織現(xiàn)場(chǎng)施工，有效地降低風(fēng)險(xiǎn)、提高效率和節(jié)約成本。其中包括大型機(jī)械吊裝設(shè)備安裝場(chǎng)地的規(guī)劃、人員調(diào)動(dòng)的規(guī)劃等。

4.1.1 大型機(jī)械吊裝設(shè)備安裝場(chǎng)地的規(guī)劃

在軌道交通施工過(guò)程中，塔吊、泵車(chē)等都是必不可少的施工機(jī)械，在過(guò)去運(yùn)用圖紙測(cè)算的方法不精確且耗時(shí)很長(zhǎng)，而應(yīng)用BIM技術(shù)，可以將這些大型設(shè)備進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入設(shè)備管理平臺(tái)進(jìn)行分析，可以更為直觀地調(diào)整設(shè)備的外形和尺寸，調(diào)整設(shè)備安裝和運(yùn)輸?shù)木€路，可視化的操作平臺(tái)加上精確的數(shù)據(jù)分析能夠有效地避免以上的問(wèn)題。

4.1.2 人員調(diào)動(dòng)的規(guī)劃

其中人員調(diào)動(dòng)的規(guī)劃也是BIM技術(shù)中的一項(xiàng)，將不同工種的人流分布導(dǎo)入BIM模型后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)、生活區(qū)、辦公區(qū)的人流量模擬以便于組織疏散，提高安全防范水平，同時(shí)還能夠模擬交叉作業(yè)的施工人數(shù)，以便于有效地調(diào)動(dòng)人員，提高施工進(jìn)度，避免窩工等現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 施工過(guò)程可視化模擬

在傳統(tǒng)的施工中，設(shè)計(jì)院出圖后需專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行識(shí)圖并指導(dǎo)工人施工，而B(niǎo)IM技術(shù)能將設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的施工圖紙，其中包括平面圖、立面圖、剖面圖等，輸入系統(tǒng)當(dāng)中轉(zhuǎn)化為三維圖的效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)圖紙的可視化，后期還可進(jìn)行4D動(dòng)畫(huà)的模擬，在開(kāi)工前就對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠有效地驗(yàn)證施工方案的可行性并對(duì)一些關(guān)鍵部位的施工進(jìn)行最終的調(diào)整[5]。在軌道交通施工這種多專(zhuān)業(yè)交叉作業(yè)的條件下，進(jìn)行施工工序、設(shè)備安裝等方面的模擬，有效地提高了施工過(guò)程中的組織協(xié)調(diào)水平，讓施工效率達(dá)到最大化。此外，在施工過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生某些突發(fā)狀況，如大型設(shè)備的送檢、施工材料的進(jìn)場(chǎng)等等，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠提前地模擬場(chǎng)地的空間，規(guī)劃施工過(guò)程中可以通過(guò)的路線，從而避免事故的發(fā)生。

4.3 管線及結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)

軌道交通的建設(shè)包含大規(guī)模的土建工程和機(jī)電工程，這兩者往往貫穿于施工過(guò)程的始終，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的空間有限，管線的錯(cuò)綜布置，使得施工順序紊亂，施工效率較低。同時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)操作的失誤，或者設(shè)計(jì)圖紙的問(wèn)題會(huì)引起碰撞，其中包括：管線與管線間的碰撞，管線與建筑結(jié)構(gòu)的碰撞[6]。這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行調(diào)整或者重新返工，極大程度地影響了工期，增加了工程造價(jià)。

