BIM技術(shù)在城市軌道交通工程施工管理中的應(yīng)用與研究

吳守榮，李 琪，孫槐園，王軍戰(zhàn)

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590；2.上海三凱建設(shè)管理咨詢有限公司，上海 200093)

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BIM技術(shù)在城市軌道交通工程施工管理中的應(yīng)用與研究

吳守榮1，李 琪1，孫槐園2，王軍戰(zhàn)2

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590；2.上海三凱建設(shè)管理咨詢有限公司，上海 200093)

為推進(jìn)BIM技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用，結(jié)合上海軌道交通9號(hào)線三期(東延伸)金海路站項(xiàng)目，運(yùn)用BIM技術(shù)建立三維可視化施工模型，從控制施工風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度、安全、質(zhì)量和施工全過(guò)程5D虛擬建造等5個(gè)應(yīng)用方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。實(shí)踐表明，BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)施工管理的精細(xì)化、信息化，在城市軌道交通以及城市地下空間建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。

城市軌道交通；BIM；施工管理；虛擬建造

城市軌道交通工程是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的市政基礎(chǔ)設(shè)施,其質(zhì)量、安全和工期狀況不僅涉及市民的切身利益，而且會(huì)影響到政府的公信力和城市形象。城市軌道交通工程的社會(huì)關(guān)注度高，所以對(duì)工程施工的要求越來(lái)越高，因此需要在更短的時(shí)間內(nèi)，優(yōu)質(zhì)、安全、科學(xué)地完成城市軌道工程項(xiàng)目的施工任務(wù)。面對(duì)如此繁重的施工任務(wù)和復(fù)雜的條件以及嚴(yán)格的要求，基于傳統(tǒng)的建設(shè)工程的表現(xiàn)形式和管理方式已難以滿足城市軌道交通施工管理的需要[1]。

BIM技術(shù)[2-5]是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過(guò)參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為參建各方提供協(xié)同工作的平臺(tái)，在提高生產(chǎn)效率、建筑質(zhì)量、節(jié)約成本和縮短工期方面有明顯效果。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)[6，7]。BIM技術(shù)在城市軌道交通以及城市地下空間工程領(lǐng)域還處于起步階段，基于上海軌道交通9號(hào)線三期(東延伸)金海路站項(xiàng)目進(jìn)行BIM施工管理應(yīng)用與研究，意在推動(dòng)BIM技術(shù)在城市軌道交通工程以及城市地下空間工程領(lǐng)域的發(fā)展。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

金海路站主體結(jié)構(gòu)位于金海路南側(cè)，與既有12號(hào)線成T字換乘。車站外包總長(zhǎng)為208.78 m，其中東側(cè)基坑長(zhǎng)度為58.14 m，西側(cè)基坑長(zhǎng)度為91.24 m。車站為雙柱三跨兩層地下車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，站臺(tái)寬度為12.06 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)高度為16.364 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度17.866～18.253 m，頂板覆土厚度1.395～2.10 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為17.938～18.253 m。工程重難點(diǎn)如下。

1.1 高壓線下方成槽及加固施工安全風(fēng)險(xiǎn)大

根據(jù)已有資料，位于金海路南側(cè)、施工現(xiàn)場(chǎng)北側(cè)的高壓線為220 kV，高度約為40 m，施工安全距離為6 m。金海路站主體及1號(hào)和4號(hào)出口均位于高壓線正下方。金海路站地墻施工將受到影響，影響的地墻共為28幅。

1.2 施工中對(duì)12號(hào)線成型地鐵車站的保護(hù)

9號(hào)線金海路站在施工期間，12號(hào)線處于營(yíng)運(yùn)中，地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由地鐵營(yíng)運(yùn)公司負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)。在施工中如何確保12號(hào)線不出現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警值，出現(xiàn)報(bào)警值后如何采取措施是本工程順利施工的重點(diǎn)之一。

