BIM技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

吳學(xué)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(shè)單位等大力推進BIM(Building Information Model)技術(shù)的應(yīng)用，近年來BIM技術(shù)因其具有的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等的優(yōu)勢，在建筑、道橋、軌道交通等工程中的應(yīng)用越來越多，在項目招投標、設(shè)計、施工、運維階段均可利用到BIM技術(shù)，可以加強建設(shè)、設(shè)計、施工等單位不同專業(yè)的協(xié)作、溝通，實現(xiàn)資源共享，提高生產(chǎn)效率[1-3]。BIM技術(shù)的核心價值就是可以將大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)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(xiàn)整體優(yōu)化目標[4，5]。BIM技術(shù)在建筑工程應(yīng)用較多，在軌道交通工程應(yīng)用相對較少，2011年年底開始在上海軌道交通13號線嘗試應(yīng)用[6]。Revit軟件是BIM中使用頻率相對最高的軟件，既能根據(jù)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(dǎo)出圖紙，在二維設(shè)計成果的基礎(chǔ)上進一步加強設(shè)計深度、提高質(zhì)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(yīng)用Navisworks軟件進行動態(tài)施工模擬。與2017年相比，2019年全國BIM項目數(shù)量比2017年增長了50%，越來越多的企業(yè)將BIM技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中[7]。陳南鳳分析研究了BIM技術(shù)在沈陽地鐵車站設(shè)計、施工、運維中的應(yīng)用，提出城市軌道交通工程必將成為BIM技術(shù)的應(yīng)用與推廣的重點領(lǐng)域[8]。吳衛(wèi)民等利用BIM建立湘江新城站三維模型，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐、主體結(jié)構(gòu)模型及三維場布圖，建立了構(gòu)件族庫，將模型導(dǎo)入至Navisworks進行施工模擬，進行地下連續(xù)墻施工、深基坑土方開挖的技術(shù)施工交底，為本項目提供指導(dǎo)價值。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及特點

1.1 BIM技術(shù)國外研究現(xiàn)狀

BIM技術(shù)起源于美國，2003年美國頒布了BIM技術(shù)使用指南。在西歐國家得到廣泛應(yīng)用，推動了BIM技術(shù)的快速發(fā)展。日本將BIM技術(shù)應(yīng)用于建設(shè)項目工程中比較突出，目前BIM技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)工程建設(shè)的全生命周期應(yīng)用，在建筑、市政等公共工程應(yīng)用較為廣泛，也取得了一定的成果[4]。

1.2 BIM技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國BIM技術(shù)應(yīng)用較晚，在國家、省市等各級政府部門及建設(shè)單位的要求和大力推廣下，BIM技術(shù)在我國近幾年發(fā)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(yīng)用，分析了BIM在房屋建筑工程的應(yīng)用價值[11]。謝騰驍研究BIM技術(shù)在變截面橋梁工程中的應(yīng)用，總結(jié)得出BIM技術(shù)不再局限于建筑設(shè)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(shè)計和施工階段BIM模型不銜接、模型實體、關(guān)聯(lián)信息等問題[12]。周霜等研究了BIM技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀，在2011年后我國BIM呈現(xiàn)高速增長，且逐漸向多方面應(yīng)用發(fā)展，目前我國BIM應(yīng)用仍處在初級階段，但對BIM核心內(nèi)涵已經(jīng)有了較為充分的認識，今后將會取得較快發(fā)展[13]。

1.3 BIM技術(shù)特點

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維信息集成技術(shù)，集成了工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可在工程項目全生命周期內(nèi)，對工程項目功能特性與實體進行數(shù)字化表示[8]。BIM技術(shù)具有以下幾條特點：信息集成、可視化、模擬性、可出圖性、協(xié)調(diào)性。

2 BIM技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)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(guī)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(gòu)區(qū)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(jié)構(gòu)采用剛度較大、變形較小、工藝成熟、抗?jié)B止水效果較好的地下連續(xù)墻支護，墻體厚度為800(1 000) mm+豎向三道內(nèi)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(zhì)Ⅱ單元，基坑安全等級為一級，基坑重要性系數(shù)為1.1。

