BIM與智慧建造技術(shù)在裝配式地鐵工程中應(yīng)用研究

劉阿鋒，郭海洋，吳 寧

(中建三局城建有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130030)

0 引 言

在以裝配式橋梁、裝配式管廊為代表的裝配式基礎(chǔ)設(shè)施在城市建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用的背景下，裝配式地鐵車站的發(fā)展顯得較為遲緩，目前僅在長(zhǎng)春、青島等少數(shù)城市進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用[1]。從現(xiàn)有的工程實(shí)踐來(lái)看，裝配式地鐵車站普遍面臨施工過(guò)程模塊受力不明、預(yù)制構(gòu)件拼裝定位精度不高、防水效果不佳、工程管理方法不科學(xué)等問(wèn)題。雖然從技術(shù)的角度看，以上問(wèn)題相互獨(dú)立，但是從裝配式地鐵車站整體工程角度看，這些問(wèn)題從屬于系統(tǒng)工程的一部分，需要通過(guò)一項(xiàng)系統(tǒng)性的研究，探索系統(tǒng)問(wèn)題的解決方案。

目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中于將智慧建造應(yīng)用到工程項(xiàng)目建設(shè)中，或基于信息手段的智慧建造研究，對(duì)全裝配式地鐵車站施工全過(guò)程的深層次智慧建造體系研究甚少。同時(shí)，在智慧化管理的研究中，大部分學(xué)者都是應(yīng)用BIM技術(shù)或單一的信息技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。而單一的新興信息化手段無(wú)法同時(shí)對(duì)裝配式建筑的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、現(xiàn)場(chǎng)裝配以及質(zhì)量驗(yàn)收等各個(gè)階段的數(shù)據(jù)都進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的處理。因此，需要借助BIM技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等多種新型信息化技術(shù)進(jìn)行配合才能達(dá)到預(yù)期的管理效果[2-4]。

本文依托長(zhǎng)春市城市軌道交通6#線工程南溪濕地站工程，整合當(dāng)前施工技術(shù)，融合智慧建造技術(shù)，形成系統(tǒng)性、規(guī)范化、智能化的裝配式地鐵應(yīng)用方案。

1 工程概況

南溪濕地站為長(zhǎng)春市城市軌道交通6號(hào)線工程第15座車站。該站為兩層三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。車站主體基坑長(zhǎng)258.6 m，現(xiàn)澆段標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度21.3 m，裝配段基坑寬度22.5 m，小里程端頭寬24.7 m，大里程端頭寬23.7 m，基坑開挖深度約為19.49～22.17 m，基坑采用坑外降水，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐/錨索的型式。地層自上而下依次為：素填土層、粉質(zhì)粘土層、中粗砂層、下部為砂巖、泥巖。車站的底板座落在泥巖層，圍護(hù)樁樁底落在泥巖層。

2 BIM模型建立

該項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備信息和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，利用Revit建模軟件在工程開始階段建立建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)及機(jī)電專業(yè)BIM模型，在建模過(guò)程中對(duì)圖紙進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)和完善。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

該項(xiàng)目施工難度大，施工前對(duì)各項(xiàng)施工方案進(jìn)行提前規(guī)劃、預(yù)演尤為重要。利用BIM模型的可視性進(jìn)行三維立體的施工方案規(guī)劃，可以合理安排生活區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)加工區(qū)、材料倉(cāng)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)材料堆放場(chǎng)地、現(xiàn)場(chǎng)道路等的布置。

另外，利用BIM模型模擬一些危險(xiǎn)性大的專項(xiàng)施工方案，可以直觀的反應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，輔助專家論證，降低施工危險(xiǎn)性。基于BIM的施工周邊環(huán)境規(guī)劃，進(jìn)行吊裝設(shè)備、施工場(chǎng)地布置及土方開挖方案模擬。

3.1 碰撞檢查

使用Navisworks進(jìn)行碰撞檢查[5]，快速找到管線布置不合理的位置，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題提前進(jìn)行合理優(yōu)化，碰撞結(jié)果如表1所示。

針對(duì)Navisworks檢測(cè)出的碰撞問(wèn)題，進(jìn)行篩選，將存在碰撞問(wèn)題的地方進(jìn)行整理，形成碰撞檢測(cè)報(bào)告并給出優(yōu)化調(diào)整建議，從而提供一個(gè)具有實(shí)時(shí)性的虛擬仿真分析應(yīng)用體系。

