基于BIM技術(shù)地鐵車站模型建立與應(yīng)用及明挖法施工方案優(yōu)化

邢　民　王述紅　侯文帥　蘇米亞

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽　110819)

基于BIM技術(shù)地鐵車站模型建立與應(yīng)用及明挖法施工方案優(yōu)化

邢民王述紅侯文帥蘇米亞

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽110819)

【摘要】城市地下軌道交通的迅速發(fā)展，特別是地鐵車站的建設(shè)過程中經(jīng)常遇到復(fù)雜地質(zhì)條件、眾多管線布置、周圍環(huán)境影響，導(dǎo)致車站施工過程難度艱巨，合理的施工方案對于車站的安全高效施工至關(guān)重要。本論文提出針對沈陽地鐵九號線沈蘇西路地鐵車站實際情況，依托BIM技術(shù)，利用軟件建立車站模型，結(jié)合工程設(shè)計優(yōu)選出的2個方案進(jìn)行仿真，考慮地質(zhì)條件及施工進(jìn)度和造價的影響，模擬分析車站明挖法施工工藝，得出“雙側(cè)面臺階法”方案更為合理，同時在此基礎(chǔ)上分析BIM技術(shù)為地鐵項目建設(shè)過程中帶來的優(yōu)勢。實例分析表明，BIM技術(shù)和雙側(cè)面臺階法在地鐵車站施工過程中有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】地鐵工程；明挖法；BIM技術(shù)；車站模型；應(yīng)用分析

【DOI】10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.07

建筑信息模型(Building Information Modeling)的概念思想來源于20世紀(jì)70年代的美國，Charles Eastman[1]、Jerry Laiserin[2]等都對其概念進(jìn)行了定義，它當(dāng)時作為一種全新的建筑信息設(shè)計理念和技術(shù)應(yīng)用，受到國內(nèi)外工程界與學(xué)者重視和研究。目前相對較完整的是美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)的定義“BIM 是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM 是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM綜合系統(tǒng)軟件中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作[3]。

近幾年BIM技術(shù)在中國建筑行業(yè)中的應(yīng)用程度迅速崛起，同時也起到了至關(guān)重要的作用。BIM系統(tǒng)的全過程應(yīng)用和運維管理成功應(yīng)用在深圳最大的商務(wù)綜合體“華潤深圳灣國際商業(yè)中心”，為其順利的施工建設(shè)保駕護航。在上海大虹橋商業(yè)圈首個住宅項目：“中建·錦繡天地商業(yè)綜合體項目”，全過程大量的應(yīng)用BIM技術(shù)，從建模、模擬分析、施工運維管理等多方面應(yīng)用保證整個項目的順利實施。天津地鐵紅旗南路站應(yīng)用BIM技術(shù)對管線綜合設(shè)計，有效的解決了設(shè)備和管線的協(xié)調(diào)問題，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，保障工程順利施工[4]。同時還有許多重要大型的項目也應(yīng)用BIM技術(shù)，如：武漢中心華中第一高樓，葉盛黃河公路大橋，浙江路橋的翻修，北京綠地中心工程，延安東路隧道大修工程等。隨著BIM在國內(nèi)應(yīng)用的廣泛，其成果效益也必將越來越多，促進(jìn)中國建筑行業(yè)的發(fā)展步伐[5]。

1BIM技術(shù)

Building Information Modeling旨在建筑全壽命周期信息化的綜合應(yīng)用，國家的十二五規(guī)劃明確建筑信息化發(fā)展是我國建筑業(yè)發(fā)展方向，提出推進(jìn)BIM協(xié)調(diào)工作等技術(shù)的應(yīng)用，普及三維建筑模型設(shè)計，進(jìn)行可視化和參數(shù)化設(shè)計，以提高工程建設(shè)設(shè)計的水平，降低工程耗資，實現(xiàn)多專業(yè)、多參與方、多模式的全過程集成運用。BIM模型作為一個信息的載體，將BIM模型進(jìn)行信息表達(dá)和交換的方式，減少項目過程階段信息的丟失，控制認(rèn)為錯誤，極大的提高了工作效率、技術(shù)和項目管理水平[6]。