2.2 車站圍護結(jié)構(gòu)

施工藍圖交底后認真識別CAD圖紙中的數(shù)據(jù)參數(shù)，領(lǐng)會設(shè)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(jié)構(gòu)的墻頂標高和墻底標高及分幅地連墻的位置，將CAD圖紙導(dǎo)入至Revit中通過基點坐標確定圍護結(jié)構(gòu)的實際位置。Revit中大多數(shù)圖元都是以構(gòu)件的形式存在，同類型的構(gòu)件也存在著尺寸的差異，對于轉(zhuǎn)角等變截面地連墻，可通過“內(nèi)建模型”、新建族等方式建立轉(zhuǎn)角等變截面地連墻，通過“族類型”對話框控制構(gòu)件的參數(shù)，然后載入至項目中。

某車站圍護結(jié)構(gòu)共計168幅地連墻，由于工程地質(zhì)不同，地連墻設(shè)計深度也不同，通過Revit按設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 車站內(nèi)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(xiàn)場實際要求，無法實現(xiàn)較復(fù)雜地鐵車站模型構(gòu)建。建立地鐵車站三維模型時，由于復(fù)雜的構(gòu)件及臨時構(gòu)筑物較多，如鋼圍檁、鋼支撐、格構(gòu)柱、臨時樓梯、護欄等，基坑土方開挖時需用碼頭吊設(shè)備，軟件自帶族庫中沒有碼頭吊設(shè)備，可通過Revit中的族建立可共享使用的構(gòu)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(gòu)件族如圖3所示。

將建立好的族載入至項目中，按設(shè)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(gòu)柱、降水井等模型的建立，最終建立了該車站圍護結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入至3D Max軟件效果圖如圖4所示。

2.4 車站主體結(jié)構(gòu)

根據(jù)項目部管理人員的施工經(jīng)驗及對CAD圖紙的識別分析，了解了車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)備等較多，生活區(qū)占地面積較大，生活區(qū)與生產(chǎn)區(qū)距離較遠，因此做好現(xiàn)場施工場布很重要，根據(jù)技術(shù)人員多年來的施工經(jīng)驗通過CAD進行二維施工場地規(guī)劃，僅僅是平面化，比較抽象，不能夠很好的展現(xiàn)出三維立體情況。

通過Revit建立車站三維場布模型，合理規(guī)劃生活區(qū)、材料堆放區(qū)、鋼筋加工區(qū)、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(jù)三維空間位置，根據(jù)現(xiàn)場實際情況對部分規(guī)劃區(qū)適當進行調(diào)整以達到最高效率，為指導(dǎo)現(xiàn)場布置、文明施工提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)和可操作性方案，為項目節(jié)約成本創(chuàng)造了條件[11]。

將模型導(dǎo)入至Lumion軟件中，對車站周邊進行布置花草樹木，達到與現(xiàn)場周邊環(huán)境保持一致、緊密結(jié)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(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐、抗拔樁、格構(gòu)柱、降水井等三維模型導(dǎo)入至Navisworks軟件中，通過“任務(wù)”調(diào)整每幅地連墻的模擬順序，與現(xiàn)場實際情況相對應(yīng)。

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(xiàn)場實際施工時間保持一致。在出現(xiàn)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(zhì)量和安全的前提下加快施工進度，按時保質(zhì)保量的完成。

地連墻施工前通過BIM技術(shù)制作施工動畫模擬，編制技術(shù)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(zhì)黏土、砂質(zhì)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(nèi)土石方可挖性較好。

基坑開挖充分利用“時空效應(yīng)”以提高工程施工質(zhì)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?qū)ΨQ、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(shù)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(jié)論

1)通過Revit建立了構(gòu)件族庫、圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐、主體結(jié)構(gòu)模型，便于管理和施工人員更清晰的理解車站建設(shè)過程，更加立體化、美觀化；2)建立了車站三維場布圖，合理規(guī)劃場地布局，分區(qū)、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(dǎo)入至Navisworks軟件進行施工模擬，出現(xiàn)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(shù)交底，清晰了解各工序施工工藝。