BIM技术在西安地铁9号线的应用研究

陈鹏，朱肖

（1.中铁十局集团西北工程有限公司，陕西 西安 710065；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

BIM技术主要以建筑领域为对象，是帮助建设项目实现全生命周期信息化、智能化的方法和过程，具有可视化、协调性、参数化性、模拟性、优化性和可出图性等特点[1-3]，应用BIM软件创建建筑物三维模型并赋予其各类信息是BIM技术应用的基础。目前，市场上的三维设计软件基本满足地铁模型创建和应用相关要求。通过BIM技术实际应用，优化地铁项目设计方案，纠正施工中的错漏偏差，提高施工效率[4-6]。

1 工程概况

西安地铁9号线TJSG10标段的施工范围主要为3站2区间，即北二环站和秦汉大道站（广场路站—北二环站—秦汉大道站—终点）。该线路沿银桥大道呈南北走向布置，全长2 912.939 m。秦汉大道站由两端向中间施工，主体结构均为现浇钢筋混凝土框架，采用明挖顺作法施工，施工遵循“纵向分段，竖向分层，从下至上”的原则。施工主要存在以下疑难点：（1）秦汉大道站基坑深度16.8～18.6 m，开挖深度大，基坑开挖与支撑工序转变对施工组织要求较高，深基坑开挖有较大风险；（2）盾构机进、出洞前施工环节多、工序复杂且要求高，包括洞口地基加固、洞圈密封装置、盾构基座、后盾支撑等，任一环节控制不当都将带来较大危害；（3）广场路站—北二环站线路部分位于曲线段，盾构机在曲线段掘进时隧道轴线控制难度大，纠偏困难，管片之间易发生错台，管片易开裂、破损，可能造成严重漏水；（4）秦汉大道—终点暗挖区间右线位于西潼公路（国道108）下方，左线位于道路西侧较厚的垃圾土层下方，成分以建筑垃圾为主，含大量碎砖、碎石、混凝土块等，局部为生活垃圾，岩性不均、结构松散、稳定性极差，且高出地面10～15 m，浅埋、偏压、黄土暗挖隧道施工风险较大。

2 BIM建模

综合BIM核心建模软件的优缺点及适用环境，选择Autodesk为三维协同设计平台，该软件对一些复杂结构模型的快速建立具有优势。在模型创建和实际应用中，主要应用软件包括Revit、Navisworks及InfraWorks。其中，Revit通过参数化结构族的形式快速创建地铁BIM模型，方便信息传递与模型修改；Navisworks是一款可视化、仿真、支持多种格式的三维模型设计及分析软件；InfraWorks是一款土木基础设施初步设计软件，支持关联的BIM流程，设计师和土木工程师能在真实环境中规划、设计基础设施项目[7-9]。

2.1 建模流程

由于西安地铁9号线TJSG10标段的施工模拟涉及构件种类、数量繁多，结构组合类型复杂，根据Revit的建模规则，将各类构件进行参数化创建，依次建立结构柱、结构框架、楼板、门、窗等族构组。首先在Revit中选择结构模板，新建1个项目文件，以模板中的原始点位作为模型原点，完成轴网及标高的创建，然后将创建的族文件导入项目，地铁三维整体模型按照从下到上（标高）、从小到大（轴网）的顺序创建。

根据地铁站的结构特性，首先放置底板层柱和梁框架，然后创建底板层底板和顶板，最后创建墙体。中板及顶板的创建与底板相同。需要注意的是，创建模型时要预留楼梯、电梯井、出口的孔洞，以免增加后续的修改工作。最后，添加模型的室内墙体、门、窗、电梯、楼梯，完成模型创建。

2.2 族的创建

BIM模型由代表不同构件的族拼接而成，族一般分为常规构件族和特定构件族，可随时调用修改参数，提高了设计人员的工作效率。例如，对某一结构柱的尺寸进行参数化，在其他位置放置类似构件时只需将其复制修改，族还可进行相互参考嵌套，满足复杂模型的需求，使项目参与者更加方便地管理模型构件。结构柱和结构梁的参数化示意见图1、图2。

2.3 BIM模型创建

结构族参数化后，在同一视图模式下导入项目文件进行组合，准确定位构件位置，统一坐标系。根据实际施工尺寸切分模型，并通过修正细节部位（如拼接处梁柱拼接[10]、墙体拼接等），完成地铁车站区间整体BIM模型的创建（见图3）。

图1 结构柱参数化示意图

图2 结构梁参数化示意图

图3 车站区间整体BIM模型

3 BIM技术应用研究

结合西安地铁9号线TJSG10标段施工现场实际情况和地铁三维BIM模型，着重研究BIM技术在地铁项目施工过程中的应用。

3.1 综合碰撞检测

目前，机电管线各专业普遍存在设计阶段配合不协调的问题，不能统筹合理安排各管线的空间布置，加上施工现场情况、专业技术、人员操作水平等因素的差异影响，设计图纸不可避免存在很多局部错误，导致施工返工、工期延期，工程质量得不到保证[11]。

在Navisworks的Clash Detetive模块中，快速查找模型中图元之间的碰撞位置，详细表述碰撞位置、类型、数量等信息，甚至直观查看碰撞部位。在运行控制中，主要选择硬碰撞类型，硬碰撞是2个对象实际相交，也是实际项目中发生较多的碰撞。硬碰撞详细参数设置见图4。

三维模型虚拟漫游可直观显示地铁内部结构及建筑布置情况，找出碰撞检测中难以发现的空间狭小和高度不足等情况，提高、改进和完善整个BIM地铁车站三维模型。地铁车站模拟漫游见图5。

