朱軍，楊云飛，谷雨，周東波

（1.中鐵七局第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

1 引言

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51235-2017）將BIM（建筑信息模型）定義為：在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱[2]。21世紀(jì)以來，隨著計算機(jī)軟硬件水平的迅速發(fā)展以及對建筑生命周期的深入理解，推動了BIM技術(shù)的不斷前進(jìn)，眾多學(xué)者開展了BIM相關(guān)研究，國內(nèi)外一些軟件開發(fā)商如廣聯(lián)達(dá)、魯班、Autodesk等在相繼研發(fā)BIM平臺，利用BIM平臺實(shí)現(xiàn)進(jìn)度模擬和5D成本分析，完成隧道設(shè)計施工一體化管理、隧道養(yǎng)護(hù)信息化管理[3]；同時也有一些相關(guān)研究，張多采用BIM+GIS技術(shù)的工程機(jī)械管控平臺對工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理，對工程機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面的可視化管理，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及時有效地對現(xiàn)場機(jī)械進(jìn)行指導(dǎo)[4]；呂?？葘IM集成在Pyrosim軟件，實(shí)現(xiàn)了基于BIM的火災(zāi)模擬，得到了火災(zāi)模擬信息和以及關(guān)鍵位置的可用安全疏散時間，建立了一套基于BIM的地鐵車站火災(zāi)模擬仿真方法[5]；毛徽采用主流虛擬交互式引擎Unity整合、描述并展示橋梁結(jié)構(gòu)施工全過程的BIM信息，完成個性化的高互動性大跨徑橋梁施工模擬方案[6]；孫秋榮結(jié)合BIM技術(shù)對鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段模擬與變形檢測，得出了監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目施工階段做出安全的保障[7]；吳思承將BIM與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合在橋梁鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測中，便于檢驗(yàn)和控制施工質(zhì)量，并通過三維激光掃描技術(shù)對現(xiàn)場單根構(gòu)件掃描后進(jìn)行預(yù)拼裝，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工[8]；馬杭州運(yùn)用BIM技術(shù)與Midas、Ansys有限元分析軟件對曲線梁橋懸澆、轉(zhuǎn)體、全過程受力和變形進(jìn)行仿真計算，研究了橋梁受力與結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性問題，提出轉(zhuǎn)體施工控制指標(biāo)[9]；任璐實(shí)現(xiàn)了BIM的核心建模軟件Revit與結(jié)構(gòu)計算軟件Autodesk Robot Structural Analysis的無縫對接，通過與結(jié)構(gòu)計算軟件Robot的數(shù)據(jù)交互，計算了結(jié)構(gòu)在施工階段的安全性[10]。我國的BIM行業(yè)起步較晚，在研究與應(yīng)用方面存在一些局限，需要在規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理等方面展開更深入的研究。

2 地鐵施工過程輔助管理平臺特點(diǎn)及功能

地鐵施工過程輔助管理平臺基于全生命周期管理的理念，根據(jù)設(shè)計單位、勘查單位、建設(shè)單位和施工單位的工作進(jìn)展，從工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工及運(yùn)營的全過程進(jìn)行信息的管理與合成。例如在規(guī)劃階段主要進(jìn)行地鐵整體方案的規(guī)劃與優(yōu)選；設(shè)計階段進(jìn)行設(shè)計的預(yù)演，發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段存在的不合理的地方，及早排除隱患；施工階段進(jìn)行施工模型，從安全性、穩(wěn)定性和耐久性角度進(jìn)行分析；運(yùn)營階段將設(shè)計規(guī)劃與實(shí)際狀況進(jìn)行對比，及時發(fā)現(xiàn)并反饋設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)，為日后地鐵工程的優(yōu)化設(shè)計積累經(jīng)驗(yàn)。

圖1為地鐵施工全過程信息架構(gòu)圖。從初始的規(guī)劃、設(shè)計到地鐵項(xiàng)目的施工和運(yùn)行直至整個工程壽命終結(jié)為止，從項(xiàng)目概念圖到項(xiàng)目的最終落成各個階段的信息交互，包括了大量的工程數(shù)據(jù)與信息。地鐵施工過程輔助管理模式就是對這些不同的信息進(jìn)行歸類，并發(fā)布于共用信息平臺，方便各個單位查詢自己所需信息，減少了各個單位之間的溝通不及時帶來的信息壁壘，推動地鐵工程不斷發(fā)展，走向成熟。

圖1 地鐵施工全過程信息架構(gòu)圖

3 BIM設(shè)計流程架構(gòu)

圖2為地鐵施工過程中，應(yīng)用BIM理念進(jìn)行設(shè)計的流程。BIM需要多種信息的交融，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的集成應(yīng)用，同時也需要多個軟件的配合達(dá)到協(xié)同工作的目的，文章從模型建立、模型信息、模型深化和模型管理等角度建立BIM模型設(shè)計的流程，分析BIM的綜合應(yīng)用。

