BIM技术在城市轨道交通中的应用研究

吴学林

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

随着国家、建设单位等大力推进BIM(Building Information Model)技术的应用，近年来BIM技术因其具有的可视化、协调性、模拟性等的优势，在建筑、道桥、轨道交通等工程中的应用越来越多，在项目招投标、设计、施工、运维阶段均可利用到BIM技术，可以加强建设、设计、施工等单位不同专业的协作、沟通，实现资源共享，提高生产效率[1-3]。BIM技术的核心价值就是可以将大量复杂的数据存储于各类软件，通过BIM平台将土建、机电安装、管线等模型进行整合，实现整体优化目标[4，5]。BIM技术在建筑工程应用较多，在轨道交通工程应用相对较少，2011年年底开始在上海轨道交通13号线尝试应用[6]。Revit软件是BIM中使用频率相对最高的软件，既能根据既有的CAD图纸建立三维空间立体模型，也可以建立模型后进行尺寸标注导出图纸，在二维设计成果的基础上进一步加强设计深度、提高质量，减少施工中的错误和拆改。模型建立后可与3D Max,Lumion等软件进行渲染，应用Navisworks软件进行动态施工模拟。与2017年相比，2019年全国BIM项目数量比2017年增长了50%，越来越多的企业将BIM技术应用到实际生产中[7]。陈南凤分析研究了BIM技术在沈阳地铁车站设计、施工、运维中的应用，提出城市轨道交通工程必将成为BIM技术的应用与推广的重点领域[8]。吴卫民等利用BIM建立湘江新城站三维模型，实现施工建造全过程一体化，提高了地铁车站施工效率[9]。文章通过Revit软件建立了地铁车站围护结构、内支撑、主体结构模型及三维场布图，建立了构件族库，将模型导入至Navisworks进行施工模拟，进行地下连续墙施工、深基坑土方开挖的技术施工交底，为本项目提供指导价值。

1 BIM技术应用现状及特点

1.1 BIM技术国外研究现状

BIM技术起源于美国，2003年美国颁布了BIM技术使用指南。在西欧国家得到广泛应用，推动了BIM技术的快速发展。日本将BIM技术应用于建设项目工程中比较突出，目前BIM技术已经实现工程建设的全生命周期应用，在建筑、市政等公共工程应用较为广泛，也取得了一定的成果[4]。

1.2 BIM技术国内研究现状

我国BIM技术应用较晚，在国家、省市等各级政府部门及建设单位的要求和大力推广下，BIM技术在我国近几年发展较快，取得了较好的成果。

陈佳佳等研究了天津市永基花园二期项目BIM的建模过程、三维场布、碰撞检查、BIM5D软件应用，分析了BIM在房屋建筑工程的应用价值[11]。谢腾骁研究BIM技术在变截面桥梁工程中的应用，总结得出BIM技术不再局限于建筑设计，逐渐拓展到投标、施工、运维阶段，由初级过渡到高级，并提出了设计和施工阶段BIM模型不衔接、模型实体、关联信息等问题[12]。周霜等研究了BIM技术在我国的应用现状，在2011年后我国BIM呈现高速增长，且逐渐向多方面应用发展，目前我国BIM应用仍处在初级阶段，但对BIM核心内涵已经有了较为充分的认识，今后将会取得较快发展[13]。

1.3 BIM技术特点

BIM是以三维数字技术基础上发展起来的三维信息集成技术，集成了工程项目各种相关信息的工程数据模型，可在工程项目全生命周期内，对工程项目功能特性与实体进行数字化表示[8]。BIM技术具有以下几条特点：信息集成、可视化、模拟性、可出图性、协调性。

2 BIM技术在城市轨道交通中的应用

2.1 工程概况

某车站呈南北向布置，地下2层双岛式车站，与规划3号线同台换乘。车站总长度为404.1 m，标准段宽度为49.9 m，采用明挖法施工，前后均接盾构区间，基坑开挖深度为18.18 m～24.4 m，某车站平面图如图1所示。

车站围护结构采用刚度较大、变形较小、工艺成熟、抗渗止水效果较好的地下连续墙支护，墙体厚度为800(1 000) mm+竖向三道内支撑形式，第一道为钢筋混凝土支撑(截面为800 mm×1 000 mm，水平间距为9 m)，第二、三道为钢筋混凝土支撑(截面为900 mm×1 100 mm，水平间距为9 m)和钢支撑(φ 800 mm，壁厚20 mm，水平间距3 m)，采用明挖法施工。地下水主要有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，属于水文地质Ⅱ单元，基坑安全等级为一级，基坑重要性系数为1.1。

2.2 车站围护结构

施工蓝图交底后认真识别CAD图纸中的数据参数，领会设计意图，熟悉图纸，通过Autodesk Revit 2017软件建立三维模型，先确定车站围护结构的墙顶标高和墙底标高及分幅地连墙的位置，将CAD图纸导入至Revit中通过基点坐标确定围护结构的实际位置。Revit中大多数图元都是以构件的形式存在，同类型的构件也存在着尺寸的差异，对于转角等变截面地连墙，可通过“内建模型”、新建族等方式建立转角等变截面地连墙，通过“族类型”对话框控制构件的参数，然后载入至项目中。