目前上海市是BIM技術(shù)推廣和發(fā)展的最好城市，同時上海市也推出和實施地區(qū)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，成為BIM技術(shù)在國內(nèi)工程領(lǐng)域的發(fā)展和推廣的探路者，并取得了較大的成果和效益。通過近年的專家和學(xué)者研究，人們也逐步的認(rèn)識到：

(1)BIM不僅僅是涉及在設(shè)計過程應(yīng)用中，它是應(yīng)用于建筑的全壽命周期中，包括項目的決策分析論證、招標(biāo)階段、規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營維護階段。

(2)BIM技術(shù)可以為建設(shè)工程中的各個參與方提供一個高效協(xié)同的工作平臺，減少各個參與方的工作在不同階段的不協(xié)同而造成的損失，通過一個高效的協(xié)同平臺，加快的工程建設(shè)進(jìn)度和提高工程建設(shè)質(zhì)量，為工程建設(shè)服務(wù)和增值。

(3)BIM技術(shù)在項目中通過模型作為信息的載體，BIM模型的信息是實時動態(tài)的，建設(shè)過程中在模型中可不斷的更新、提取、豐富模型信息。

(4)在BIM模型中，通過各個參建方的相互協(xié)調(diào)與交互更新，優(yōu)化和完成整個BIM模型，同時利用模型自動輸出項目的建筑和施工圖紙。

(5)BIM模型在設(shè)計中可以通過各個軟件間的無縫連接轉(zhuǎn)換，可以模擬工程項目在不同階段的過程分析[7]。BIM模型中可以給管理者提供信息查詢、修改和調(diào)用，同步實時更新系統(tǒng)的信息，更好的對設(shè)備和結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護。通過BIM技術(shù)掌握地鐵車站內(nèi)部各種設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)的綜合信息，模擬一些可能產(chǎn)生應(yīng)急措施，對車站實時監(jiān)控，動態(tài)管理[8]。但是目前應(yīng)用不是特別廣泛，主要是BIM推廣模式仍有問題、企業(yè)不支持、BIM軟件之間不兼容、軟件前期使用耗時長、初期投入成本高，BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)缺乏是阻礙建筑業(yè)BIM使用的主要因素[9-10]。

2BIM技術(shù)應(yīng)用于地鐵車站2.1工程概況

沈蘇西路車站的位置處在渾河站街與渾南西路交叉的路口西側(cè)，該車站的東北角是一處7層的住宅，車站的西北角是一220KV高壓鐵塔，車站上方橫跨了兩條高壓線電纜，西南角為原四十五中學(xué)，東南角為低矮民房，四十五中學(xué)與低矮民房現(xiàn)均已拆除。沈蘇西路車站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層三跨的箱型框架結(jié)構(gòu)，站臺形式為島式站臺，站臺寬度12m，車站主體結(jié)構(gòu)總長度為187.55m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.5m，結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度約3.2m，底板埋深約16.8～18.3m。主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，基坑圍護采用Φ800@1200鉆孔灌注樁加鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。沈蘇西路車站明挖施工的現(xiàn)場如圖1所示。

圖1　明挖車站現(xiàn)場圖

2.2BIM建模分析

近幾年，國內(nèi)有些城市建成了一些大型地下空間，但是在人性化設(shè)計、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計、人防設(shè)計、節(jié)能和環(huán)保方面存在較多不合理的現(xiàn)象[11]。但是由于BIM技術(shù)獨有的特點，在建筑領(lǐng)域受到熱切的關(guān)注，它是解決傳統(tǒng)地下大型空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工建造等諸多不足方面的必然選擇[12]。

本次BIM建模采用Autodesk公司的Revit軟件進(jìn)行地鐵車站的三維建模，Revit軟件可以完美的建立建筑物三維模型，并且對結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、信息和參數(shù)都可以自由設(shè)定，與CAD和其他Autodesk公司的BIM軟件可以自由導(dǎo)入。目前BIM技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用在建筑工程中較多，但是在軌道交通中卻比較少，所以對于地鐵車站，BIM模型較為復(fù)雜，模型難度較大，分析過程更為復(fù)雜，為項目的建造提出一個更大的挑戰(zhàn)。地鐵車站三維模型如圖2所示。

圖2　地鐵車站三維模型

通過三維地鐵車站建模可以充分的預(yù)先了解地鐵內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和構(gòu)件布置安排，對方案調(diào)整，施工布局與優(yōu)化有重要的意義。