3.1 模型建立和模型信息

傳統(tǒng)的二維圖紙，空間描述性不足，在設(shè)計初期常發(fā)生無法預(yù)期的空間沖突，造成工期的延長及人力金錢成本的增加。采用BIM技術(shù)建立3D模型，按照預(yù)定的施工計劃可將地鐵施工狀況在計算機(jī)中進(jìn)行仿真，找出地鐵施工中可能存在的空間設(shè)計及時間沖突，及早的進(jìn)行施工計劃的調(diào)整，提前發(fā)現(xiàn)沖突并進(jìn)行排除。首先根據(jù)CAD，使用Revit軟件建立3D立體模型，其不僅僅只是簡單的模型轉(zhuǎn)化，所建立的3D模型包含材料購置廠家信息、材料的名稱、模型的規(guī)格與尺寸等相關(guān)屬性信息，尤其是對于盾構(gòu)隧道的建模，一般綿延數(shù)公里，傳統(tǒng)的建模手段要花費(fèi)大量的時間和精力進(jìn)行模型的構(gòu)建，利用Dynamo軟件其內(nèi)置的Python語言搭配Revit族構(gòu)建可以方便快捷的進(jìn)行隧道模型的參數(shù)化處理，極大提高工作效率。

3.2 模型深化

根據(jù)需要把建立的模型轉(zhuǎn)化為所需其他格式進(jìn)行深度利用，如把模型轉(zhuǎn)化為Nwc格式，用Navisworks軟件進(jìn)行進(jìn)度模擬，進(jìn)行碰撞檢查，這些過程都有助于發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計中存在的不合理現(xiàn)象，可以做到及時反饋，優(yōu)化設(shè)計的目的；對于進(jìn)度模擬過程能夠反映當(dāng)前施工進(jìn)度，可以根據(jù)施工進(jìn)度及時進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)進(jìn)度款支付額等進(jìn)行成本控制；利用3D Max軟件進(jìn)行關(guān)鍵工序的演示，可以系統(tǒng)、詳細(xì)、直觀、形象的表達(dá)建筑施工工藝的各個細(xì)節(jié)、施工流程、工藝流程和運(yùn)作原理，直觀地表現(xiàn)復(fù)雜的施工過程。保證關(guān)鍵工序施工質(zhì)量，加深施工人員對于工程的理解。

圖2 BIM設(shè)計流程架構(gòu)圖

3.3 多維管理

由于地鐵隧洞埋于地下，其地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，僅僅依靠鉆探孔揭露的地質(zhì)特點(diǎn)不夠全面，在施工過程中存在一定的盲目性，依靠文字和簡單的二維圖形對圍巖的描述性不足，且缺少可讀性，采用BIM技術(shù)根據(jù)勘查設(shè)計資料建立地質(zhì)模型并渲染，搭配3D打印技術(shù)模擬實(shí)際盾構(gòu)場景，提高整個項(xiàng)目部人員對工程的理解；利用Fuzor、Lumion軟件進(jìn)行場地布置設(shè)計，對于建立的周邊環(huán)境模型進(jìn)行實(shí)景漫游，協(xié)助規(guī)劃盾構(gòu)機(jī)及大型設(shè)備進(jìn)場方案。搭配無人機(jī)監(jiān)控視角靈活、實(shí)時追蹤的特點(diǎn)，可以進(jìn)場拍攝協(xié)助減少在設(shè)計過程中和施工階段場地布置不合理的情形，節(jié)省人力，降低了管理過程中存在的安全風(fēng)險。

3.4 其他拓展

圖3 BIM技術(shù)應(yīng)用展示

根據(jù)需要，把建立的模型轉(zhuǎn)化為GIES格式，導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行施工步驟的分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，全面分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層損失及地表沉降特性。在此基礎(chǔ)上，探索盾構(gòu)直徑、地質(zhì)環(huán)境和盾構(gòu)施工擾動范圍之間的關(guān)系，為盾構(gòu)施工中的環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)。圖3為在設(shè)計流程過程中各階段利用BIM技術(shù)所做的工作展示。

4 現(xiàn)階段BIM應(yīng)用存在的局限性

大多數(shù)BIM技術(shù)的應(yīng)用都是在項(xiàng)目設(shè)計階段的后期，BIM技術(shù)在建模過程中一般先經(jīng)過二維CAD圖紙進(jìn)行建模，無法直接實(shí)現(xiàn)模型正向建立的過程，更多的是以輔助功能出現(xiàn)，常以二維圖紙為主，根據(jù)圖紙建立模型，模型主要用于可視化和專業(yè)協(xié)調(diào)，對于工程設(shè)計中的效果有限。在建立了模型之后，對模型的后續(xù)利用不到位，流于表面的展示，沒有真正的做到指導(dǎo)施工。

現(xiàn)階段大部分的地鐵項(xiàng)目的BIM研究僅僅是對單個方面進(jìn)行設(shè)計，缺乏通用的管理平臺，信息交流存在盲區(qū)，需要一個通用的云平臺，整合所有的應(yīng)用信息，把整個地鐵項(xiàng)目的所有參與方參與進(jìn)來，上傳數(shù)據(jù)，方便各方的調(diào)取。

5 結(jié)語

我國BIM的應(yīng)用雖然起步較晚，但隨著政府的大力倡導(dǎo)和企業(yè)的自我BIM意識增強(qiáng)，發(fā)展迅速。信息化、可視化、協(xié)同化及可出圖化是地鐵工程設(shè)計、施工和管理發(fā)展的趨勢，更需要一個綜合的管理平臺實(shí)現(xiàn)信息交互。BIM概念及技術(shù)的出現(xiàn)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為這種發(fā)展模式的出現(xiàn)提供了途徑和可能，實(shí)現(xiàn)更高水平的地鐵施工管理水平。文章從現(xiàn)階段BIM技術(shù)的研究背景出發(fā)，提出了建立基于地鐵施工過程輔助管理平臺的理論思路和基本的技術(shù)路線，從規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)行多角度研究BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用，希望推動地鐵工程的發(fā)展更加成熟。