某车站围护结构共计168幅地连墙，由于工程地质不同，地连墙设计深度也不同，通过Revit按设计顺序分幅建立地连墙，这样就能保持与实际情况相一致，某车站围护结构如图2所示。

2.3 车站内支撑模型

Revit自带的族文件很少，自带的族文件也不完全符合现场实际要求，无法实现较复杂地铁车站模型构建。建立地铁车站三维模型时，由于复杂的构件及临时构筑物较多，如钢围檩、钢支撑、格构柱、临时楼梯、护栏等，基坑土方开挖时需用码头吊设备，软件自带族库中没有码头吊设备，可通过Revit中的族建立可共享使用的构件族，形成本工程车站所需的族库，既便于本项目使用，也可以供相似车站共享使用。通过Revit建立的部分构件族如图3所示。

将建立好的族载入至项目中，按设计要求分别完成第1道～第3道混凝土及钢支撑，完成抗拔桩、格构柱、降水井等模型的建立，最终建立了该车站围护结构，导入至3D Max软件效果图如图4所示。

2.4 车站主体结构

根据项目部管理人员的施工经验及对CAD图纸的识别分析，了解了车站主体结构内部具体布置情况，通过来回切换Revit东西南北剖面及三维空间建立了主体结构三维模型如图5所示。

3 三维场布及施工模拟

3.1 三维场布

鉴于该车站基坑开挖土方工程量大，原材、半成品、成品、机械设备等较多，生活区占地面积较大，生活区与生产区距离较远，因此做好现场施工场布很重要，根据技术人员多年来的施工经验通过CAD进行二维施工场地规划，仅仅是平面化，比较抽象，不能够很好的展现出三维立体情况。

通过Revit建立车站三维场布模型，合理规划生活区、材料堆放区、钢筋加工区、停车位、洗车槽、塔吊位置等，展示出三维空间效果，更加立体化、美观化，根据三维空间位置，根据现场实际情况对部分规划区适当进行调整以达到最高效率，为指导现场布置、文明施工提供了科学的数据和可操作性方案，为项目节约成本创造了条件[11]。

将模型导入至Lumion软件中，对车站周边进行布置花草树木，达到与现场周边环境保持一致、紧密结合的效果，也可制作展板、视频动画让更多的人看到车站的效果图，三维场布图如图6所示。

3.2 地连墙施工模拟

把建立好的围护结构、内支撑、抗拔桩、格构柱、降水井等三维模型导入至Navisworks软件中，通过“任务”调整每幅地连墙的模拟顺序，与现场实际情况相对应。

该车站地连墙共计168幅，施工模拟(如图7所示)开始时间为2019年12月24日，与现场实际施工时间保持一致。在出现施工滞后情况时，管理人员及时分析原因，采取整改措施，确保质量和安全的前提下加快施工进度，按时保质保量的完成。

地连墙施工前通过BIM技术制作施工动画模拟，编制技术交底让施工工班清晰了解到地连墙施工工序，提高施工工效，地连墙施工工艺如图8所示。

3.3 基坑土方开挖模拟

该车站深基坑开挖深度为18.18 m～24.4 m，岩土层主要为黏性素填土、粉质黏土、砂质黏土、混合花岗岩，基坑土石方约333 719 m3，绝大部分地层机械可直接铲挖，部分地层需使用松动器或冲击镐解碎，总体评价基坑内土石方可挖性较好。

基坑开挖充分利用“时空效应”以提高工程施工质量，确定合理的开挖顺序及每步开挖土体的空间尺寸，遵循“开槽支撑、先撑后挖、限时限高、均匀对称、分层分段、严禁超挖”的原则，该车站基坑开挖共划分19个流水段，4个开挖面，同一层每个开挖面布置3台挖掘机“后退甩挖”开挖，放坡坡率为1∶1～1∶1.5，较深处的土方利用长臂挖机、码头吊提土装车外运。深基坑土方开挖前利用Revit,3D Max软件建立土方开挖模型并进行技术交底，便于管理人员和施工人员更清晰的了解土方开挖步序。深基坑土方开挖BIM模型如图9所示。

4 结论

1)通过Revit建立了构件族库、围护结构、内支撑、主体结构模型，便于管理和施工人员更清晰的理解车站建设过程，更加立体化、美观化；2)建立了车站三维场布图，合理规划场地布局，分区、分块便于管理，提高三维场布图的美观性，空间分布情况一目了然，更加直观、美观；3)将模型导入至Navisworks软件进行施工模拟，出现进度滞后时及时采取措施，更好、更快的施工，对施工工班进行地连墙施工、基坑土方开挖等BIM技术交底，清晰了解各工序施工工艺。