1.3 與12號(hào)線車站結(jié)構(gòu)連接的施工措施

在金海路站施工中，9號(hào)線的樓板和梁等結(jié)構(gòu)都會(huì)與12號(hào)線金海路站連接，如何保證連接處結(jié)構(gòu)及防水的可靠性，為本工程的難點(diǎn)之一。另外地墻鑿除至12號(hào)線底板底，將造成12號(hào)線底板下側(cè)土體裸露。在承壓水作用下12號(hào)線下側(cè)水土?xí)咳牖樱瑯?gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 控制施工降水對(duì)12號(hào)線的影響

由于本工程⑧層黏土層缺失，⑦、⑨層承壓水層直接相連，因此基坑有一定突涌風(fēng)險(xiǎn)。降壓井長(zhǎng)度為42 m，濾頭長(zhǎng)度為10 m，其中5.5 m位于⑦1-1層，4.5 m位于⑦1-2層。由于降壓井濾頭在地下連續(xù)墻墻趾下方，構(gòu)成了敞開式抽水，對(duì)12號(hào)線影響較為不利。因此本工程降水遇到矛盾，⑦1-1層出水量較小，不能滿足基坑施工降低承壓水水頭要求，⑦1-2層出水量較大，單抽水同時(shí)也對(duì)周邊影響較大。土層地質(zhì)條件如圖1所示。

圖1 施工BIM模型工程地質(zhì)條件

2 建立BIM施工模型

2.1 軟件平臺(tái)選擇[8-10]

實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的核心是軟件平臺(tái)[11]，經(jīng)眾多BIM軟件分析比對(duì)后選擇Autodesk Revit軟件建立BIM施工模型，并采用Autodesk Navisworks軟件對(duì)BIM模型進(jìn)行施工全過(guò)程綜合應(yīng)用。

2.2 BIM施工模型建立的總體思路

在工程施工準(zhǔn)備階段，根據(jù)招投標(biāo)文件信息進(jìn)行項(xiàng)目分解并建立BIM模型構(gòu)架，其中包括：建立結(jié)構(gòu)樹、制定標(biāo)準(zhǔn)和確定命名規(guī)則。之后根據(jù)工程勘察文件、2D設(shè)計(jì)圖紙以及施工組織設(shè)計(jì)文件的信息建立三維BIM模型，包括：建立參數(shù)、信息附加和整體建模。且在施工過(guò)程中不斷更新并完善該模型。綜上，BIM施工模型建立的總體思路如圖2所示。

圖2 BIM施工模型建立的總體思路

3 BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用

3.1 BIM模型三維可視化

可視化三維模型可以直觀清楚地表達(dá)出任意構(gòu)件的幾何特征和空間位置，讓施工技術(shù)人員更好地理解設(shè)計(jì)意圖，節(jié)省識(shí)圖時(shí)間，更好地輔助施工。三維模型包含工程的所有數(shù)據(jù)信息，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)與模型的實(shí)時(shí)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)施工中的錯(cuò)誤以及預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)而不斷優(yōu)化施工。三維可視化BIM模型如圖3所示。

圖3 BIM模型三維可視化

3.2 碰撞檢測(cè)(圖4)

傳統(tǒng)的施工圖由于設(shè)計(jì)的原因，并未在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行整合檢查，因此在實(shí)際施工過(guò)程中就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)碰撞和空間過(guò)緊等問(wèn)題[12]。本工程利用Navisworks軟件的碰撞檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與暖通、機(jī)電安裝以及設(shè)備等不同專業(yè)之間的碰撞共150處。利用BIM軟件平臺(tái)碰撞檢測(cè)功能，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)圖紙問(wèn)題，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行變更，避免了后期因圖紙問(wèn)題帶來(lái)的停工以及返工，提高了項(xiàng)目管理效率，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)施工管理打下了基礎(chǔ)。

圖4 碰撞檢測(cè)

3.3 解決降水難題，控制施工風(fēng)險(xiǎn)

為了評(píng)估降水對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響，采用三維有限元地下水滲流軟件進(jìn)行計(jì)算。利用Revit軟件平臺(tái)良好的兼容性，將BIM模型導(dǎo)入第三方有限元軟件MODFLOW(模塊化三維有限差分地下水流動(dòng)模型)，對(duì)降水對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行模擬，避免了重復(fù)建模。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 基坑降水周邊沉降等值線

