BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用研究

馮小江 婁運(yùn)達(dá) 劉洋 周真真

摘 要：【目的】為了解決傳統(tǒng)地鐵施工信息化程度低，建模效率低的問題，研究建筑信息模型技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用?！痉椒ā勘狙芯坷肂IM技術(shù)，建立西安地鐵八號線某標(biāo)段模型，實(shí)現(xiàn)地鐵模型的參數(shù)化設(shè)計?！窘Y(jié)果】利用Revit二次開發(fā)技術(shù)，提高了地鐵模型在Revit中的構(gòu)建效率，完成地鐵模型BIM技術(shù)交底。優(yōu)化地鐵施工場地管理，使得場地規(guī)劃更加合理?！窘Y(jié)論】利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地鐵智慧工地可視化關(guān)系平臺構(gòu)建，提高了施工管理的信息化水平。

關(guān)鍵詞：信息化技術(shù)；地鐵工程；BIM應(yīng)用

中圖分類號：TU92? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0088-04

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of low informatization and low modeling efficiency in traditional subway construction， the application of building information modeling technology in subway engineering is studied. [Methods] In this study， BIM technology was used to establish a section model of Xi 'an Metro Line 8 to realize the parametric design of the subway model. [Findings] The secondary development technology of Revit is used to improve the construction efficiency of subway model in Revit and complete the BIM technical disclosure of subway model. And the technology optimizes the management of subway construction site，making the site planning more reasonable. [Conclusions] By using Internet technology， a visual relationship platform for subway intelligent construction site has been realized to improve the informatization level of construction management.

Keywords： information technology; metro engineering; BIM application

0 引言

BIM是利用數(shù)字信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息化建筑模型，從而輔助設(shè)計施工的一種技術(shù)。對于施工企業(yè)，BIM技術(shù)多用于效果展示、場地規(guī)劃，施工技術(shù)交底等。因地鐵屬于線性工程，建模相對復(fù)雜，故BIM技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多，在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較少［1］。本研究基于西安地鐵八號線某標(biāo)段工程，利用Revit二次開發(fā)技術(shù)，研究Revit在地鐵項目中的應(yīng)用，為BIM的全生命周期應(yīng)用提供參考。

1 工程背景

西安地鐵八號線某標(biāo)段共包含兩站兩區(qū)間，其中芙蓉東路站、芙雁區(qū)間及雁新區(qū)間由二分部負(fù)責(zé)施工。芙蓉東路站車站長度為192.28 m，主體結(jié)構(gòu)形式為三層雙柱三跨、局部三柱四跨的現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，共設(shè)兩組風(fēng)亭和三個出入口。芙雁盾構(gòu)區(qū)間長1.5 km，線路縱坡形式為單邊坡，最大縱坡28%，設(shè)兩處聯(lián)絡(luò)通道。雁新暗挖隧道長0.8 km，線路縱坡形式為單面坡，最大縱坡為26%。

1.1 周邊環(huán)境復(fù)雜

隧道沿寒窯路地下敷設(shè)，側(cè)穿萬科金域曲江，以小半徑下穿南三環(huán)及繞城高速并與植物園西路斜交，之后側(cè)穿西安市民政曲江小區(qū)，以小半徑側(cè)穿減災(zāi)救災(zāi)教育館，下穿規(guī)劃法院進(jìn)入南三環(huán)并沿南三環(huán)地下敷設(shè)，側(cè)穿雁翔橋、上穿DN1200熱力管線后到達(dá)雁翔路站。其中涉及熱力管道的遷改和交通導(dǎo)改。施工需要協(xié)調(diào)的管理單位眾多，協(xié)調(diào)困難。

1.2 施工作業(yè)面有限

暗挖區(qū)間豎井（41.424 m）埋置深度大，采用倒掛井壁工法施工，施工空間狹窄（4.6 m×6.9 m），聯(lián)絡(luò)通道馬頭門施工難度大。車站施工圍擋區(qū)域狹小且基坑開挖深度大，便道最寬為3 m，材料轉(zhuǎn)運(yùn)只能采用龍門吊。

