BIM技術在城市軌道交通中的應用研究

吳學林

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 引言

隨著國家、建設單位等大力推進BIM(Building Information Model)技術的應用，近年來BIM技術因其具有的可視化、協調性、模擬性等的優勢，在建筑、道橋、軌道交通等工程中的應用越來越多，在項目招投標、設計、施工、運維階段均可利用到BIM技術，可以加強建設、設計、施工等單位不同專業的協作、溝通，實現資源共享，提高生產效率[1-3]。BIM技術的核心價值就是可以將大量復雜的數據存儲于各類軟件，通過BIM平臺將土建、機電安裝、管線等模型進行整合，實現整體優化目標[4，5]。BIM技術在建筑工程應用較多，在軌道交通工程應用相對較少，2011年年底開始在上海軌道交通13號線嘗試應用[6]。Revit軟件是BIM中使用頻率相對最高的軟件，既能根據既有的CAD圖紙建立三維空間立體模型，也可以建立模型后進行尺寸標注導出圖紙，在二維設計成果的基礎上進一步加強設計深度、提高質量，減少施工中的錯誤和拆改。模型建立后可與3D Max,Lumion等軟件進行渲染，應用Navisworks軟件進行動態施工模擬。與2017年相比，2019年全國BIM項目數量比2017年增長了50%，越來越多的企業將BIM技術應用到實際生產中[7]。陳南鳳分析研究了BIM技術在沈陽地鐵車站設計、施工、運維中的應用，提出城市軌道交通工程必將成為BIM技術的應用與推廣的重點領域[8]。吳衛民等利用BIM建立湘江新城站三維模型，實現施工建造全過程一體化，提高了地鐵車站施工效率[9]。文章通過Revit軟件建立了地鐵車站圍護結構、內支撐、主體結構模型及三維場布圖，建立了構件族庫，將模型導入至Navisworks進行施工模擬，進行地下連續墻施工、深基坑土方開挖的技術施工交底，為本項目提供指導價值。

1 BIM技術應用現狀及特點

1.1 BIM技術國外研究現狀

BIM技術起源于美國，2003年美國頒布了BIM技術使用指南。在西歐國家得到廣泛應用，推動了BIM技術的快速發展。日本將BIM技術應用于建設項目工程中比較突出，目前BIM技術已經實現工程建設的全生命周期應用，在建筑、市政等公共工程應用較為廣泛，也取得了一定的成果[4]。

1.2 BIM技術國內研究現狀

我國BIM技術應用較晚，在國家、省市等各級政府部門及建設單位的要求和大力推廣下，BIM技術在我國近幾年發展較快，取得了較好的成果。

陳佳佳等研究了天津市永基花園二期項目BIM的建模過程、三維場布、碰撞檢查、BIM5D軟件應用，分析了BIM在房屋建筑工程的應用價值[11]。謝騰驍研究BIM技術在變截面橋梁工程中的應用，總結得出BIM技術不再局限于建筑設計，逐漸拓展到投標、施工、運維階段，由初級過渡到高級，并提出了設計和施工階段BIM模型不銜接、模型實體、關聯信息等問題[12]。周霜等研究了BIM技術在我國的應用現狀，在2011年后我國BIM呈現高速增長，且逐漸向多方面應用發展，目前我國BIM應用仍處在初級階段，但對BIM核心內涵已經有了較為充分的認識，今后將會取得較快發展[13]。

1.3 BIM技術特點

BIM是以三維數字技術基礎上發展起來的三維信息集成技術，集成了工程項目各種相關信息的工程數據模型，可在工程項目全生命周期內，對工程項目功能特性與實體進行數字化表示[8]。BIM技術具有以下幾條特點：信息集成、可視化、模擬性、可出圖性、協調性。

2 BIM技術在城市軌道交通中的應用

2.1 工程概況

某車站呈南北向布置，地下2層雙島式車站，與規劃3號線同臺換乘。車站總長度為404.1 m，標準段寬度為49.9 m，采用明挖法施工，前后均接盾構區間，基坑開挖深度為18.18 m～24.4 m，某車站平面圖如圖1所示。

車站圍護結構采用剛度較大、變形較小、工藝成熟、抗滲止水效果較好的地下連續墻支護，墻體厚度為800(1 000) mm+豎向三道內支撐形式，第一道為鋼筋混凝土支撐(截面為800 mm×1 000 mm，水平間距為9 m)，第二、三道為鋼筋混凝土支撐(截面為900 mm×1 100 mm，水平間距為9 m)和鋼支撐(φ 800 mm，壁厚20 mm，水平間距3 m)，采用明挖法施工。地下水主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，屬于水文地質Ⅱ單元，基坑安全等級為一級，基坑重要性系數為1.1。

2.2 車站圍護結構

施工藍圖交底后認真識別CAD圖紙中的數據參數，領會設計意圖，熟悉圖紙，通過Autodesk Revit 2017軟件建立三維模型，先確定車站圍護結構的墻頂標高和墻底標高及分幅地連墻的位置，將CAD圖紙導入至Revit中通過基點坐標確定圍護結構的實際位置。Revit中大多數圖元都是以構件的形式存在，同類型的構件也存在著尺寸的差異，對于轉角等變截面地連墻，可通過“內建模型”、新建族等方式建立轉角等變截面地連墻，通過“族類型”對話框控制構件的參數，然后載入至項目中。

