BIM技術在沿海地區不良地質條件下地鐵車站施工中的應用

孫前偉，馬 健，王文富，司昌盛，曹世偉

中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033

隨著我國城市人口日益集中，生產總值日益增長，越來越多的城市開始規劃、建設地鐵。然而，地鐵工程建設多位于人口、建筑密集地區，且一個地鐵項目涉及20多種專業類型，專業之間的協調十分困難[1]。面對地鐵環境復雜多樣、施工工藝煩瑣、安全質量標準高等問題，傳統管理制度的粗放特性對于高質量的工程建設有著不利影響，為改善此現狀，有必要通過BIM技術實施精細化管理。

當前，BIM技術已經廣泛應用于地鐵工程施工過程的管理。武宗天[2]以廣州市18號線中一段地鐵路線為依托，驗證了BIM精細化管理的重要性；霍麗娜[3]通過對北京地鐵6號線東小營車輛段施工階段進行BIM應用，實現了對施工過程的嚴格把控；孫龍華等[4]探索了通過BIM可視化交底結合建筑數據集成平臺指導信息化施工的方法。由此看出，BIM技術的應用價值與功能拓展仍需進一步挖掘。

文章以深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站施工為背景，在施工全生命周期中應用BIM技術進行碰撞檢查及施工模擬等應用，并基于BIM融合管理平臺，實現多維度、多參與方的遠程管理和協作，充分發揮平臺的管理協作功能，形成一套完整的城市軌道交通BIM體系，為深圳乃至全國范圍內城市軌道交通的可持續發展注入新的思路。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站位于福永大道與懷德南路路口南側，沿懷德南路敷設，途徑密集建筑，沿線管線錯綜復雜，車站西側建筑距離車站主體結構僅15～20m。車站主體為地下二層島式站臺[5]，自下而上分別為站廳層和站臺層，站臺寬11m，有效站臺長度為140m，車站部分總長312.1m。車站采用明挖順筑法施工（局部蓋挖），基坑開挖深度為17.4～22.7m。

工程地處沿海地區，軟土主要為海陸交互相淤泥，平均層厚2.03m。沿線場地人工填土范圍較廣，成分多樣，厚度變化大，土體不穩定，工程性質較差，易造成局部基坑坍塌及不均勻沉降。

該工程施工場地狹窄、地質條件差、管線交錯、工期緊張、風險源多，質量及安全管控困難。通過BIM技術并融合GIS技術、管理平臺及有限元分析，對相應工程進行施工場地布置、4D施工模擬、質量與安全管理和施工監測，以保證工程質量。

2 BIM技術的應用

2.1 BIM在施工現場臨時設施布置中的應用

施工現場臨時設施布置是施工組織設計的一項重要內容，需結合工程環境和施工需求，研究解決施工期間所需的交通運輸、施工及辦公設施的平、立面布置問題，以使工程按期完工，同時需要充分考慮相關成本，并在保證工程安全的前提下盡可能地降低施工對生態環境和周邊居民生活的影響。在深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站的建設過程中利用BIM技術建立施工實際場布模型（見圖1），在場內布置臨時車行道路、模擬施工、吊裝等，可直觀、精準模擬施工環境，并通過參數化功能快速優化場地布置，為施工提供專業有效的數據。

圖1 施工場地布置圖

2.2 BIM技術在可視化交底中的應用

通過Revit軟件對懷德站車站主體進行建模，將模型上傳至Fuzor軟件中模擬施工及安裝過程，并對重點、難點施工工藝的做法和工序排布進行模擬優化以直觀地向施工人員表達施工流程及控制要點，可使現場實際操作的人員深入理解相關工法，避免出現因理解錯誤而導致的安全隱患。通過VR技術讓施工人員及管理人員身臨其境地感受施工過程并模擬安全事故的發生與危險自救過程，從而有效保證工程質量及安全、文明工地的建設。

2.3 BIM技術在碰撞檢查中的應用

該工程采用BIM技術進行碰撞檢查，并根據檢查結果實時調整信息化模型的三維位置數據，以達到快捷優化的目的。碰撞檢查通過Navisworks對模型進行自動檢查，并出具檢測報告，與傳統手段相比，避免了人工檢查時出現錯誤或者遺漏，更加方便、高效。同時，通過BIM技術可以模擬地鐵施工對周邊建筑物的影響，結合施工組織設計，判斷人員、機械布置是否合理，施工作業空間是否滿足作業需求，并對施工進行全面動態仿真，模擬變化趨勢，提出合理化動態調整方案。

