BIM技術(shù)在地鐵土建施工中的應(yīng)用
——以福州地鐵2號線為例

雷美玲 賴鵬安

(中交二公局第四工程有限公司 河南洛陽 471013)

0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling)或者建筑信息管理(Building Information Management)是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立起三維的建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息[1]。BIM從2002年引入工程建設(shè)行業(yè)，至今已有十七年歷程，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，被譽(yù)為建筑業(yè)變革的革命性力量[2]。目前，地鐵建設(shè)在各大城市急速發(fā)展，地鐵土建施工成為建筑施工中的重要組成部分，許多專家學(xué)者及工程師們對BIM在工程應(yīng)用方面也展開了相關(guān)研究，取得了一定的成果[3-4]。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM技術(shù)在福州地鐵2號線上的應(yīng)用情況，展開了相關(guān)研究，以期拋磚引玉，共同提高地鐵土建項(xiàng)目管理水平現(xiàn)實(shí)意義。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用的基本原則

BIM技術(shù)應(yīng)用的基本原則，在于“指導(dǎo)現(xiàn)場施工，提高管理水平”。因此，在BIM模型、BIM協(xié)同管理平臺(tái)以及其APP客戶端創(chuàng)建過程，均應(yīng)考慮是否能給施工管理帶來效能提升，尤其是協(xié)同管理平臺(tái)及APP客戶端，必須達(dá)到操作簡單、系統(tǒng)性能好、平臺(tái)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 地鐵土建BIM模型創(chuàng)建

2.1 地鐵土建BIM建模需考慮的因素

BIM模型是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，為了使BIM模型能夠更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在模型創(chuàng)建時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

(1)與實(shí)際方案相結(jié)合

必須結(jié)合實(shí)際施工方案，將施工方案作為建模依據(jù)之一，若僅以二維施工圖紙為建模依據(jù)，BIM模型與實(shí)際施工脫節(jié)，難以滿足現(xiàn)場施工需求。

(2)類型類別劃分的合理性

地鐵土建中部分構(gòu)件屬于異形結(jié)構(gòu)，在BIM軟件中無模板，需要?jiǎng)?chuàng)建族來完成，創(chuàng)建的族類型類別必須與設(shè)計(jì)構(gòu)件保持一致。

(3)構(gòu)件的獨(dú)立性

各構(gòu)件均屬于獨(dú)立體，因此，建模過程可對各構(gòu)件添加位置、名稱、編號等屬性予以區(qū)分，便于獨(dú)立管理。

2.2 BIM模型創(chuàng)建的基本步驟

(1)場地布置建模

城市土地寸土寸金，地鐵施工多位于城市交通要道和人員密集區(qū)域，周邊建(構(gòu))筑多集中，導(dǎo)致地鐵土建施工場地較小。因場地局限性，合理配置各階段場地設(shè)施設(shè)備至關(guān)重要。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建場地模型，模擬現(xiàn)場布局，研究出最優(yōu)布置方式。

場地建模包括步驟如下：

步驟S1：根據(jù)標(biāo)高，利于BIM技術(shù)創(chuàng)建場地；

步驟S2：建立需要的族，例如，渣土車輛、混凝土罐車、沉淀池、洗車臺(tái)、鋼筋加工棚、泥漿拌和站、活動(dòng)板房、配電柜、塔吊、水溝、欄桿等；

步驟S3：創(chuàng)建臨時(shí)行車道，導(dǎo)入車輛族，驗(yàn)證行車道寬度是否滿足需求；

步驟S4：轉(zhuǎn)換各設(shè)施設(shè)備位置，模擬最優(yōu)方案；

步驟S5：不同施工階段，調(diào)整布局，實(shí)施場地動(dòng)態(tài)管理。

圖1 車站場地布置建模圖

(2)車站建模

地鐵車站土建施工分部分項(xiàng)工程多，建模一般劃分為6大項(xiàng)，分別為：圍護(hù)結(jié)構(gòu)土建模型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋模型、主體結(jié)構(gòu)土建模型、主體結(jié)構(gòu)鋼筋模型、建筑土建模型、建筑鋼筋模型，如圖1所示。

