李海生 矯悅悅 孫 明 劉占省 徐駿青

(1.中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040； 2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

引言

北京市軌道交通昌平線南延工程，呈南北走向，北始西二旗站，南達薊門橋站，全線長12.6km，車站8座，換乘站5座。分別為：清河站、上清橋站、六道口站、西土城站、薊門橋站。

西土城站、學(xué)院橋站—西土城站區(qū)間及10號線西土城站改造為本工程的三個工點。分別采用四導(dǎo)洞PBA工法、礦山法、盾構(gòu)法、PBA工法、明挖法施工。

北京地鐵昌平線南延工程是服務(wù)于冬奧會的配套工程，在2022年冬奧會期間，主要負責(zé)疏解京張高鐵的客流，與9號線融會運營，是北京城南北向的主要客運路線，將串聯(lián)多條地鐵運營路線[1]。

1 項目重難點介紹

1.1 技術(shù)難度大

新工藝工法多，PBA暗挖、洞內(nèi)樁柱一體化施工、超長咬合樁、盾構(gòu)側(cè)始發(fā)、異型延伸鋼環(huán)、盾構(gòu)洞內(nèi)解體等，工法多且復(fù)雜。如在進行基礎(chǔ)樁柱施工時，采用樁柱一體的施工方法，在樁鋼筋籠和鋼管柱吊放完成后，同時進行樁身和鋼管柱內(nèi)的混凝土澆筑，而混凝土澆筑施工與質(zhì)量管控難度大，如圖1所示。在進行區(qū)間盾構(gòu)施工時，通過在區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井運輸盾構(gòu)機器并通過始發(fā)井導(dǎo)洞滑軌，將盾構(gòu)機運輸?shù)絽^(qū)間盾構(gòu)合理位置，與始發(fā)井導(dǎo)洞內(nèi)壁形成45度夾角，進行盾構(gòu)施工，而盾構(gòu)機在導(dǎo)洞內(nèi)部與導(dǎo)洞內(nèi)壁形成精準(zhǔn)夾角難度大，隨后盾構(gòu)機在完成盾構(gòu)任務(wù)，抵達目的地后，直接在完成的區(qū)間內(nèi)進行解體工藝，而盾構(gòu)機在安全完整地回到地面的解體運輸過程中難度較大。盾構(gòu)側(cè)始發(fā)工藝與洞內(nèi)解體工藝圖，如圖2所示。

圖1 樁柱一體化施工工藝

圖2 盾構(gòu)側(cè)始發(fā)工藝與洞內(nèi)解體工藝

1.2 改造體量大

10號線西土城車站規(guī)模小，未預(yù)留換乘條件，改造包括4個出入口、站臺層、站廳層樓梯扶梯及換乘通道開洞、設(shè)備用房及對應(yīng)管線改移等，涉及15個專業(yè)，包括建筑、結(jié)構(gòu)、裝修、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、動力照明、通信、ISCS、FAS、BAS、AFC、安檢、電梯、站臺門等，是北京改造量最大的車站之一。如圖3所示為車站改造詳解圖。

圖3 車站改造詳解

1.3 環(huán)境風(fēng)險高

環(huán)境問題嚴(yán)峻，在保證既有建筑管線不受影響的前提下，需要提高施工質(zhì)量，因此對施工精細度的要求非常高。

各管線排布錯綜復(fù)雜，改建管線與原管線距離非常近，車站下穿DN1500污水管(污水主管，上世紀(jì)50年代修建，距離拱頂僅2.5m)如圖4所示，對搶修新建的污水管進行建設(shè)時，極易對舊污水管產(chǎn)生影響。

圖4 D1500污水管與車站位置關(guān)系

區(qū)間段盾構(gòu)下穿既有10號線(拱頂距既有站底僅2m)如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間與既有車站位置關(guān)系

學(xué)西區(qū)間盾構(gòu)密貼下穿小月河橋橋樁。如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)密貼下穿橋樁

1.4 古建筑保護要求高

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)緊貼古建筑物(元朝城墻)，其對沉降敏感，保護要求極高。圖7為古建筑城墻遺址圖。

圖7 元大都(城墻)遺址實景圖

2 BIM應(yīng)用整體實施

2.1 BIM技術(shù)應(yīng)用指標(biāo)

(1)動態(tài)管理

選擇較為成熟的基于BIM的管理平臺，收集整理項目動態(tài)管理和信息。

(2)深化設(shè)計

利用BIM技術(shù)進行各專業(yè)深化設(shè)計及管線綜合。形成全專業(yè)的深化設(shè)計BIM模型，并進行綜合協(xié)調(diào)檢查，提高深化設(shè)計工作的質(zhì)量和效率，減少設(shè)計問題對施工的影響。

