陳鵬，朱肖

（1.中鐵十局集團(tuán)西北工程有限公司，陜西 西安 710065；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

BIM技術(shù)主要以建筑領(lǐng)域?yàn)閷?duì)象，是幫助建設(shè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全生命周期信息化、智能化的方法和過程，具有可視化、協(xié)調(diào)性、參數(shù)化性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特點(diǎn)[1-3]，應(yīng)用BIM軟件創(chuàng)建建筑物三維模型并賦予其各類信息是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，市場(chǎng)上的三維設(shè)計(jì)軟件基本滿足地鐵模型創(chuàng)建和應(yīng)用相關(guān)要求。通過BIM技術(shù)實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)化地鐵項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，糾正施工中的錯(cuò)漏偏差，提高施工效率[4-6]。

1 工程概況

西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段的施工范圍主要為3站2區(qū)間，即北二環(huán)站和秦漢大道站（廣場(chǎng)路站—北二環(huán)站—秦漢大道站—終點(diǎn)）。該線路沿銀橋大道呈南北走向布置，全長(zhǎng)2 912.939 m。秦漢大道站由兩端向中間施工，主體結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，采用明挖順作法施工，施工遵循“縱向分段，豎向分層，從下至上”的原則。施工主要存在以下疑難點(diǎn)：（1）秦漢大道站基坑深度16.8～18.6 m，開挖深度大，基坑開挖與支撐工序轉(zhuǎn)變對(duì)施工組織要求較高，深基坑開挖有較大風(fēng)險(xiǎn)；（2）盾構(gòu)機(jī)進(jìn)、出洞前施工環(huán)節(jié)多、工序復(fù)雜且要求高，包括洞口地基加固、洞圈密封裝置、盾構(gòu)基座、后盾支撐等，任一環(huán)節(jié)控制不當(dāng)都將帶來較大危害；（3）廣場(chǎng)路站—北二環(huán)站線路部分位于曲線段，盾構(gòu)機(jī)在曲線段掘進(jìn)時(shí)隧道軸線控制難度大，糾偏困難，管片之間易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，管片易開裂、破損，可能造成嚴(yán)重漏水；（4）秦漢大道—終點(diǎn)暗挖區(qū)間右線位于西潼公路（國道108）下方，左線位于道路西側(cè)較厚的垃圾土層下方，成分以建筑垃圾為主，含大量碎磚、碎石、混凝土塊等，局部為生活垃圾，巖性不均、結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性極差，且高出地面10～15 m，淺埋、偏壓、黃土暗挖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 BIM建模

綜合BIM核心建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境，選擇Autodesk為三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，該軟件對(duì)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的快速建立具有優(yōu)勢(shì)。在模型創(chuàng)建和實(shí)際應(yīng)用中，主要應(yīng)用軟件包括Revit、Navisworks及InfraWorks。其中，Revit通過參數(shù)化結(jié)構(gòu)族的形式快速創(chuàng)建地鐵BIM模型，方便信息傳遞與模型修改；Navisworks是一款可視化、仿真、支持多種格式的三維模型設(shè)計(jì)及分析軟件；InfraWorks是一款土木基礎(chǔ)設(shè)施初步設(shè)計(jì)軟件，支持關(guān)聯(lián)的BIM流程，設(shè)計(jì)師和土木工程師能在真實(shí)環(huán)境中規(guī)劃、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目[7-9]。

2.1 建模流程

由于西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段的施工模擬涉及構(gòu)件種類、數(shù)量繁多，結(jié)構(gòu)組合類型復(fù)雜，根據(jù)Revit的建模規(guī)則，將各類構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化創(chuàng)建，依次建立結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)框架、樓板、門、窗等族構(gòu)組。首先在Revit中選擇結(jié)構(gòu)模板，新建1個(gè)項(xiàng)目文件，以模板中的原始點(diǎn)位作為模型原點(diǎn)，完成軸網(wǎng)及標(biāo)高的創(chuàng)建，然后將創(chuàng)建的族文件導(dǎo)入項(xiàng)目，地鐵三維整體模型按照從下到上（標(biāo)高）、從小到大（軸網(wǎng)）的順序創(chuàng)建。

根據(jù)地鐵站的結(jié)構(gòu)特性，首先放置底板層柱和梁框架，然后創(chuàng)建底板層底板和頂板，最后創(chuàng)建墻體。中板及頂板的創(chuàng)建與底板相同。需要注意的是，創(chuàng)建模型時(shí)要預(yù)留樓梯、電梯井、出口的孔洞，以免增加后續(xù)的修改工作。最后，添加模型的室內(nèi)墻體、門、窗、電梯、樓梯，完成模型創(chuàng)建。

2.2 族的創(chuàng)建

BIM模型由代表不同構(gòu)件的族拼接而成，族一般分為常規(guī)構(gòu)件族和特定構(gòu)件族，可隨時(shí)調(diào)用修改參數(shù)，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。例如，對(duì)某一結(jié)構(gòu)柱的尺寸進(jìn)行參數(shù)化，在其他位置放置類似構(gòu)件時(shí)只需將其復(fù)制修改，族還可進(jìn)行相互參考嵌套，滿足復(fù)雜模型的需求，使項(xiàng)目參與者更加方便地管理模型構(gòu)件。結(jié)構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)梁的參數(shù)化示意見圖1、圖2。