地鐵車站建模包括步驟如下：

步驟S1：創(chuàng)建標(biāo)高、軸網(wǎng)；

步驟S2：創(chuàng)建各構(gòu)件(或創(chuàng)建構(gòu)件并配筋)；

步驟S3：完成模型。

車站建模構(gòu)件多，建模工作量大，同時(shí)為了提高模型的精準(zhǔn)性，必須注意以下事項(xiàng)：

①地鐵土方開挖采用分段分層開挖，建模時(shí)應(yīng)結(jié)合施工方案分段分層建模。

②支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼管支撐建模時(shí)，若僅按照二維圖紙將二維轉(zhuǎn)化為三維，雖視圖效果較好，但實(shí)際應(yīng)用效果不佳。因此，建模時(shí)必須結(jié)合鋼支撐規(guī)格模擬拼裝，即固定端+中間節(jié)+活絡(luò)端。例如，采用Revit建模，各種規(guī)格的固定端、中間節(jié)、活絡(luò)端應(yīng)用族創(chuàng)建，固定端、中間節(jié)采用常量族，活絡(luò)端采用變量族。每種規(guī)格的固定端均設(shè)置兩個(gè)常量參數(shù)，分別為：長度參數(shù)L固，單重參數(shù)G固。每種規(guī)格的中間節(jié)也均設(shè)置兩個(gè)常量參數(shù)，分別為：長度參數(shù)L中，單重參數(shù)G中。而活絡(luò)端設(shè)置一個(gè)常量參數(shù)、一個(gè)變量參數(shù)，分別為：變量參數(shù)長度L活(參數(shù)取值范圍為L最小值～L最大值)，常量參數(shù)單重G活，建模時(shí)，鋼支撐總長為L應(yīng)滿足：L固+(L中1+L中2+L中3+……)+L最小值≤L總≤L固+(L中1+L中2+L中3+……)+L最大值，則單根鋼支撐總重G總=G固+(G中1+G中2+G中3+……)+G活。模型完成后，根據(jù)屬性表，可直接導(dǎo)出各種規(guī)格鋼支撐數(shù)量及重量，現(xiàn)場施工前，可根據(jù)施工進(jìn)度編制各種規(guī)格鋼支撐材料進(jìn)場計(jì)劃，現(xiàn)場依據(jù)模型拼裝。

③車站主體結(jié)構(gòu)建模過程，不僅需要將標(biāo)高軸、平面軸作為軸網(wǎng)，結(jié)合施工方案，還需將施工縫作為軸網(wǎng)。施工縫劃分墻、板、梁、柱，分為段。建模時(shí)，分層、分段、分部位依次建模，現(xiàn)場施工時(shí)，分層、分段、分部位依次澆筑。

(3)區(qū)間建模

地鐵區(qū)間線路是由豎曲線及平面曲線相結(jié)合，屬于空間曲線，可采用Rhino3D NURBS及Revit兩種軟件相結(jié)合來完成建模工作。Rhino3D NURBS是一個(gè)功能強(qiáng)大的高級建模軟件，處理曲線能力較強(qiáng)，可用其生成地鐵區(qū)間三維曲線。Revit結(jié)構(gòu)建模功能強(qiáng)大，且可以采用Danymo編輯存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成管片建模及排版工作，如圖2所示。

圖2 車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)建模圖

區(qū)間建模包括以下步驟：

步驟S1：獲取線路平面和縱斷面數(shù)據(jù)，利用Rhino3D NURBS生成盾構(gòu)隧道曲線區(qū)段中心線三維空間曲線；

步驟S2：根據(jù)設(shè)計(jì)，建立單環(huán)管片三維模型；

步驟S3：沿所述盾構(gòu)隧道曲線區(qū)段中心線三維空間曲線進(jìn)行線路預(yù)拼裝；

步驟S4：獲取線路各單環(huán)管片預(yù)拼裝排版圖；

步驟S5：按照預(yù)拼裝排版圖進(jìn)行實(shí)體構(gòu)件安裝。

利用BIM技術(shù)，模擬盾構(gòu)管片預(yù)拼裝是根據(jù)整條線路曲率來選擇管片楔形量，從而形成所需曲率的線路，考慮了每一環(huán)管片的拼裝，無累計(jì)誤差，如圖3所示。

