基于BIM技术的地铁辅助管理平台研究

朱军，杨云飞，谷雨，周东波

（1.中铁七局第三工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

1 引言

我国国家标准《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T51235-2017）将BIM（建筑信息模型）定义为：在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称[2]。21世纪以来，随着计算机软硬件水平的迅速发展以及对建筑生命周期的深入理解，推动了BIM技术的不断前进，众多学者开展了BIM相关研究，国内外一些软件开发商如广联达、鲁班、Autodesk等在相继研发BIM平台，利用BIM平台实现进度模拟和5D成本分析，完成隧道设计施工一体化管理、隧道养护信息化管理[3]；同时也有一些相关研究，张多采用BIM+GIS技术的工程机械管控平台对工程机械设备进行管理，对工程机械设备实现全面的可视化管理，对设备的运行状态进行实时监控，及时有效地对现场机械进行指导[4]；吕希奎等将BIM集成在Pyrosim软件，实现了基于BIM的火灾模拟，得到了火灾模拟信息和以及关键位置的可用安全疏散时间，建立了一套基于BIM的地铁车站火灾模拟仿真方法[5]；毛徽采用主流虚拟交互式引擎Unity整合、描述并展示桥梁结构施工全过程的BIM信息，完成个性化的高互动性大跨径桥梁施工模拟方案[6]；孙秋荣结合BIM技术对钢网架结构进行施工阶段模拟与变形检测，得出了监测点的应力、应变及位移数据，为项目施工阶段做出安全的保障[7]；吴思承将BIM与三维激光扫描技术结合在桥梁钢结构施工监测中，便于检验和控制施工质量，并通过三维激光扫描技术对现场单根构件扫描后进行预拼装，以指导现场施工[8]；马杭州运用BIM技术与Midas、Ansys有限元分析软件对曲线梁桥悬浇、转体、全过程受力和变形进行仿真计算，研究了桥梁受力与结构安全稳定性问题，提出转体施工控制指标[9]；任璐实现了BIM的核心建模软件Revit与结构计算软件Autodesk Robot Structural Analysis的无缝对接，通过与结构计算软件Robot的数据交互，计算了结构在施工阶段的安全性[10]。我国的BIM行业起步较晚，在研究与应用方面存在一些局限，需要在规划、设计、施工、管理等方面展开更深入的研究。

2 地铁施工过程辅助管理平台特点及功能

地铁施工过程辅助管理平台基于全生命周期管理的理念，根据设计单位、勘查单位、建设单位和施工单位的工作进展，从工程的规划、设计、施工及运营的全过程进行信息的管理与合成。例如在规划阶段主要进行地铁整体方案的规划与优选；设计阶段进行设计的预演，发现设计阶段存在的不合理的地方，及早排除隐患；施工阶段进行施工模型，从安全性、稳定性和耐久性角度进行分析；运营阶段将设计规划与实际状况进行对比，及时发现并反馈设计的优缺点，为日后地铁工程的优化设计积累经验。

图1为地铁施工全过程信息架构图。从初始的规划、设计到地铁项目的施工和运行直至整个工程寿命终结为止，从项目概念图到项目的最终落成各个阶段的信息交互，包括了大量的工程数据与信息。地铁施工过程辅助管理模式就是对这些不同的信息进行归类，并发布于共用信息平台，方便各个单位查询自己所需信息，减少了各个单位之间的沟通不及时带来的信息壁垒，推动地铁工程不断发展，走向成熟。

图1 地铁施工全过程信息架构图

3 BIM设计流程架构

图2为地铁施工过程中，应用BIM理念进行设计的流程。BIM需要多种信息的交融，来实现数字信息的集成应用，同时也需要多个软件的配合达到协同工作的目的，文章从模型建立、模型信息、模型深化和模型管理等角度建立BIM模型设计的流程，分析BIM的综合应用。