2.3 BIM模型創(chuàng)建

結(jié)構(gòu)族參數(shù)化后，在同一視圖模式下導(dǎo)入項(xiàng)目文件進(jìn)行組合，準(zhǔn)確定位構(gòu)件位置，統(tǒng)一坐標(biāo)系。根據(jù)實(shí)際施工尺寸切分模型，并通過修正細(xì)節(jié)部位（如拼接處梁柱拼接[10]、墻體拼接等），完成地鐵車站區(qū)間整體BIM模型的創(chuàng)建（見圖3）。

圖1 結(jié)構(gòu)柱參數(shù)化示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)梁參數(shù)化示意圖

圖3 車站區(qū)間整體BIM模型

3 BIM技術(shù)應(yīng)用研究

結(jié)合西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和地鐵三維BIM模型，著重研究BIM技術(shù)在地鐵項(xiàng)目施工過程中的應(yīng)用。

3.1 綜合碰撞檢測(cè)

目前，機(jī)電管線各專業(yè)普遍存在設(shè)計(jì)階段配合不協(xié)調(diào)的問題，不能統(tǒng)籌合理安排各管線的空間布置，加上施工現(xiàn)場(chǎng)情況、專業(yè)技術(shù)、人員操作水平等因素的差異影響，設(shè)計(jì)圖紙不可避免存在很多局部錯(cuò)誤，導(dǎo)致施工返工、工期延期，工程質(zhì)量得不到保證[11]。

在Navisworks的Clash Detetive模塊中，快速查找模型中圖元之間的碰撞位置，詳細(xì)表述碰撞位置、類型、數(shù)量等信息，甚至直觀查看碰撞部位。在運(yùn)行控制中，主要選擇硬碰撞類型，硬碰撞是2個(gè)對(duì)象實(shí)際相交，也是實(shí)際項(xiàng)目中發(fā)生較多的碰撞。硬碰撞詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見圖4。

三維模型虛擬漫游可直觀顯示地鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)及建筑布置情況，找出碰撞檢測(cè)中難以發(fā)現(xiàn)的空間狹小和高度不足等情況，提高、改進(jìn)和完善整個(gè)BIM地鐵車站三維模型。地鐵車站模擬漫游見圖5。

應(yīng)用BIM技術(shù)調(diào)整管線綜合碰撞檢查結(jié)構(gòu)，提前優(yōu)化設(shè)計(jì)部分復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，能直觀可靠地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供具體的解決方式，加快施工進(jìn)度，提高施工生產(chǎn)安全性。在西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段中，由于部分電力管線改遷較困難，方案調(diào)整為電力管線懸吊保護(hù)（見圖6）。

3.2 4D施工模擬

圖4 硬碰撞詳細(xì)參數(shù)設(shè)置

圖5 地鐵車站模擬漫游

圖6 電力管線懸吊保護(hù)

在地鐵項(xiàng)目施工前，以視頻形式對(duì)施工過程進(jìn)行提前預(yù)演，詳細(xì)、全面了解施工過程，避免施工錯(cuò)誤，便于修正和調(diào)整，給工程帶來安全及質(zhì)量保證。作為重要的交通樞紐，地鐵車站項(xiàng)目投入成本高、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、人力物資消耗較大，按照施工進(jìn)度，利用Navisworks的Time Liner模塊，合理安排每個(gè)選擇集中圖元定義的施工時(shí)間、日期、任務(wù)類型及各構(gòu)件費(fèi)用等，根據(jù)每個(gè)虛擬工作任務(wù)，生成具有施工順序信息的4D模擬信息模塊[12]（見圖7）。

3.3 工程量統(tǒng)計(jì)

地鐵項(xiàng)目的施工成本管理依賴于從概預(yù)算到?jīng)Q算的全部建設(shè)過程，要采取主動(dòng)和被動(dòng)措施，降低各種風(fēng)險(xiǎn)帶來的不可控性，實(shí)施全過程成本管控。BIM技術(shù)的應(yīng)用能快速準(zhǔn)確提取建筑工程量，打破項(xiàng)目各參與方之間的信息隔閡，解決項(xiàng)目全生命周期的信息孤島問題，從根本上提高施工項(xiàng)目成本管理的水平[13]。

在Revit中完成地鐵車站區(qū)間基本構(gòu)造后，選擇工具欄中的視圖，找到操作按鈕明細(xì)表，打開明細(xì)表/數(shù)量，根據(jù)模型實(shí)際情況，在過濾器列表中選擇需要統(tǒng)計(jì)的類別，生成各個(gè)類型柱、樁和冠梁的明細(xì)表。各種類型樁明細(xì)見圖8。

圖7 4D模擬信息模塊

圖8 各種類型樁明細(xì)

3.4 龍門吊與群塔作業(yè)