圖3 區(qū)間盾構(gòu)隧道建模圖

3 BIM技術(shù)在地鐵土建施工中應(yīng)用

3.1 地鐵土建模型應(yīng)用

地鐵土建模型完成后，即可根據(jù)模型，直接應(yīng)用。

(1)工程量統(tǒng)計(jì)

工程量統(tǒng)計(jì)是項(xiàng)目最基礎(chǔ)的工作，成本管理、進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、計(jì)劃編制、計(jì)量結(jié)算、材料采購等均以其為基礎(chǔ)。地鐵車站分部分項(xiàng)工程較多，工程量計(jì)算復(fù)雜，人工計(jì)算準(zhǔn)確性較低。BIM模型創(chuàng)建后，多數(shù)工程量均可直接導(dǎo)出，部分簡易換算即可。

(2)指導(dǎo)現(xiàn)場施工

應(yīng)用BIM模型進(jìn)行技術(shù)交底、日常技術(shù)交流，360度查看模型，更易理解；

將BIM模型導(dǎo)入移動(dòng)端，查看構(gòu)件位置、尺寸、結(jié)構(gòu)等信息，按模型施工；

地鐵土建施工中，預(yù)留孔洞及預(yù)埋件數(shù)量多且類型雜，容易遺漏。建模中可用警示顏色創(chuàng)建，施工時(shí)查看BIM模型，可快速識(shí)別，避免誤差。

(3)二維圖紙校核

建模過程，因人為主觀原因造成的二維圖紙上的錯(cuò)誤更易暴露，三維模型提高了圖紙的準(zhǔn)確性。

(4)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析

地鐵土建施工中部分節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，尤其是管片鋼筋，利用BIM技術(shù)，三維顯示，清晰明了。

3.2 BIM協(xié)同管理平臺(tái)應(yīng)用

除直接應(yīng)用BIM模型外，因BIM軟件數(shù)據(jù)處理存在一定的局限性，且在BIM模型中存貯數(shù)據(jù)過多，容易造成模型冗雜，數(shù)據(jù)傳輸能力不強(qiáng)。因此，可將BIM模型與協(xié)同管理平臺(tái)、APP相聯(lián)接，達(dá)到數(shù)據(jù)共享功能。

BIM協(xié)同管理平臺(tái)需根據(jù)各公司管理需求并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)建。地鐵施工BIM協(xié)同管理平臺(tái)可創(chuàng)建以下模塊：

(1)質(zhì)量、安全管理

安全技術(shù)交底資料、檢驗(yàn)報(bào)審資料等均可在BIM協(xié)同管理平臺(tái)中創(chuàng)建模板，模板創(chuàng)建后直接在平臺(tái)中進(jìn)行操作，填寫、保存或修改、打印。

運(yùn)用定制的流程將原先施工管理的工作移植到平臺(tái)，不僅各方可以及時(shí)準(zhǔn)確了解到現(xiàn)場的施工情況，而質(zhì)量安全管理工作更加流程化。

在BIM協(xié)同管理平臺(tái)中，登記民工信息，并生成二維碼，將二維碼粘貼在各民工的安全帽上，掃描二維碼，即可查看協(xié)同平臺(tái)中登記的民工進(jìn)場時(shí)間、工種、上崗證件等信息。同理，大型設(shè)備也可使用二維碼進(jìn)行管理，設(shè)備檢修均可設(shè)置到期預(yù)警，提前安排設(shè)備檢修事宜。

(2)全過程成本管控

在協(xié)同平臺(tái)中，創(chuàng)建項(xiàng)目工程費(fèi)用預(yù)算表。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與工程量數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，實(shí)際數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)度成本與總成本的分析對比，實(shí)際成本與設(shè)計(jì)成本的分析對比。工程施工前，由現(xiàn)場技術(shù)人員使用APP客戶端在BIM模型中標(biāo)示出計(jì)劃施工部位，推送給成本管理人員。成本管理人員收到施工計(jì)劃后，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)量。現(xiàn)場人員收到設(shè)計(jì)量后，按設(shè)計(jì)施工，并將實(shí)際數(shù)據(jù)填報(bào)在系統(tǒng)中，即可統(tǒng)計(jì)出實(shí)際成本。