目前，BIM技術(shù)的出現(xiàn)提供了相應(yīng)的revit技術(shù)，該技術(shù)可有效地進(jìn)行全方位碰撞檢測(cè)，設(shè)計(jì)出多種管線鋪設(shè)的方案并進(jìn)行對(duì)比選擇。在軌道交通建設(shè)中應(yīng)用BIM技術(shù)能精準(zhǔn)地確定管線預(yù)留孔洞以及管線支架的位置，提高空間的利用率。同時(shí)，基于BIM的模型，能夠發(fā)現(xiàn)管線與結(jié)構(gòu)或管線與管線之間的沖突，預(yù)測(cè)管線碰撞的發(fā)生，并將碰撞結(jié)果檢測(cè)發(fā)送至各單位及時(shí)進(jìn)行調(diào)整從而避免了后期返工。綜上所述，BIM技術(shù)有效地優(yōu)化了管線的布置。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別和快速預(yù)警

建立地下工程的BIM模型可以實(shí)現(xiàn)二維和三維視角下的全程監(jiān)測(cè)，其中包括設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、周邊環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)、施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等，通過(guò)對(duì)隧道施工全過(guò)程的監(jiān)控可以及時(shí)地識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)源，并及時(shí)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)智能預(yù)警，及時(shí)疏散地下施工人員，防止事故的發(fā)生。

4.5 BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)研發(fā)了隧道工程BIM設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。針對(duì)沉管、鉆爆、盾構(gòu)等工法，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)業(yè)的BIM設(shè)計(jì)模塊。

4.5.1 港珠澳大橋拱北隧道

港珠澳大橋拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的關(guān)鍵施工段，是繼港珠澳大橋主橋后又一世界級(jí)工程，該隧道全長(zhǎng)2.74 km，包括海域明挖段、口岸暗挖段、陸域明挖段，地質(zhì)條件極差。在該施工段的施工過(guò)程中，我國(guó)成功地實(shí)現(xiàn)了BIM多專(zhuān)業(yè)協(xié)同施工、BIM隧道設(shè)計(jì)流程的可視化、BIM三維模型與出圖、路線線形設(shè)計(jì)。其中路線線行設(shè)計(jì)結(jié)合了Revit建筑軟件和JSL路線專(zhuān)家系統(tǒng)。在暗挖段通過(guò)BIM模型分為5個(gè)臺(tái)階、15分區(qū)，這讓現(xiàn)場(chǎng)的管理人員更加方便地指揮工人施工。

4.5.2 西成鐵路清涼山隧道

清涼山隧道全長(zhǎng)12.553 km，是西成高鐵自北向南進(jìn)入秦嶺的第一條長(zhǎng)大隧道。在西成鐵路清涼山隧道的建設(shè)過(guò)程中，成功地引入了BIM技術(shù)。它是國(guó)內(nèi)第一批鐵路工程BIM應(yīng)用試驗(yàn)點(diǎn)，工程的設(shè)計(jì)階段和施工階段均與BIM技術(shù)相銜接。其中各單位主要嘗試了：建立橋隧BIM模型、4D施工工法模擬、模擬實(shí)際地形場(chǎng)景、形成基于BIM的建設(shè)階段管理平臺(tái)等新技術(shù)。清涼山隧道的順利貫通，為BIM技術(shù)在軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)軌道交通事業(yè)正飛速發(fā)展，在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的支持下逐步實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的目標(biāo)，我國(guó)各大一線和新一線城市開(kāi)始擴(kuò)大和引入城市軌道交通線路網(wǎng)以滿足人們?nèi)粘３鲂械男枨螅鸩綄?shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保的交通出行理念。這就給軌道交通的施工技術(shù)帶來(lái)了巨大考驗(yàn)，隨著城市交通水平的快速發(fā)展，施工技術(shù)也必須不斷地創(chuàng)新適應(yīng)時(shí)代的變化。近些年，工程界衍生的BIM技術(shù)給軌道交通建設(shè)帶來(lái)了巨大的變革，通過(guò)引入BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)建設(shè)過(guò)程的可視化、信息化、模擬化，達(dá)到了提升效率，縮短工期等目的。然而，目前BIM技術(shù)還在逐步開(kāi)發(fā)完善當(dāng)中，各方人員仍需要大量實(shí)踐，以積累經(jīng)驗(yàn)來(lái)探索BIM技術(shù)在軌道交通中的發(fā)展道路。