(3)方案模擬

利用BIM模型的可模擬性，對復(fù)雜施工技術(shù)方案、節(jié)點、施工工序進行模擬。進行可視化交底，提高施工技術(shù)、安全、質(zhì)量、進度管理能力。

(4)商務(wù)管理

將BIM模型與施工現(xiàn)場管理緊密結(jié)合，實現(xiàn)基于BIM的進度、成本、竣工交付管理，提高對各專業(yè)分包及獨立承包商的管理水平和現(xiàn)場協(xié)調(diào)能力。

(5)增強競爭力

以自有BIM團隊為主力，實現(xiàn)項目、集團公司兩級的BIM應(yīng)用能力持續(xù)增長，增強在施工領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用方面的競爭力。

2.2 BIM組織、實施標(biāo)準(zhǔn)及軟硬件配置

根據(jù)昌平地鐵南延線項目實際施工特點建立BIM團隊，團隊包括：BIM總負責(zé)人、土建BIM負責(zé)人、機電BIM負責(zé)人、分包BIM負責(zé)人、BIM協(xié)調(diào)工程師、項目BIM應(yīng)用小組。成員涉及眾多專業(yè)，如計算機、結(jié)構(gòu)工程、機電、環(huán)保、土建等專業(yè)。

為確保項目規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、精確化施工，本項目編制了BIM模型建模標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及成果交付標(biāo)準(zhǔn)，明確組織機構(gòu)、工作流程及培訓(xùn)機制。

在軟件配置方面，采用Revit、SketchUp、Rhino進行建模； Lumion、3DMax、Fuzor進行渲染； Ansys、Midas進行受力分析； Tekla進行鋼結(jié)構(gòu)模型深化。硬件配置方面，配有VR設(shè)備、繪圖儀、3D掃描儀等精密儀器。

3 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

本項目BIM應(yīng)用涉及4大領(lǐng)域，18個核心應(yīng)用點。BIM可視化技術(shù)領(lǐng)域包括：BIM模型搭建、可視化交底、4D施工模擬、臨時設(shè)施場地模擬、BIM族構(gòu)件庫、BIM可視化會議、項目管理平臺； 深化設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域包括：設(shè)計變更、管線碰撞與排布、深化出圖； BIM5D技術(shù)領(lǐng)域包括：信息錄入、5D成本管控、綠色安全文明施工； 新科技技術(shù)領(lǐng)域包括：VR展示、Fuzor平臺、BIM+三維掃描技術(shù)、AR技術(shù)應(yīng)用、二維碼掃描技術(shù)應(yīng)用、BIM監(jiān)測平臺[2]。

3.1 模型及族庫搭建

根據(jù)設(shè)計施工圖紙，利用建模軟件進行基礎(chǔ)模型建模，如圖8所示，清晰地展現(xiàn)了地鐵模型各個模塊，使現(xiàn)場施工人員可以更清晰地了解項目情況。

圖8 地鐵主結(jié)構(gòu)加通道模型

施工現(xiàn)場各專業(yè)的設(shè)施按照實際尺寸建立族庫，如圖9所示，合計152個，保證族庫的屬性與現(xiàn)場實際情況緊密結(jié)合，通過對市政道路、市政管線標(biāo)準(zhǔn)化族庫、施工現(xiàn)場族庫的整理，也充實了公司標(biāo)準(zhǔn)化族庫的積累，實現(xiàn)“一次建模、多次使用、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一”，為公司其他項目的市政建模、現(xiàn)場布置提供標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 BIM族庫模型

3.2 基于模型的深化設(shè)計

(1)圖紙檢查

BIM建模過程就是圖紙檢查的過程，可以直觀地發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的“錯、漏、碰、缺”等問題。

(2)圖紙問題報告

通過BIM模型與二維圖紙對照，形成圖紙問題報告，與傳統(tǒng)模式“二維圖紙+文字描述”相比更為直觀，提高溝通效率。

(3)設(shè)計變更評審與管理

提前發(fā)現(xiàn)圖紙問題及時反饋給設(shè)計，縮短簽證變更時間。

(4)基于BIM模型出施工圖

利用深化好的BIM模型出施工圖紙，創(chuàng)建包括圖框、標(biāo)注、圖例等在內(nèi)的族，同時創(chuàng)建平面圖、剖面圖、立面圖等視圖樣板文件，保證出圖的一致性和準(zhǔn)確性。