(3)進(jìn)度管理

由項(xiàng)目計(jì)劃編制人員創(chuàng)建施工計(jì)劃，并將施工計(jì)劃與BIM各構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。項(xiàng)目施工前，計(jì)劃到期預(yù)警，由計(jì)劃編制人員將計(jì)劃下發(fā)給現(xiàn)場施工人員。施工完成后，由現(xiàn)場施工人員在手機(jī)APP中填報(bào)完成時(shí)間。進(jìn)度滯后，預(yù)警提醒，從而及時(shí)優(yōu)化施工方案，確保節(jié)點(diǎn)工期。

(4)施工方案模擬

一些重要施工環(huán)節(jié)可利用BIM技術(shù)創(chuàng)建專項(xiàng)技術(shù)方案演示模型及動(dòng)畫，有助于直觀地理解方案流程和細(xì)節(jié)問題，也便于借助BIM模型進(jìn)行方案影響因素的討論，確保專項(xiàng)方案的可行性和安全性。

(5)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)管控

地鐵區(qū)間模型創(chuàng)建后，將周邊風(fēng)險(xiǎn)因素加入到模型中，組合成風(fēng)險(xiǎn)源管控模型。模型中，標(biāo)示風(fēng)險(xiǎn)范圍，并添加風(fēng)險(xiǎn)處理方案。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至風(fēng)險(xiǎn)范圍時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警啟動(dòng)，現(xiàn)場按照風(fēng)險(xiǎn)處理方案執(zhí)行。

(6)數(shù)據(jù)的分散管理、集中查詢

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，日常管理資料及施工影像等均可在BIM協(xié)同管理平臺(tái)中分模塊創(chuàng)建，各管理部門對其范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。要想實(shí)現(xiàn)單個(gè)構(gòu)件的所有相關(guān)資料查詢，在管理過程，僅需各部門將數(shù)據(jù)鏈接至相應(yīng)BIM模型構(gòu)件中，點(diǎn)擊構(gòu)件，其相關(guān)數(shù)據(jù)均可調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了施工管理數(shù)據(jù)的分散管理、集中查詢功能。BIM協(xié)同管理平臺(tái)與BIM模型的交互，優(yōu)化了數(shù)據(jù)存貯方式，減少了數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)間，且存貯量更大，存貯時(shí)間更久。同時(shí)，與其相關(guān)的數(shù)據(jù)可不斷更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理，可為地鐵運(yùn)營過程檢修養(yǎng)護(hù)提供最原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

BIM技術(shù)雖具有較多優(yōu)勢，但因其自身的弊端以及目前存在的眾多問題，使得其在地鐵土建中推行仍有很大阻力。難點(diǎn)如下：

(1)目前，國內(nèi)BIM技術(shù)開發(fā)研究公司較多，BIM技術(shù)軟件也各不相同。很多需求需要不同軟件之間的交互與配合，增加了應(yīng)用難度。

(2)地鐵建模工作量大，且BIM技術(shù)相對還不成熟，短期內(nèi)投入成本大，效益小。

(3)人才短缺，尤其是既掌握BIM技術(shù)，又對地鐵土建施工各模塊深入了解的專業(yè)人員少之又少。

(4)目前各公司管理模式已基本形成，推行BIM技術(shù)將對原來的管理模式造成沖擊。

5 結(jié)語

目前，地鐵土建施工BIM技術(shù)的應(yīng)用還處在初步發(fā)展階段，項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)，首先需咨詢專業(yè)人員，初步了解BIM技術(shù)特點(diǎn)，然后根據(jù)自身項(xiàng)目特點(diǎn)，制定詳細(xì)的實(shí)施方案，從應(yīng)用需求、可行性分析、產(chǎn)品選擇、成本估算、效益等多個(gè)方面綜合考慮。實(shí)際實(shí)施過程中，更需定期總結(jié)歸納，方可不斷發(fā)展。

BIM技術(shù)的應(yīng)用大多基于模型，尤其是地鐵土建施工，模型的精準(zhǔn)度都是影響地鐵土建施工單位應(yīng)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵因素，因而從設(shè)計(jì)單位引入BIM技術(shù)，直接采用BIM建模并出圖很有必要，可以促進(jìn)在地鐵土建施工階段再進(jìn)行細(xì)化，應(yīng)用效果將更加明顯。