3 基于BIM與管理平臺的聯合管理

3.1 基于BIM+GIS可視化數據平臺的管線遷改管理

GIS技術與BIM技術將宏觀層面的空間地理信息與微觀層面的建筑信息跨界整合集成。懷德站施工場地內涉及的地下管線錯綜復雜，管線遷改是制約施工進展的關鍵，通過無人機傾斜攝影技術采集現場信息，通過Super Map展示真實的地理測繪信息，繪圖精度可控制在5cm范圍內。在GIS可視化數據平臺上通過BIM技術直觀展示地下管線遷改方案，優化遷改位置及順序，協助論證方案的可實施性。通過模擬地下管線的遷改方案，三維可視化施工指導，使各個專業在施工過程中做到協同、高效。

3.2 基于BIM+建設管理平臺的質量安全協同管理

項目施工過程中質量及安全的管理往往是決定一個項目成敗及是否能順利進行的關鍵，因此如何及時、準確地發現并解決安全及質量問題是項目管理人員所關注的重中之重。懷德站的建設過程中引入了BIM+建設管理平臺進行質量安全協同化管理。技術人員在現場發現質量不達標或者有安全問題時，利用魯班手機端App、魯班協同軟件，將相關問題拍照記錄上傳，再將現場質量安全問題照片在建設管理平臺中與BIM模型、人員相關聯，進行標識，督促班組進行整改，整改完成形成完成報告。同時，可以隨時導出報告，進行資料存檔，做到了信息實時共享，及時精準定位并解決相關問題。

4 基于BIM與有限元分析的聯合分析

4.1 基于BIM與有限元分析聯合的創建

該工程中基坑開挖深度為17.4～22.7m，需建立800mm厚的地下連續墻對主體進行圍護。利用已有Revit模型進行優化并導入Midas GTS形成一個整體網格組后，為了減少邊界效應的影響，模型邊界設定如下：沿X軸方向上的左右邊界，約束X向的平動自由度；沿Y軸方向上的前后邊界，約束Y向的平動自由度；約束有限元模型底部的Z向平動自由度；模型頂部面為地表面，不施加任何的約束。確定L形墻整體三維模型尺寸為35m×35m×50m（長×寬×高），直形墻整體三維模型尺寸為40m×20m×50m（長×寬×高），最終形成網格模型（見圖2）。

圖2 Midas GTS網格模型

4.2 連續墻成槽過程中土體變形分析

此次分析采用地層-結構法，充分考慮土層-結構相互作用。成槽機+旋挖鉆施工過程中產生的應力波會導致周圍土體產生一定程度的沉降，通過對L形連續墻和直形連續墻成槽過程進行數值模擬分析并生成施工過程位移云圖（見圖3），模擬各工況的變形情況，以驗證不同土體環境的工況在連續墻施工過程中的優劣性。

圖3 L形連續墻和直形連續墻施工過程位移云圖

由圖3可知，當L形墻兩側均為土時，最大豎向沉降量為2.06mm，最大隆起變形量為0.26mm；當L形墻一側為土，另一側為混凝土時，最大豎向沉降量為1.27mm，最大隆起變形量為0.24mm；當L形墻兩側均為混凝土時，最大豎向沉降量為0.99mm，最大隆起變形量為0.24mm。當直形墻兩側為土時，成槽Z方向最大沉降量為3.60mm，最大隆起變形量為0.27mm；當直形墻一側為土，另一側為混凝土時，成槽施工完成階段，成槽Z方向最大沉降量為2.92mm，最大隆起變形量為0.28mm；當直形墻兩側均為混凝土時，成槽Z方向最大沉降量為2.26mm，最大隆起變形量為0.28mm。施工中各工況對應變形控制優劣排序從大到小依次為兩側混凝土、一側土一側混凝土、兩側土。

5 結束語

近年來，BIM技術在工程領域的被認可程度越來越高，應用范圍也越來越廣。文章以深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站為實例，在沿海地區工程地質條件差、風險管控難度大、地下管線復雜、施工作業場地狹窄、施工方案選取困難及工期緊張等條件下，應用BIM技術開展施工場地布置模擬、可視化交底、碰撞檢查等應用，直接有效地解決了工程施工過程中的問題；同時，基于BIM技術與GIS、建設管理平臺、Midas GTS的融合應用，進行管線遷改、質量安全協同管理、施工監測及方案模擬優化，降低了項目管理難度，也為未來城市軌道交通BIM體系的推廣應用做出了貢獻。