3.3 三維技術(shù)交底

基于BIM的三維技術(shù)和可視化交流，實現(xiàn)輔助圖紙會審、專家論證和三維技術(shù)交底，借助于BIM手段形成各個施工工序三維技術(shù)交底視頻文件，達到了現(xiàn)場管理人員和工人交底清晰，有效地避免施工過程中存在的安全、質(zhì)量隱患，減少施工錯誤的目的。

3.4 施工場地布置

運用BIM建模來模擬建筑施工場地與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，尺寸大小，以及結(jié)構(gòu)布局等其他相關(guān)信息，更加清晰、直觀地避免一些重復(fù)性操作，通過BIM技術(shù)使得項目在建設(shè)期更加便捷、直觀，以達到節(jié)省成本，節(jié)省時間的目的[3]。如圖10所示。

圖10 場地圍擋布置圖

3.5 輔助進度管理

利用建立好的BIM模型，與項目施工進度計劃相結(jié)合，并進行模型4D進度計劃展示，可以與實際進度做對比，及時調(diào)整進度計劃，優(yōu)化施工中遇到的進度問題[4]。如圖11所示。

圖11 施工進度管理圖

3.6 BIM輔助安全質(zhì)量管理

通過移動端實時在線記錄問題，解決傳統(tǒng)管理模式流程不規(guī)范、數(shù)據(jù)不留痕、責(zé)任歸屬不明確、決策無依據(jù)的問題，如圖12所示。針對責(zé)任區(qū)域通知相關(guān)施工員與整改分包班組，并形成檢查記錄。

圖12 移動端安全質(zhì)安管理展示

4 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 BIM技術(shù)輔助古遺址保護措施監(jiān)測

元大都遺址是元世祖至元四年(1267)以金代大寧宮為中心創(chuàng)建的。它緊鄰北三環(huán)，2006年被列為北京市級以及國家級重點文物保護單位。其三重城垣、前朝后市、左祖右社，有九經(jīng)九緯的街道和標(biāo)準(zhǔn)的縱街橫巷制的街網(wǎng)布局，在中國都城發(fā)展史上占有重要地位，對北京市文化歷史的探源與發(fā)展有重要意義。地鐵車站主體結(jié)構(gòu)緊貼古建筑物，因此在施工中對古遺址的保護工作是至關(guān)重要的。

本項目采用BIM+MIDAS的綜合模擬分析指導(dǎo)古文物的保護。通過實地采集數(shù)據(jù)進行古遺址模型的精準(zhǔn)建立，同時結(jié)合MIDAS應(yīng)用，對在地下工程各種施工環(huán)節(jié)下對古遺址的影響進行綜合性模擬分析[5]。如圖13、14所示。

圖13 三維“結(jié)構(gòu)”模型

圖14 三維“地層—結(jié)構(gòu)”模型

第一次：常規(guī)措施下模擬分析，最大沉降量為8.221 mm，不滿足古文物5 mm變形要求。

第二次：在古文物與結(jié)構(gòu)之間增加微型復(fù)合式錨桿樁，形成地下隔離墻，經(jīng)過模擬分析，最大沉降量為0.038 mm，滿足古文物保護要求。施工結(jié)束后，古文物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為0 mm，真正實現(xiàn)了“零”沉降。如圖15所示。

圖15 第一、二次施工模擬沉降云圖

4.2 BIM輔助異形延伸鋼環(huán)三維設(shè)計及仿真驗算

異形延伸鋼環(huán)為本項目自主研發(fā)的新型盾構(gòu)始發(fā)方式，為全國首例，尚無類似設(shè)計可供參考。異形延伸鋼環(huán)始發(fā)工況如圖16所示。

圖16 異形延伸鋼環(huán)始發(fā)工況

通過BIM技術(shù)進行模型搭建解決異形結(jié)構(gòu)銜接與功能需求問題，再結(jié)合“ZSOIL”有限元軟件對異形鋼環(huán)進行有限元仿真模擬分析，如圖17所示，確保在盾構(gòu)前進產(chǎn)生的頂推力下鋼環(huán)的變形、應(yīng)力滿足安全始發(fā)需求。該工法已通過專家分析論證，已進入實施階段。

圖17 有限元仿真分析

4.3 BIM輔助盾構(gòu)拆解優(yōu)化工序

利用BIM技術(shù)對盾構(gòu)拆解、機洞內(nèi)平移及轉(zhuǎn)體進行提前模擬，計算出最小轉(zhuǎn)體空間及轉(zhuǎn)體曲線曲率，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化拆解工序和步驟，節(jié)省時間提高效率[6]。如圖18所示。