龍門吊主要用于施工現(xiàn)場(chǎng)模板和物資裝卸作業(yè)，由于地面工作存在安全隱患，應(yīng)用BIM技術(shù)模擬龍門吊施工過程，可較好地避免事故發(fā)生。群塔作業(yè)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，塔機(jī)工作中高度相互影響，運(yùn)行時(shí)易碰撞，如果夜間操作，更容易發(fā)生事故[14-15]。

鑒于以上危險(xiǎn)隱患，研究基于BIM技術(shù)的群塔作業(yè)施工模擬方法，有效預(yù)防群塔施工可能發(fā)生的事故。根據(jù)塔吊施工方案，在Navisworks中采用塔吊構(gòu)件集合，創(chuàng)建塔吊模型的塔吊運(yùn)轉(zhuǎn)模擬動(dòng)畫，并載入4D工期動(dòng)畫。應(yīng)用Navisworks預(yù)覽所述4D工期動(dòng)畫和塔吊運(yùn)轉(zhuǎn)模擬動(dòng)畫，提前掌握塔吊碰撞情況，修正施工計(jì)劃。塔吊施工開始和結(jié)束狀態(tài)見圖9、圖10。

3.5 施工場(chǎng)地布置管理

施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置是對(duì)擬建項(xiàng)目施工場(chǎng)地的總體布置。按照施工方案和進(jìn)度要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)道路交通、材料倉庫、附屬企業(yè)、臨時(shí)房屋、臨時(shí)水電管線等作出合理規(guī)劃布置，從而正確處理全工地施工期間所需各項(xiàng)設(shè)施和永久建筑以及擬建工程之間的空間關(guān)系[16-17]。為合理布置建筑施工現(xiàn)場(chǎng)、保障工程項(xiàng)目質(zhì)量、提升施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化，可應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)地布置展示[18]。

圖9 塔吊開始狀態(tài)

圖10 塔吊結(jié)束狀態(tài)

根據(jù)秦漢大道站場(chǎng)地和周邊建筑物平面圖，在InfraWorks中模擬演示。首先，在BIGEMAP地圖下載器中選擇秦漢大道站附近地形的高程、衛(wèi)星圖及矢量路網(wǎng)，打開InfraWorks，導(dǎo)入并配置地圖數(shù)據(jù)，完成車站附近地形地貌的創(chuàng)建，在Revit依次完成地鐵項(xiàng)目部、鋼筋加工存放區(qū)和周轉(zhuǎn)料存放區(qū)三維模型的創(chuàng)建，通過fbx格式導(dǎo)入InfraWorks。最后，完成車站周圍其他建筑物的創(chuàng)建（見圖11—圖13）。

圖11 施工現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

圖12 施工現(xiàn)場(chǎng)排水溝綜合布置示意圖

圖13 施工現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)夤艿啦贾檬疽鈭D

3.6 模板腳手架設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)模板腳手架方案編制過程中需要投入大量人力，而借助BIM技術(shù)完成不同型號(hào)的模板、鋼管及扣件用量統(tǒng)計(jì)及優(yōu)化等功能，可解放人力資源。施工過程中根據(jù)施工進(jìn)度安排，結(jié)合模板、鋼管、扣件計(jì)算總量控制總材料進(jìn)場(chǎng)量，利用完善的三維模型對(duì)作業(yè)人員交底，提高操作人員對(duì)交底內(nèi)容直觀全面的認(rèn)識(shí)，減少現(xiàn)場(chǎng)返工所造成的工期及成本壓力[19]。BIM技術(shù)在模板腳手架施工中的應(yīng)用進(jìn)一步提升了項(xiàng)目精細(xì)化管理的水平，同時(shí)也在模板施工降本增效及助推綠色施工中取得良好效果[20]。標(biāo)準(zhǔn)斷面模板支撐體系見圖14。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)斷面模板支撐體系

4 結(jié)論

BIM技術(shù)深刻影響著地鐵工程領(lǐng)域施工生產(chǎn)水平。以西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段地鐵施工為實(shí)例，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙和專項(xiàng)施工方案，完成BIM模型創(chuàng)建，研究分析BIM技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的實(shí)際應(yīng)用，得到以下主要研究成果：

（1）BIM技術(shù)應(yīng)用提高了施工效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，很好地解決了工程工期和造價(jià)等問題，節(jié)約了生產(chǎn)成本，為傳統(tǒng)軌道交通行業(yè)注入鮮活生命力。

（2）研究得到基于Autodesk平臺(tái)地鐵施工過程的建模方式，建立形成一套族樣板供同類建筑重復(fù)利用。主要流程為：針對(duì)軟件中各種類型族的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，將地鐵車站區(qū)間建模各類構(gòu)件與設(shè)計(jì)圖紙結(jié)合，建立三維參數(shù)化模型，再通過搭接完成整體BIM模型構(gòu)建。

（3）BIM技術(shù)在西安地鐵9號(hào)線TJSG10標(biāo)段地鐵施工中的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)施工技術(shù)中的疑難點(diǎn)，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在地鐵工程施工中與實(shí)際結(jié)合應(yīng)用的可行性，能夠更好地服務(wù)于生產(chǎn)。