2.3車站虛擬漫游

地鐵車站是一個重要的交通樞紐，它的建設(shè)投入成本高，時間長，人力物資較大，通過BIM技術(shù)虛擬建造與漫游，可以模擬施工，預(yù)測施工中可能出現(xiàn)的問題和需要的方案，提前布置與準(zhǔn)備，為現(xiàn)場施工和設(shè)計服務(wù)與增值。

在新建的地鐵三維模型中進(jìn)行虛擬漫游，可以直觀顯示地鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建筑布置情況，可以發(fā)現(xiàn)在BIM技術(shù)碰撞檢測中難以發(fā)現(xiàn)的空間狹小和高度不足等設(shè)計情況，提高改進(jìn)和完善整個BIM地鐵車站三維模型。地鐵車站模擬漫游如圖3所示。

圖3　地鐵車站模擬漫游

3明挖車站方案優(yōu)化

3.1基坑模型分析

通過建立地鐵車站三維Revit模型，將模型文件導(dǎo)入Autodesk公司中的Navisworks軟件中進(jìn)行虛擬5D施工建造。利用Navisworks軟件中提供的TimeLiner模塊根據(jù)施工進(jìn)度安排每一個選擇集中圖元定義的施工時間、日期、任務(wù)類型及各個構(gòu)件費用等，根據(jù)每一個虛擬工作任務(wù)，按照現(xiàn)場實際施工工序，生成一個具有施工順序信息的的5D信息模塊。同時Navisworks中提供的動畫展示工具根據(jù)施工時間、順序及施工過程生成5D施工模擬動畫。在本次工作中，根據(jù)各個工序的完成時間和所需費用，完成本方法的虛擬開挖建造，同時與傳統(tǒng)基坑開挖方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析。如圖4和圖5所示。

圖4　基坑開挖虛擬建造模型

圖5　基坑開挖虛擬建造工作任務(wù)

通過對基坑土石方開挖模型的4D虛擬施工分析，改變傳統(tǒng)的基坑開挖和支護模式。基于施工對比分析，發(fā)現(xiàn)在同等的施工條件下，新方法雙側(cè)面臺階法可以提高土方一次開挖量，節(jié)省初期施工時間，加快整體基坑施工的速度。

3.2雙側(cè)面臺階法

本次虛擬施工建造只針對于地鐵明挖車站的土方基坑及支護工程，通過虛擬技術(shù)模擬施工建造，發(fā)現(xiàn)問題，通過討論論證提出一種新的明挖車站基坑的施工方法，即雙側(cè)面臺階法。

雙側(cè)面臺階施工法就是土方開挖時，在中間進(jìn)行拉槽開挖，而兩側(cè)進(jìn)行臺階開挖，與傳統(tǒng)的拉槽開挖有不同之處。在施工過程中，隨著邊坡的開挖，破壞越來越嚴(yán)重，破壞區(qū)域越來越大，對工程的影響越來越大[13]。其方法施工過程如下：

(1)車站基坑上土方拉槽開挖豎向挖掘機每次開挖深度將近2m，臺階高度宜控制在1.5m-2m左右。側(cè)壁和底部嚴(yán)禁超挖，開挖過程中按照分層分皮對稱開挖的原則[14]。

(2)第一層的土方開挖至預(yù)先安裝第一道鋼支撐位置下0.5m處，需沿著基坑的縱向拉槽進(jìn)行開挖，槽兩側(cè)頂需各留3m寬左右的工作平臺，為后續(xù)網(wǎng)噴和第一道鋼支撐施工提供工作平臺。

(3)雙側(cè)臺階頂部可根據(jù)鋼支撐的位置進(jìn)行調(diào)整，有利于樁間噴射混凝土的施工進(jìn)行，又可利用此平臺及時進(jìn)行鋼支撐安裝，可以確保在鋼支撐施工不影響土方開挖施工，以整體加快了總施工進(jìn)度。

(4)由于兩側(cè)有土方，可以有效的減小基坑兩側(cè)蠕變的速度。每層間保證平臺預(yù)留土與基坑拉槽開挖保持同步進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，直到開挖至距離基底標(biāo)高20cm-30cm時，需人工進(jìn)行開挖至標(biāo)高位置，保證基底土的穩(wěn)定性。