3.1 模型建立和模型信息

传统的二维图纸，空间描述性不足，在设计初期常发生无法预期的空间冲突，造成工期的延长及人力金钱成本的增加。采用BIM技术建立3D模型，按照预定的施工计划可将地铁施工状况在计算机中进行仿真，找出地铁施工中可能存在的空间设计及时间冲突，及早的进行施工计划的调整，提前发现冲突并进行排除。首先根据CAD，使用Revit软件建立3D立体模型，其不仅仅只是简单的模型转化，所建立的3D模型包含材料购置厂家信息、材料的名称、模型的规格与尺寸等相关属性信息，尤其是对于盾构隧道的建模，一般绵延数公里，传统的建模手段要花费大量的时间和精力进行模型的构建，利用Dynamo软件其内置的Python语言搭配Revit族构建可以方便快捷的进行隧道模型的参数化处理，极大提高工作效率。

3.2 模型深化

根据需要把建立的模型转化为所需其他格式进行深度利用，如把模型转化为Nwc格式，用Navisworks软件进行进度模拟，进行碰撞检查，这些过程都有助于发现初步设计中存在的不合理现象，可以做到及时反馈，优化设计的目的；对于进度模拟过程能够反映当前施工进度，可以根据施工进度及时进行调整，根据进度款支付额等进行成本控制；利用3D Max软件进行关键工序的演示，可以系统、详细、直观、形象的表达建筑施工工艺的各个细节、施工流程、工艺流程和运作原理，直观地表现复杂的施工过程。保证关键工序施工质量，加深施工人员对于工程的理解。

图2 BIM设计流程架构图

3.3 多维管理

由于地铁隧洞埋于地下，其地质环境复杂多变，仅仅依靠钻探孔揭露的地质特点不够全面，在施工过程中存在一定的盲目性，依靠文字和简单的二维图形对围岩的描述性不足，且缺少可读性，采用BIM技术根据勘查设计资料建立地质模型并渲染，搭配3D打印技术模拟实际盾构场景，提高整个项目部人员对工程的理解；利用Fuzor、Lumion软件进行场地布置设计，对于建立的周边环境模型进行实景漫游，协助规划盾构机及大型设备进场方案。搭配无人机监控视角灵活、实时追踪的特点，可以进场拍摄协助减少在设计过程中和施工阶段场地布置不合理的情形，节省人力，降低了管理过程中存在的安全风险。

3.4 其他拓展

图3 BIM技术应用展示

根据需要，把建立的模型转化为GIES格式，导入有限元分析软件进行施工步骤的分析并结合现场实测数据，全面分析盾构掘进引起的地层损失及地表沉降特性。在此基础上，探索盾构直径、地质环境和盾构施工扰动范围之间的关系，为盾构施工中的环境保护提供技术指导。图3为在设计流程过程中各阶段利用BIM技术所做的工作展示。

4 现阶段BIM应用存在的局限性

大多数BIM技术的应用都是在项目设计阶段的后期，BIM技术在建模过程中一般先经过二维CAD图纸进行建模，无法直接实现模型正向建立的过程，更多的是以辅助功能出现，常以二维图纸为主，根据图纸建立模型，模型主要用于可视化和专业协调，对于工程设计中的效果有限。在建立了模型之后，对模型的后续利用不到位，流于表面的展示，没有真正的做到指导施工。

现阶段大部分的地铁项目的BIM研究仅仅是对单个方面进行设计，缺乏通用的管理平台，信息交流存在盲区，需要一个通用的云平台，整合所有的应用信息，把整个地铁项目的所有参与方参与进来，上传数据，方便各方的调取。

5 结语

我国BIM的应用虽然起步较晚，但随着政府的大力倡导和企业的自我BIM意识增强，发展迅速。信息化、可视化、协同化及可出图化是地铁工程设计、施工和管理发展的趋势，更需要一个综合的管理平台实现信息交互。BIM概念及技术的出现以及计算机技术的发展为这种发展模式的出现提供了途径和可能，实现更高水平的地铁施工管理水平。文章从现阶段BIM技术的研究背景出发，提出了建立基于地铁施工过程辅助管理平台的理论思路和基本的技术路线，从规划、设计、施工和运行多角度研究BIM技术在地铁工程中的应用，希望推动地铁工程的发展更加成熟。