1.3 施工風(fēng)險高

該項目的隧道施工方式有暗挖、盾構(gòu)兩種，專業(yè)施工隊伍多，工期緊，任務(wù)重。盾構(gòu)接收的暗挖段長達(dá)26 m，需要空推出洞，且區(qū)間和主體在水位線以下，易出現(xiàn)滲漏水、涌水等問題。區(qū)間隧道下穿南三環(huán)U型擋墻，需細(xì)化施工措施，加強(qiáng)施工過程中的施工量測及監(jiān)控量測。區(qū)間隧道距離預(yù)應(yīng)力樁基礎(chǔ)水平凈距約為2.65 m，交叉作業(yè)面多，暗挖區(qū)間施工土方外運(yùn)、工作面施工材料吊裝運(yùn)輸均由洞口豎井桁吊完成，且暗挖區(qū)間正洞四個掌子面同時施工，交叉作業(yè)較多，豎井桁吊功效嚴(yán)重制約暗挖正線進(jìn)尺效率，施工難度大，風(fēng)險高。

為解決地鐵施工難題，采用BIM技術(shù)對項目進(jìn)行數(shù)字化管理。利用Revit二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行地鐵模型的建立，提高了建模效率。利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工安裝模擬，方便施工人員理解相關(guān)工藝流程。同時還利用BIM技術(shù)進(jìn)行了數(shù)字化管控、場地管理及管線遷改優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了BIM的多方位運(yùn)用。

2 BIM模型的建立

2.1 采用Revit建模的優(yōu)點(diǎn)

Revit作為我國房建領(lǐng)域使用最廣的建筑信息模型軟件，也可用于城鎮(zhèn)軌道交通領(lǐng)域，采用Revit構(gòu)建地鐵模型主要有以下優(yōu)勢。

2.1.1 易于算量。Revit自帶明細(xì)表功能，可以讀取建筑信息模型的相關(guān)工程信息，方便導(dǎo)出項目的工程量清單，造價人員可以根據(jù)此清單進(jìn)行計算，也可以將信息導(dǎo)入第三方算量軟件進(jìn)行工程量的計算。

2.1.2 參數(shù)化設(shè)計方便模型的構(gòu)建。參數(shù)化建模是Revit的一大特點(diǎn)，在Revit中可以針對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。將可變的參數(shù)賦予模型，同類型的模型都可以通過更改參數(shù)來生成，從而方便模型的構(gòu)建。在BIM項目中引入?yún)?shù)化設(shè)計可以提高模型的設(shè)計效率。

2.1.3 方便上手。Revit與CAD同屬于歐特克公司的軟件。CAD主要應(yīng)用于二維、三維圖形設(shè)計，而Revit則應(yīng)用于三維建筑模型設(shè)計。兩款軟件的操作界面及操作邏輯都是相通的。熟悉CAD的設(shè)計人員也很容易上手操作Revit，實(shí)現(xiàn)從二維設(shè)計到三維設(shè)計的轉(zhuǎn)換［2］。

2.2 基于Revit二次開發(fā)的地鐵建模

在以往的BIM應(yīng)用經(jīng)驗中，Revit多被運(yùn)用在房建領(lǐng)域中。這是由于Revit包含了許多成熟的關(guān)于房建的系統(tǒng)族，用戶可以十分方便地調(diào)用，從而提高建模效率。而類似地鐵這種線性工程則缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)族，這就造成了用戶在Revit中構(gòu)建地鐵模型效率低，成本高的問題。陳燁等［3］通過對模型特點(diǎn)的研究，制定新型建模方法，添加構(gòu)件參數(shù)信息，建立參數(shù)化族庫。對Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將原有的建模方法系統(tǒng)化，形成一套連續(xù)的建模流程。因此針對地鐵工程模型在Revit中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，需要研究地鐵模型在Revit中的Ribbon拓展界面，從而提高地鐵模型在Revit中的構(gòu)建效率。

Revit允許用戶通過API定制自己的Ribbon界面［4］。Revit API也提供了相關(guān)面板控件的創(chuàng)建。Revit API目前支持的控件有：RibbonTab、PushButton、SplitButton、TextBox、RibbonPanel、PulldownButton、Combobox等。本研究利用IExternalApplication外部應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)了地鐵Ribbon界面的拓展，同時利用IExternalCommand外部命令接口實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)按鈕功能。將常用參數(shù)化族集成在Ribbon上方便調(diào)用，從而提高地鐵工程建筑信息模型的構(gòu)建效率。常用的地鐵參數(shù)化族在Revit Ribbon上的集成如圖1所示。建成的地鐵車站模型效果如圖2所示。