某車站圍護結構共計168幅地連墻，由于工程地質不同，地連墻設計深度也不同，通過Revit按設計順序分幅建立地連墻，這樣就能保持與實際情況相一致，某車站圍護結構如圖2所示。

2.3 車站內支撐模型

Revit自帶的族文件很少，自帶的族文件也不完全符合現場實際要求，無法實現較復雜地鐵車站模型構建。建立地鐵車站三維模型時，由于復雜的構件及臨時構筑物較多，如鋼圍檁、鋼支撐、格構柱、臨時樓梯、護欄等，基坑土方開挖時需用碼頭吊設備，軟件自帶族庫中沒有碼頭吊設備，可通過Revit中的族建立可共享使用的構件族，形成本工程車站所需的族庫，既便于本項目使用，也可以供相似車站共享使用。通過Revit建立的部分構件族如圖3所示。

將建立好的族載入至項目中，按設計要求分別完成第1道～第3道混凝土及鋼支撐，完成抗拔樁、格構柱、降水井等模型的建立，最終建立了該車站圍護結構，導入至3D Max軟件效果圖如圖4所示。

2.4 車站主體結構

根據項目部管理人員的施工經驗及對CAD圖紙的識別分析，了解了車站主體結構內部具體布置情況，通過來回切換Revit東西南北剖面及三維空間建立了主體結構三維模型如圖5所示。

3 三維場布及施工模擬

3.1 三維場布

鑒于該車站基坑開挖土方工程量大，原材、半成品、成品、機械設備等較多，生活區占地面積較大，生活區與生產區距離較遠，因此做好現場施工場布很重要，根據技術人員多年來的施工經驗通過CAD進行二維施工場地規劃，僅僅是平面化，比較抽象，不能夠很好的展現出三維立體情況。

通過Revit建立車站三維場布模型，合理規劃生活區、材料堆放區、鋼筋加工區、停車位、洗車槽、塔吊位置等，展示出三維空間效果，更加立體化、美觀化，根據三維空間位置，根據現場實際情況對部分規劃區適當進行調整以達到最高效率，為指導現場布置、文明施工提供了科學的數據和可操作性方案，為項目節約成本創造了條件[11]。

將模型導入至Lumion軟件中，對車站周邊進行布置花草樹木，達到與現場周邊環境保持一致、緊密結合的效果，也可制作展板、視頻動畫讓更多的人看到車站的效果圖，三維場布圖如圖6所示。

3.2 地連墻施工模擬

把建立好的圍護結構、內支撐、抗拔樁、格構柱、降水井等三維模型導入至Navisworks軟件中，通過“任務”調整每幅地連墻的模擬順序，與現場實際情況相對應。

該車站地連墻共計168幅，施工模擬(如圖7所示)開始時間為2019年12月24日，與現場實際施工時間保持一致。在出現施工滯后情況時，管理人員及時分析原因，采取整改措施，確保質量和安全的前提下加快施工進度，按時保質保量的完成。

地連墻施工前通過BIM技術制作施工動畫模擬，編制技術交底讓施工工班清晰了解到地連墻施工工序，提高施工工效，地連墻施工工藝如圖8所示。

3.3 基坑土方開挖模擬

該車站深基坑開挖深度為18.18 m～24.4 m，巖土層主要為黏性素填土、粉質黏土、砂質黏土、混合花崗巖，基坑土石方約333 719 m3，絕大部分地層機械可直接鏟挖，部分地層需使用松動器或沖擊鎬解碎，總體評價基坑內土石方可挖性較好。

基坑開挖充分利用“時空效應”以提高工程施工質量，確定合理的開挖順序及每步開挖土體的空間尺寸，遵循“開槽支撐、先撐后挖、限時限高、均勻對稱、分層分段、嚴禁超挖”的原則，該車站基坑開挖共劃分19個流水段，4個開挖面，同一層每個開挖面布置3臺挖掘機“后退甩挖”開挖，放坡坡率為1∶1～1∶1.5，較深處的土方利用長臂挖機、碼頭吊提土裝車外運。深基坑土方開挖前利用Revit,3D Max軟件建立土方開挖模型并進行技術交底，便于管理人員和施工人員更清晰的了解土方開挖步序。深基坑土方開挖BIM模型如圖9所示。

4 結論

1)通過Revit建立了構件族庫、圍護結構、內支撐、主體結構模型，便于管理和施工人員更清晰的理解車站建設過程，更加立體化、美觀化；2)建立了車站三維場布圖，合理規劃場地布局，分區、分塊便于管理，提高三維場布圖的美觀性，空間分布情況一目了然，更加直觀、美觀；3)將模型導入至Navisworks軟件進行施工模擬，出現進度滯后時及時采取措施，更好、更快的施工，對施工工班進行地連墻施工、基坑土方開挖等BIM技術交底，清晰了解各工序施工工藝。