根據(jù)地勘及現(xiàn)場補勘情況，模擬施工確定現(xiàn)場掘進速度及注漿參數(shù)，保證盾構(gòu)掘進施工質(zhì)量及進度。

4.4 BIM輔助多點多專業(yè)交叉作業(yè)

現(xiàn)場施工過程中面臨“三多一少”，即工種專業(yè)多，作業(yè)面多，受力轉(zhuǎn)換多，作業(yè)時間點少，施工管理難度大等問題。利用BIM5D協(xié)同管理技術(shù)，通過施工模擬，直觀反映改造施工情況，明確各專業(yè)的施工順序及作業(yè)時間點，提前安排好人員，機械設(shè)備與材料，確保各專業(yè)施工銜接的順利、安全、高效。如圖19所示。

利用BIM管理平臺，通過信息分析，協(xié)調(diào)各專業(yè)問題，提高各專業(yè)協(xié)調(diào)管理能力和信息溝通效率，進行任務(wù)派分，明確各專業(yè)的施工順序及作業(yè)時間點，提前籌劃人、材、機，確保施工銜接的順利、安全、高效[7]。

4.5 BIM輔助盾構(gòu)密貼下穿小月河橋安全措施優(yōu)化

本工程在盾構(gòu)經(jīng)過橋樁的時候大幾率會對橋樁產(chǎn)生形變影響，所以，事先利用BIM與ANSYS進行橋樁變化分析，如圖20所示，之后根據(jù)分析經(jīng)過，結(jié)合實際，對此進行預(yù)防措施[8]。

對盾構(gòu)密貼小月河橋樁工況下進行模型搭建，結(jié)合軟件分析小月河橋樁及橋梁的變形情況，評估現(xiàn)有措施能否滿足安全下穿要求。按照原樁基托換措施進行模擬，發(fā)現(xiàn)下穿過程中被托換樁由于未進行物理隔離，將施工振動傳遞到橋梁上部結(jié)構(gòu)，不滿足橋梁運營安全要求，如圖21所示。

圖21 未增加物理隔離措施與豎向沉降云圖

在現(xiàn)有樁基托換的基礎(chǔ)上，增加橋梁支頂措施后，再將被托換的樁截斷達到隔離效果，經(jīng)模擬分析，橋梁變形滿足運營安全要求，如圖22所示。

圖22 增加物理隔離措施與采取措施后豎向沉降云圖

4.6 BIM輔助智能化監(jiān)測平臺

由于建筑位置的特殊性，對古文物保護提出了硬性的要求，為控制施工對古建筑的影響，應(yīng)用BIM建立智能化監(jiān)測平臺[9]。

平臺主要包括云采集數(shù)據(jù)平臺和實時監(jiān)測可視化平臺兩部分。云采集平臺利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的思路，在古建筑關(guān)鍵位置布置無線傳感器，通過5G傳輸手段，與平臺建立鏈接，數(shù)據(jù)經(jīng)過基本處理后，在平臺上進行展示，管理者通過平臺對數(shù)據(jù)進行審核，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的基本采集。

圖23 云采集平臺

實時監(jiān)測可視化平臺以數(shù)據(jù)采集平臺為基礎(chǔ)，內(nèi)部嵌入人工智能機器學(xué)習(xí)算法，可以將數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)進行人工智能計算，自動生成預(yù)測結(jié)果。同時，平臺內(nèi)部存儲有BIM模型，以BIM模型作為一個可視化交互窗口，對古文物的風(fēng)險在BIM模型上進行標(biāo)識，通過平臺便可實時智能查看古文物遺址的風(fēng)險情況，從而實現(xiàn)了智能監(jiān)測、智能預(yù)警、智能保護的功能[6]。

圖24 三維實時監(jiān)測平臺

5 結(jié)論

本文依托大型地鐵昌平線南延工程，重點提煉出施工中遇到的古建筑保護要求高、改造體量大、技術(shù)難度大、環(huán)境風(fēng)險高等重難點問題。

針對重難點問題創(chuàng)新性地提出基于項目重難點的應(yīng)用方法。該方法包括六項具體舉措，主要包括：BIM+MIDAS的綜合模擬分析指導(dǎo)古文物的保護、BIM輔助異形延伸鋼環(huán)三維設(shè)計及仿真驗算、BIM輔助盾構(gòu)拆解優(yōu)化工序、BIM輔助多點多專業(yè)交叉作業(yè)、BIM輔助盾構(gòu)密貼下穿小月河橋樁安全措施優(yōu)化、BIM輔助智能化監(jiān)測平臺。

通過以上措施對重難點問題進行解決，同時在保證施工質(zhì)量安全的前提下，提高了施工效率，為BIM在大型地鐵施工以及古建筑保護方面的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。