应用BIM技术调整管线综合碰撞检查结构，提前优化设计部分复杂节点，能直观可靠地对现场施工人员提供具体的解决方式，加快施工进度，提高施工生产安全性。在西安地铁9号线TJSG10标段中，由于部分电力管线改迁较困难，方案调整为电力管线悬吊保护（见图6）。

3.2 4D施工模拟

图4 硬碰撞详细参数设置

图5 地铁车站模拟漫游

图6 电力管线悬吊保护

在地铁项目施工前，以视频形式对施工过程进行提前预演，详细、全面了解施工过程，避免施工错误，便于修正和调整，给工程带来安全及质量保证。作为重要的交通枢纽，地铁车站项目投入成本高、建设时间长、人力物资消耗较大，按照施工进度，利用Navisworks的Time Liner模块，合理安排每个选择集中图元定义的施工时间、日期、任务类型及各构件费用等，根据每个虚拟工作任务，生成具有施工顺序信息的4D模拟信息模块[12]（见图7）。

3.3 工程量统计

地铁项目的施工成本管理依赖于从概预算到决算的全部建设过程，要采取主动和被动措施，降低各种风险带来的不可控性，实施全过程成本管控。BIM技术的应用能快速准确提取建筑工程量，打破项目各参与方之间的信息隔阂，解决项目全生命周期的信息孤岛问题，从根本上提高施工项目成本管理的水平[13]。

在Revit中完成地铁车站区间基本构造后，选择工具栏中的视图，找到操作按钮明细表，打开明细表/数量，根据模型实际情况，在过滤器列表中选择需要统计的类别，生成各个类型柱、桩和冠梁的明细表。各种类型桩明细见图8。

图7 4D模拟信息模块

图8 各种类型桩明细

3.4 龙门吊与群塔作业

龙门吊主要用于施工现场模板和物资装卸作业，由于地面工作存在安全隐患，应用BIM技术模拟龙门吊施工过程，可较好地避免事故发生。群塔作业具有较高的风险系数，塔机工作中高度相互影响，运行时易碰撞，如果夜间操作，更容易发生事故[14-15]。

鉴于以上危险隐患，研究基于BIM技术的群塔作业施工模拟方法，有效预防群塔施工可能发生的事故。根据塔吊施工方案，在Navisworks中采用塔吊构件集合，创建塔吊模型的塔吊运转模拟动画，并载入4D工期动画。应用Navisworks预览所述4D工期动画和塔吊运转模拟动画，提前掌握塔吊碰撞情况，修正施工计划。塔吊施工开始和结束状态见图9、图10。

3.5 施工场地布置管理

施工现场平面布置是对拟建项目施工场地的总体布置。按照施工方案和进度要求，对现场道路交通、材料仓库、附属企业、临时房屋、临时水电管线等作出合理规划布置，从而正确处理全工地施工期间所需各项设施和永久建筑以及拟建工程之间的空间关系[16-17]。为合理布置建筑施工现场、保障工程项目质量、提升施工现场标准化，可应用BIM技术实现三维场地布置展示[18]。

图9 塔吊开始状态

图10 塔吊结束状态

根据秦汉大道站场地和周边建筑物平面图，在InfraWorks中模拟演示。首先，在BIGEMAP地图下载器中选择秦汉大道站附近地形的高程、卫星图及矢量路网，打开InfraWorks，导入并配置地图数据，完成车站附近地形地貌的创建，在Revit依次完成地铁项目部、钢筋加工存放区和周转料存放区三维模型的创建，通过fbx格式导入InfraWorks。最后，完成车站周围其他建筑物的创建（见图11—图13）。

图11 施工现场布置示意图

图12 施工现场排水沟综合布置示意图

图13 施工现场燃气管道布置示意图

3.6 模板脚手架设计

在传统模板脚手架方案编制过程中需要投入大量人力，而借助BIM技术完成不同型号的模板、钢管及扣件用量统计及优化等功能，可解放人力资源。施工过程中根据施工进度安排，结合模板、钢管、扣件计算总量控制总材料进场量，利用完善的三维模型对作业人员交底，提高操作人员对交底内容直观全面的认识，减少现场返工所造成的工期及成本压力[19]。BIM技术在模板脚手架施工中的应用进一步提升了项目精细化管理的水平，同时也在模板施工降本增效及助推绿色施工中取得良好效果[20]。标准断面模板支撑体系见图14。

图14 标准断面模板支撑体系

4 结论

BIM技术深刻影响着地铁工程领域施工生产水平。以西安地铁9号线TJSG10标段地铁施工为实例，结合设计图纸和专项施工方案，完成BIM模型创建，研究分析BIM技术在现场施工中的实际应用，得到以下主要研究成果：

（1）BIM技术应用提高了施工效率和设计质量，很好地解决了工程工期和造价等问题，节约了生产成本，为传统轨道交通行业注入鲜活生命力。

（2）研究得到基于Autodesk平台地铁施工过程的建模方式，建立形成一套族样板供同类建筑重复利用。主要流程为：针对软件中各种类型族的应用进行深入研究，将地铁车站区间建模各类构件与设计图纸结合，建立三维参数化模型，再通过搭接完成整体BIM模型构建。

（3）BIM技术在西安地铁9号线TJSG10标段地铁施工中的应用，解决了传统施工技术中的疑难点，验证了BIM技术在地铁工程施工中与实际结合应用的可行性，能够更好地服务于生产。