圖6 BIM模型中的MJS工法樁

為解決施工難題，控制施工風(fēng)險(xiǎn)，基坑西側(cè)采用MJS工法對(duì)地下連續(xù)墻進(jìn)行加深，東側(cè)基坑換乘段部位采用MJS工法加深，北側(cè)采用地下連續(xù)墻進(jìn)行加深，將帷幕深度加深至43 m，呈懸掛式止水帷幕，增加地下水繞流作用，降低抽取承壓水對(duì)12號(hào)線車站及隧道的影響， BIM模型中的MJS工法樁如圖6所示。MJS止水帷幕加深原方案整圓加固，采用BIM將MJS全圓優(yōu)化為半圓，在效果能滿足要求的前提下，節(jié)約加固方量2 835 m3，節(jié)約工程造價(jià)708.75萬(wàn)元，節(jié)約工期30 d，方案優(yōu)化前后對(duì)比見圖7。

圖7 方案優(yōu)化前后對(duì)比

3.4 控制施工進(jìn)度3.4.1 共享模型信息，減少工期浪費(fèi)

咨詢公司將BIM模型移交給施工方，由施工方工程師對(duì)模型進(jìn)行審核，并提供模型修改建議。咨詢公司根據(jù)施工方意見進(jìn)行模型調(diào)整，最終產(chǎn)生精度雙方均認(rèn)可的模型。在實(shí)際應(yīng)用階段，施工方提供給咨詢公司總進(jìn)度計(jì)劃及年度進(jìn)度計(jì)劃及每月進(jìn)度計(jì)劃。咨詢公司對(duì)每月進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分解，導(dǎo)出每月三維形象進(jìn)度給項(xiàng)目部。施工方按BIM公司提供的形象進(jìn)度，提前準(zhǔn)備人員、機(jī)械及原材料，并安排有序施工，減少不必要的工期浪費(fèi)。

3.4.2 合理化搭接施工順序，節(jié)約工期

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段，通過(guò)BIM模型在狹小場(chǎng)地內(nèi)對(duì)鉆孔灌注樁施工和高壓旋噴樁施工進(jìn)行搭接，節(jié)約20 d工期，見圖8。在基坑開挖階段，通過(guò)BIM模擬，提前預(yù)知鋼支撐安裝不利環(huán)境(如避讓降壓井位置等)，加快了鋼支撐安裝速度。此外將開挖與支撐安裝時(shí)間進(jìn)行了合理的搭接，節(jié)約了工期，見圖9。

圖8 合理化搭接施工順序

圖9 鋼支撐安裝模擬

3.4.3 調(diào)整施工籌劃，控制施工總進(jìn)度

本工程為換乘車站，OTE風(fēng)道與常規(guī)不同，常規(guī)風(fēng)道掛在中板下方，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單。本工程OTE風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，通過(guò)風(fēng)道上縱橫梁，將風(fēng)道支承在結(jié)構(gòu)柱及內(nèi)襯墻上。通過(guò)BIM模擬，發(fā)現(xiàn)后施工風(fēng)道及梁工期較長(zhǎng)。因此在中板施工前對(duì)OTE風(fēng)道及上部的梁體系進(jìn)行施工，以最小的工期代價(jià)，節(jié)約了車站總工期。

3.5 控制施工安全3.5.1 場(chǎng)地布置

利用BIM模型的可視性進(jìn)行三維立體施工規(guī)劃[13]，包括辦公區(qū)、生活區(qū)、材料堆放區(qū)、材料加工區(qū)、倉(cāng)庫(kù)以及現(xiàn)場(chǎng)道路，可以直觀反映施工現(xiàn)場(chǎng)狀況，減少施工占地，保證現(xiàn)場(chǎng)道路暢通，如圖10所示。

3.5.2 安全交底

利用施工BIM模型的可視化，進(jìn)行危險(xiǎn)源識(shí)別和安全檢查，將安全情況以動(dòng)畫的形式對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行安全交底，避免了傳統(tǒng)安全交底的枯燥，使施工作業(yè)人員更直觀準(zhǔn)確的了解現(xiàn)場(chǎng)，將安全交底落到實(shí)處，安全交底動(dòng)畫見圖11。