表1 碰撞檢查表

表1(續(xù))

3.2 凈高分析

(1)根據(jù)圖紙及模型，南溪濕地站站廳層設(shè)備間區(qū)域凈高為6 300 mm，最小梁下凈高為5 300 mm，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求吊頂高度2 800 mm，由于此區(qū)域大尺寸風(fēng)管較多，所以機(jī)電綜合管線按照以下標(biāo)高排布。

①風(fēng)管板下或梁下敷設(shè)，例如1 250 mm×1 000 mm排風(fēng)管板下200 mm安裝，風(fēng)管底標(biāo)高為H+5 200 mm。

②縱向風(fēng)管分系統(tǒng)垂直排布，預(yù)留出施工空間與檢修空間。

③電纜橋架在風(fēng)管下方安裝，底標(biāo)高為H+3 900 mm和H+3 415 mm。

④消火栓管道墻邊風(fēng)管下方敷設(shè)安裝，標(biāo)高為H+3 240 mm。

⑤各個(gè)管線之間存在碰撞時(shí)，應(yīng)根據(jù)避讓原則合理調(diào)整。

(2)根據(jù)圖紙及模型，南溪濕地站站廳層走廊凈高為6 685 mm，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求吊頂高度2 800 mm，由于該走廊內(nèi)空間狹小，需要預(yù)留出安裝及檢修空間，所以機(jī)電綜合管線按照以下標(biāo)高排布。

①風(fēng)管板下敷設(shè)，三層風(fēng)管標(biāo)高分別為H+5 600 mm、H+4 400 mm、H+3 800 mm。

②電纜橋架在風(fēng)管下方安裝，底標(biāo)高為H+3 480 mm和H+3 150 mm。

③給排水管道墻邊電纜橋架下方敷設(shè)安裝，標(biāo)高為H+2 940 mm。

④各個(gè)管線之間存在碰撞時(shí)，應(yīng)根據(jù)避讓原則合理調(diào)整。

3.3 管線綜合排布

對(duì)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵管道進(jìn)行初步規(guī)劃及討論后進(jìn)行預(yù)排布，然后經(jīng)專業(yè)工程師審查出最優(yōu)方案，根據(jù)最優(yōu)方案，創(chuàng)建實(shí)體三維模型。

4 智慧建造

4.1 預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化智能建造

結(jié)合智能生產(chǎn)的理念，充分融合和利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)等，建立一套以新興的信息技術(shù)為基礎(chǔ)，BIM技術(shù)為核心，適用于地鐵建造的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，利用RFID技術(shù)BIM技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)制構(gòu)件的安裝部位和用途的信息嵌入含量等構(gòu)件信息的RFID芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)建造過(guò)程中的預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和施工的智能化，有效解決傳統(tǒng)建筑施工中的高消耗、高浪費(fèi)、信息不對(duì)稱和構(gòu)件不兼容等問(wèn)題，大大縮短裝配式地鐵的建造周期，提高施生產(chǎn)效率，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)建筑工業(yè)化的進(jìn)程[6,7]。將建筑工業(yè)的“制造”推向“智造”，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶的服務(wù)對(duì)接，依托BIM模型的深度挖掘與大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)企業(yè)外部的服務(wù)設(shè)計(jì)、內(nèi)部的管理協(xié)同與精益管理，借助BIM技術(shù)讓構(gòu)件實(shí)體得以三維展示，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞。把智能化融入建筑行業(yè)，加快地鐵施工效率，降低施工成本，以智能化的生產(chǎn)方式，輸出智能化、綠色化的產(chǎn)品與服務(wù)。