3 BIM信息化平臺及應(yīng)用

依托西安地鐵八號線項目，結(jié)合地鐵施工特點(diǎn)，開展地鐵項目BIM應(yīng)用研究，結(jié)合建筑信息模型進(jìn)行施工安裝模擬、地鐵施工的數(shù)字化管控、BIM場地管理，實(shí)現(xiàn)全方位BIM應(yīng)用。

3.1 施工安裝模擬

車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方式，圍護(hù)樁采用直徑1.2 m、間距1.5 m的鉆孔灌注樁，嵌固深度為基坑底以下8.5～10 m，樁長為31.8～36.1 m，共計304根。

在傳統(tǒng)的施工過程中容易交底不充分，從而在施工中造成許多問題，采用BIM技術(shù)進(jìn)行交底，可以提前發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的不合理現(xiàn)象，避免其影響正常施工。BIM技術(shù)將傳統(tǒng)的交底文件轉(zhuǎn)換為形象生動的三維交底文件和施工動畫，將施工工藝形象生動地展示在被交底人面前，提高交底效率。由格構(gòu)柱交底動畫可知，格構(gòu)柱與鋼筋籠之間應(yīng)焊接牢固，其加工除滿足設(shè)計要求外，還應(yīng)符合下列規(guī)定：格構(gòu)柱采用分節(jié)制作，由角鋼和鋼綴板焊接而成。為了吊裝安全，每節(jié)格構(gòu)柱長度不超過10 m。最后格構(gòu)柱焊接完成之后對格構(gòu)柱整體下放，下放過程中應(yīng)定位準(zhǔn)確，格構(gòu)柱方向平行于基坑，不得傾斜、偏移，地鐵格構(gòu)安裝模擬如圖3所示。

3.2 地鐵施工的“數(shù)字化管控”

西安地鐵八號線是中國關(guān)中平原城市群大都市圈軌道交通線網(wǎng)中最為重要的骨干線路和換乘線路，也是目前西安在建的唯一一條環(huán)線。施工環(huán)境復(fù)雜，施工方式多樣，施工風(fēng)險高。通過智慧工地決策系統(tǒng)來及時獲取施工狀態(tài)，對設(shè)備進(jìn)出場情況異常進(jìn)行預(yù)警，保證地鐵施工安全、規(guī)范。對地鐵施工數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化整理，合理安排大型設(shè)備，勞務(wù)進(jìn)出場時間，避免出現(xiàn)窩工現(xiàn)象以及因窩工現(xiàn)象造成的利潤損失。采用BIM快速建模、BIM施工技術(shù)交底、大型設(shè)備進(jìn)出場管控、三維場地規(guī)劃等數(shù)字化工地技術(shù)，提高了西安地鐵施工的信息化水平，實(shí)現(xiàn)了智慧工地的信息化、智能化。

基于BIM的地鐵智慧工地可視化系統(tǒng)平臺是一款集成了現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)收集、分析、輔助決策等功能的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、分析、應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)模式?；贐IM平臺的質(zhì)量檢查將傳統(tǒng)的施工質(zhì)量檢查信息化，用戶將質(zhì)量檢查資料上傳至平臺并關(guān)聯(lián)模型，系統(tǒng)將工程質(zhì)量問題按不同部位進(jìn)行統(tǒng)計，以使工程的問題部位充分暴露，并推送至負(fù)責(zé)人處進(jìn)行處理。

由于地鐵車站位于居民區(qū)附近，工地施工環(huán)境也會影響周邊居民居住的舒適度。為了實(shí)現(xiàn)綠色文明施工，平臺實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測功能的集成。將工地周邊的揚(yáng)塵傳感器、噪聲傳感器數(shù)據(jù)接入地鐵智慧工地可視化系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)噪聲動態(tài)監(jiān)測，揚(yáng)塵智能治理。揚(yáng)塵噪聲監(jiān)測系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)共同鏈接到BIM模型上，可在線實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測值達(dá)到預(yù)警值后，噴淋自動開啟。