3.3方法優(yōu)化意義

雙側(cè)面臺階法是直接在基坑兩側(cè)一次開挖成臺階形式。這樣可以增加一次開挖分層厚度，提高初次土方的開挖量，減少后續(xù)因鋼支撐而增加土方挖掘和運輸?shù)碾y度，同時改方法也可以減少兩側(cè)土方拉槽開挖的側(cè)壓力，有效的防止臺階土塌方的發(fā)生。針對沈陽地區(qū)砂土層有良好的效果，每級臺階上部為后續(xù)網(wǎng)噴和道鋼支撐施工提供工作平臺，加快施工速度。雙側(cè)面臺階法示意圖如圖6所示。

圖6　雙側(cè)面臺階法示意圖

該方法主要適用于寬度較大的深基坑開挖形式的應(yīng)用，對比與當(dāng)下的基坑開挖施工方法，本方法雖然在施工技術(shù)上有一定的要求，但是可以為項目施工帶來又安全又高速的施工方法。

4結(jié)語

目前BIM在國內(nèi)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用是一個新技術(shù)，經(jīng)過大量工程實際的檢驗已經(jīng)證實BIM技術(shù)在工程中的價值，不僅可以節(jié)約工程造價，加快工程施工進(jìn)度，也為工程維護和管理提出新的技術(shù)和手段。

(1)地鐵是國內(nèi)各大城市都有修建并非常耗資的工程，通過BIM建模手段更加有效的組織和管理地鐵工程的建設(shè)和維護，通過虛擬漫游檢查工程中可能出現(xiàn)的問題。

(2)運用BIM手段進(jìn)行了車站明挖法的方案優(yōu)化，提供了一個新的地鐵明挖車站的施工方法“雙側(cè)面臺階法”，為后續(xù)的工程施工提供建議和參考。

(3)同時分析BIM在地鐵中的優(yōu)勢與潛力，鼓舞BIM的普及與應(yīng)用，更好的為建設(shè)工程服務(wù)于增值。

在后續(xù)發(fā)展中，BIM可以與多種高端信息技術(shù)進(jìn)行融合，減少工程繁瑣程序和過程，如：BIM技術(shù)結(jié)合地理信息系統(tǒng)和地下利用資源數(shù)據(jù)庫，通過BIM實時掌握地下建筑結(jié)構(gòu)和管線的分布情況，地層結(jié)構(gòu)信息等，為地下軌道交通的選線、設(shè)計和施工提供幫助等。同時利用BIM軟件之間無縫鏈接，加強之間簡易互通，大力培養(yǎng)BIM人才，加強BIM管理體系，為企業(yè)，為社會創(chuàng)造更多的價值。

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Establishment and Application of Metro Station Model based on BIM Technology and Optimization of Construction Scheme of Open Cut Method

Xing Min，Wang Shuhong，Hou Wenshuai，AlSurmi

(CollegeofResourceandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

Abstract:The rapid development of urban underground rail traffic,especially such problems as complex geological conditions,too many pipeline layout and the impact of the surrounding environment emerging in subway station construction process,often lead to the difficulty in station construction.Therefore,reasonable construction scheme is critical for the efficient construction safety of the station.In this article,according to the actual situation of Shenyang Metro Line 9 Shen Su Xi Lu metro station,a station model is established by using BIM technology.Based on simulation of two selected plans and in consideration of geological conditions,the construction schedule and cost,the article simulates and analyzes station open cut construction process and concludes that “bi-lateral step method” is more reasonable.At the same time,the article analyzes the advantages of BIM technology in Metro construction.The case study shows that the BIM technology and the bilateral step method have broad application prospects in the construction process of subway station.

Key Words：Subway Project; Open Cut Method; BIM Technology; Station Model; Application Analysis

【基金項目】國家自然科學(xué)基金“節(jié)理巖體巖橋貫通準(zhǔn)則研究及塊體穩(wěn)定性分析”(編號：51474050)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室“節(jié)理巖體宏細(xì)觀數(shù)值表征及其力學(xué)特性尺寸效應(yīng)研究”(編號：SKLGP2014K011)

【作者簡介】邢民(1989-)，男，在讀碩士研究生。主要研究方向：信息技術(shù)在地下巖土工程中的應(yīng)用。

【中圖分類號】U231.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)03-0039-05