4.2 工藝工序虛擬仿真分析體系

地鐵施工過(guò)程中，受周圍環(huán)境影響大、不確定因素多、施工方案選取局限性大等因素的影響，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景建模，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工全套工藝工序的場(chǎng)景再現(xiàn)，并通過(guò)對(duì)三維場(chǎng)景高速碰撞算法的研究，對(duì)施工過(guò)程中構(gòu)件吊裝、施工機(jī)械調(diào)配和結(jié)構(gòu)碰撞等進(jìn)行虛擬仿真分析并進(jìn)行三維技術(shù)交底，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題提前進(jìn)行合理優(yōu)化，提供一個(gè)具有實(shí)時(shí)性的虛擬仿真分析體系，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可視化與操作性功能，實(shí)現(xiàn)人員、機(jī)械調(diào)動(dòng)、場(chǎng)景布局等碰撞分析與合理布置，保證在施工過(guò)程中提前發(fā)現(xiàn)并有效合理解決施工過(guò)程中的問(wèn)題，避免返工、窩工現(xiàn)象，保證施工過(guò)程的安全性。

4.3 體系建設(shè)與應(yīng)用研究

在建立項(xiàng)目整體化BIM模型的基礎(chǔ)上，打造多端協(xié)同管理平臺(tái)，線上完成項(xiàng)目的檔案、質(zhì)量、安全和進(jìn)度等管理工作。引入GIS的空間數(shù)據(jù)圖層，還原項(xiàng)目的地形、地貌特征。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行施工方案預(yù)演，通過(guò)動(dòng)態(tài)演示的方式，預(yù)測(cè)工程的高危風(fēng)險(xiǎn)、以及對(duì)周邊環(huán)境的影響，為方案比選、優(yōu)化提供依據(jù)。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的快速建立，編制臨時(shí)結(jié)構(gòu)快速計(jì)算程序，預(yù)制常用參數(shù)，并與手動(dòng)輸入相結(jié)合，滿足一線施工技術(shù)人員快速計(jì)算需求。以BIM智慧平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，集成多種數(shù)據(jù)模塊，實(shí)現(xiàn)“BIM+”技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

4.4 技術(shù)應(yīng)用效果

(1)縮減工期：平均裝配速度2環(huán)/天(4 m)土建工期節(jié)省4～6個(gè)月(約20%～30%)，裝修設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，工期也大幅縮減。

(2)節(jié)省臨時(shí)占地：圍擋寬度縮減5 m，節(jié)省施工臨時(shí)占地至少1 000 m2，對(duì)道路交通導(dǎo)改組織更為有利。

(3)節(jié)材環(huán)保：節(jié)省鋼筋約800 t，輕量化設(shè)計(jì)混凝土量也減少很多；現(xiàn)場(chǎng)施工木材消耗減少800 m3，其他建筑垃圾也大幅減少。

(4)利于管理：施工高峰期作業(yè)人員由130～180人減少至15～20人，更易于安全質(zhì)量管理。

(5)綜合效益：綜合效益大幅度提高，包括道路交通，噪音粉塵，綠色節(jié)能環(huán)保等方面。

5 總 結(jié)

項(xiàng)目管理落后是影響行業(yè)進(jìn)步的最重要原因之一，借助BIM技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管理人員使用易懂端實(shí)時(shí)上傳問(wèn)題至相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行高效協(xié)同，使問(wèn)題能夠快速高效的得到解決。在此背景下，為實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的精細(xì)化管理、精益化建造，本項(xiàng)目在項(xiàng)目管理全過(guò)程、各方面都開展了基于BIM技術(shù)的應(yīng)用探索。

將BIM在施工階段的應(yīng)用延伸到生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)等多個(gè)階段，使裝配式地鐵建造過(guò)程中信息能夠高效創(chuàng)建、整合、共享、交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目施工全過(guò)程的智慧建造管理。通過(guò)對(duì)智慧建造進(jìn)行概念辨析及范疇界定，深入發(fā)掘裝配式建設(shè)項(xiàng)目系統(tǒng)要素和系統(tǒng)環(huán)境，將BIM和智慧建造理念應(yīng)用到裝配式地鐵車站施工全過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)、各階段和項(xiàng)目參建各方的信息得到高度集成，提升BIM在裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用度，從而提高裝配式地鐵車站智慧建造的效率。

在經(jīng)濟(jì)效益上，圖紙審查、土建模型問(wèn)題、深化設(shè)計(jì)等方面節(jié)約了成本；管理上各專業(yè)提高了交底效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了工期；在技術(shù)上積累了BIM建模規(guī)則、BIM應(yīng)用流程、標(biāo)準(zhǔn)方法，為后期BIM推廣形成技術(shù)支持。