本項目施工現(xiàn)場布控30余個視頻監(jiān)控，并將所有視頻監(jiān)控歸集到指揮平臺，通過網(wǎng)頁或手機(jī)查看現(xiàn)場情況，同時通過AI圖像識別程序進(jìn)行實(shí)時分析和預(yù)警，通過安全帽識別、周界入侵識別、車輛識別、火焰識別、反光衣識別、夜間施工識別、煙霧識別等，讓工地更安全、高效、規(guī)范、智慧，施工信息可視化如圖4所示。

3.3 基于BIM的場地管理

建立不同施工階段的場地布置建筑信息模型，區(qū)別于利用CAD來進(jìn)行二維場地規(guī)劃，BIM技術(shù)將場地規(guī)劃變得更加立體直觀，更方便對各個施工階段進(jìn)行場地規(guī)劃，避免因發(fā)生作業(yè)面重合而造成沖突、窩工［5］。

車站總體施工劃分為三個階段：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段、基坑土方開挖與主體結(jié)構(gòu)施工階段和盾構(gòu)施工階段。目前地鐵車站主體已完成施工，施工場地布置已完成布設(shè)轉(zhuǎn)換，場地布設(shè)主要集中于圍擋內(nèi)東西兩端頭及南北側(cè)施工便道上，場地布置根據(jù)現(xiàn)場施工動態(tài)布置，臨時設(shè)施合理布設(shè)滿足安全、經(jīng)濟(jì)、合理、適用要求，臨水、臨電、排污滿足生產(chǎn)需要，并充分考慮文明施工和環(huán)境保護(hù)要求，滿足標(biāo)準(zhǔn)化施工，地鐵施工場地布置如圖5所示。

利用BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)，進(jìn)行三維立體施工規(guī)劃，包括辦公區(qū)、生活區(qū)、材料堆放區(qū)、材料加工區(qū)、倉庫、現(xiàn)場道路等。可以直觀地反映施工現(xiàn)場狀況，合理優(yōu)化材料堆放，有效避免施工過程中多個工種在有限場地內(nèi)相互干擾，減少施工現(xiàn)場材料的二次搬運(yùn)，有效控制現(xiàn)場成本支出。通過確定最優(yōu)路徑的方法，保證道路暢通，整齊有序。利用BIM模型來驗證施工方案是否合理，對材料的堆放，設(shè)備的進(jìn)退場路線，各個工序的穿插銜接進(jìn)行分析，提前發(fā)現(xiàn)施工方案中的不合理因素［6］。

3.4 基于BIM的管線遷改優(yōu)化

利用BIM技術(shù)對地下管線、地下構(gòu)筑物和車站結(jié)構(gòu)創(chuàng)建BIM模型，整合模型并做碰撞檢測，精確定位對車站結(jié)構(gòu)施工有影響的管線，優(yōu)化管線遷改設(shè)計方案，并通過模型提取管線位置、標(biāo)高、工程量等信息?；贐IM可視化特點(diǎn)，可以提高施工單位與各管線產(chǎn)權(quán)單位的溝通效率，進(jìn)而合理優(yōu)化遷改方案、減少返工、加快進(jìn)度、降低項目成本［7］。在管線回遷時應(yīng)同步跟進(jìn)模型，為項目提供相關(guān)運(yùn)維資料［8］。

4 結(jié)語

該項目將BIM技術(shù)與地鐵工程相結(jié)合，利用Revit二次開發(fā)優(yōu)化地鐵模型，拓展了Revit的Ribbon區(qū)。利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維可視化建模，直觀展示設(shè)計內(nèi)容，提高溝通協(xié)調(diào)效率。實(shí)現(xiàn)基于BIM的場地管理，更加直觀地展現(xiàn)各階段場地布置方案，更有利于提前發(fā)現(xiàn)問題。通過拓寬BIM的應(yīng)用范疇，解決了地鐵施工因場地管理不當(dāng)而造成的工期延誤。利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工工藝模擬，直觀地演示現(xiàn)場的現(xiàn)有條件、施工順序及解決重難點(diǎn)問題的施工方案，從而達(dá)到降低安全風(fēng)險、節(jié)約成本、保證安全施工的目的。實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)全方位、多角度應(yīng)用，為同類型工程提供參考。

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