圖11 安全交底動(dòng)畫

3.5.3 安全監(jiān)測(cè)

使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行基坑沉降觀測(cè)，通過(guò)將感應(yīng)元件監(jiān)測(cè)的基坑位移數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總到基于BIM開發(fā)的安全監(jiān)測(cè)軟件上，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的基坑坡頂水平位移和豎向位移變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)管理，確保基坑在土方回填之前的安全穩(wěn)定性。

3.6 物料跟蹤管理，控制施工質(zhì)量

BIM模型中包含建筑材料所有信息，可以快速查找材料的規(guī)格、材質(zhì)、尺寸、生產(chǎn)商、出廠日期和保修日期，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的材料進(jìn)行關(guān)聯(lián)、比對(duì)、追蹤和分析，建立施工物料管理系統(tǒng)，保證施工質(zhì)量，如圖12所示。利用BIM技術(shù)進(jìn)行物料跟蹤管理，通過(guò)模型信息共享，給建筑物的后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來(lái)了便利，實(shí)現(xiàn)了建筑物全生命周期的管理[14]。

圖12 模型現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)聯(lián)

3.7 施工全過(guò)程5D虛擬建造

將BIM三維模型與時(shí)間信息以及工程量成本信息整合在一起進(jìn)行施工全過(guò)程5D虛擬建造，見圖13、圖14。5D虛擬建造有助于改進(jìn)規(guī)劃，盡早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，減少潛在的浪費(fèi)。通過(guò)將5D虛擬建造可以清晰地表現(xiàn)施工計(jì)劃、項(xiàng)目工程量與進(jìn)展?fàn)顩r，并實(shí)時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，控制施工進(jìn)度及成本。

圖13 施工總進(jìn)度計(jì)劃

圖14 施工全過(guò)程5D虛擬建造

4 區(qū)間工程BIM應(yīng)用設(shè)想[15]

將盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中碰到的滲水、裂縫、破損等有缺陷的管片按綠、黃、橙、紅四個(gè)等級(jí)進(jìn)行分類并整合到BIM模型中，如圖15所示。在施工階段加強(qiáng)可以對(duì)管片修補(bǔ)管理，在安裝階段可以避免對(duì)有裂縫的管片進(jìn)行二次破壞，在運(yùn)營(yíng)階段可以對(duì)橙色及紅色管片加強(qiáng)監(jiān)護(hù)。

圖15 區(qū)間工程BIM應(yīng)用設(shè)想效果

5 結(jié)語(yǔ)

本工程利用BIM技術(shù)輔助施工，在控制施工進(jìn)度、成本、安全、風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量方面效果顯著，初步實(shí)現(xiàn)了施工管理的精細(xì)化和信息化。目前BIM技術(shù)在城市軌道交通工程以及城市地下空間工程領(lǐng)域還處于初步發(fā)展階段，有待BIM技術(shù)在更多實(shí)際工程上應(yīng)用與發(fā)展。

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Study and Application of BIM Technology in Urban Rail Transit Construction Management

WU Shou-rong1， LI Qi1， SUN Huai-yuan2， WANG Jun-zhan2

(1.Shandong University of Science and Technology， College of Civil Engineering and Architecture， Qingdao 266590， China;2.Shanghai Sunking Program Management Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200093， China)

In order to promote BIM technology in urban rail transit， this paper conducts a research on Shanghai Metro Line 9 Phase III (east extension) Jinhai Road Station project and addresses issues in 5 aspects of construction risk， progress schedule， safety， quality and 5D virtual building of all construction process with a 3D visual construction model of BIM technology. Practices prove that BIM technology can fulfill precision construction management and informatization， and sees extensive application in urban rail transit and urban underground space．

Urban rail transit; BIM; Construction management; Virtual building

2016-04-01；

2016-05-17

吳守榮(1961—)，男，教授，1996年畢業(yè)于天津大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail：171118593@qq.com。

1004-2954(2016)11-0115-04

U239.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.025