BIM技術在地鐵工程中的數據庫建立及其應用

程馬遙,曾洋

BIM技術在地鐵工程中的數據庫建立及其應用

程馬遙,曾洋*

佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院, 廣東 佛山 528000

針對建筑信息模型（BIM）中地鐵工程文件數據庫較少的問題，本文基于技術族文件的建立，在地鐵工程項目領域建立了地鐵族文件數據庫，該數據庫包含了車站結構框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術在地鐵工程中的應用開發建立了一套自己的族文件，加快了建模的進度與效率。通過建立的地鐵族文件數據庫，形成科學的Revit模型（地鐵車站基坑三維模型），旨在細分原有的土方模型，把Revit模型利用Autodesk公司Navisworks軟件進行模擬建筑，通過基坑模型的虛擬施工開挖，與原有的基坑開挖方法進行對比分析，提出一種新的明挖車站基坑的施工方案，即雙側面臺階法，在實際的地鐵車站中應用并取得了良好的效果。

地鐵工程; BIM技術; 數據庫

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）旨在對建筑全壽命過程進行信息化管理。常見的應用手段包括：前期規劃、設計階段（建筑概念、初步設計、施工圖設計）、加工階段（項目預制）、施工階段（項目安裝）、項目運營、項目維護和項目改造（拆遷或者拆除）等。BIM在不同階段可以發揮相應的優勢和特長，可應用于高層建筑、橋梁、隧道和地鐵等大型工程建設項目中，也可以很好地應用于安裝工程中的管路線路設計和優化，通過三維可視化展示和檢查問題線路[1-3]。

現階段，BIM主要應用在高層項目中，但很少在地下項目中應用。地鐵是城市交通建設的關鍵組成部分，旨在打造綠色健康交通模式，是城市和諧發展、社會進步的有效體現。基于此，BIM不管是從地鐵項目設計、施工階段、運營階段等，都具備深遠意義。地鐵項目離不開地下建構工程，并且出現投入大、周期常、施工慢、效率低、安全要求高、協調部門多等問題，所以地鐵工程整個施工項目需要面臨十分復雜的流程。BIM技術是提升工程項目效率的有效手段，對地鐵項目建設有諸多好處，全球范圍內學者們紛紛開始強化關于BIM應用的研究工作，但是迄今為止依然沒有很好的度量手段，也沒有形成協調統一的論證手段。各國研究人員開始持續關注相關領域的研究工作，不斷探索和挖掘新的研究方向[4-8]。

BIM在國內各項目的普及程度不高，主要是因為BIM在推廣時模式相對單一，軟件間兼容性較弱，建設前期需要投入較高成本，尚未針對BIM行業建立相關標準和技術建議等。上述種種因素阻礙了BIM技術的應用和普及[9-11]。

本文所研究的虛擬施工項目是針對地鐵項目所開展的土方基坑工程管理，通過使用Revit軟件形成地鐵基坑三維模型，建立地鐵族文件數據庫，該數據庫包含了車站結構框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術在地鐵工程中的應用開發建立了一套自己的族文件，加快了建模的進度與效率。

1 BIM地鐵工程數據庫

數據庫是指以Revit族數據為基礎，可隨時進行數據調取、插入、建模等需求的文件庫，常規而言，數據庫相關文件都以“rfa”作為后綴。族文件建立相對復雜，并且可以對插入文件族類型參數進行直接改變，以此控制應用文件相關信息。從現狀來看，BIM技術并未在地鐵項目中廣泛應用，且對于部分地鐵項目來說，存在一定難度。建立地鐵數據庫可有效提高地鐵的建模和應用的速度，以此結合不同工程的應用，匹配全新的方案。接下來將詳細介紹地鐵工程數據庫的建立過程。

1.1 車站結構框架

明挖地鐵車站結構可分成“雙層三跨結構”、“雙層雙跨結構”兩種形式（如圖1所示），一般情況下車站結構常用形式是開展地鐵項目的基礎。

圖 1 車站結構框架族

圖 2 車站結構框架族參數調整示意圖

族類型參數是實現雙層三跨結構族文件控制的核心和基礎，參數是調整設計的關鍵，充分借鑒參數設置，能協調設計要求，改變車站結構模式，以此簡化建立流程。例如，建立縱向立柱排數過程中，可根據長度、柱距等作為參考指標（如圖2所示）。

車站結構數據庫最核心的優點是可以隨時掌握數據庫相關信息，并對其實現參數化控制。常見的參數有D中板、D側壁、D底板、D柱側、R柱、D橫向柱距、H站廳層、H站臺層、D縱向柱距、D車站寬、L車站、D頂板。

1.2 鋼筋混凝土樁

鋼筋混凝土樁族在工程項目內有廣泛的應用，在建模期可優先選擇合適的數據庫文件，然后為后續的調用和調整提供便利。具體設置如圖3所示。

圖 3 鋼筋混凝土柱族

圖 4 鋼筋混凝土柱族參數控制對比

鋼筋混凝土數據庫最核心的優勢是可利用數據庫信息進行參數控制，并結合不同參數進行樁控制分析，例如R鋼筋、R樁、R樁尖、R箍筋、R鋼筋、L樁頭、R樁身、L鋼筋、D鋼筋距離等。如圖4所示。

以樁內族參數為基礎調整，控制樁長度、鋼筋數量、樁半徑等信息。

1.3 軌道

軌道族文件數據庫屬于項目參數相關文件，可用于數據快速搜索和調取。不同鐵路列車類型，可直接調整軌道長度、間隔等。

軌道族控制參數并不多，主要用于軌道間隔和長度的處理，具體可根據軌道長度數據進行評估和繪制。如圖5所示，為不同軌道族參數對比。

圖 5 軌道族參數對比示意圖

圖 6 基坑開挖土方模型

2 明挖車站方案優化

2.1 基坑模型

建模是建立模擬基坑開挖模型的基礎和關鍵，通過分析挖掘機單次開挖土石方量可評估平均數值。因此，模型可進行立體模型切分(2 m×4 m×1 m)，以此評估每單位挖掘機開挖土體積，保證數據的客觀真實。土石方模型方面，可考慮選擇自帶樓板單元進行設計，并將結構材質部分定義為“土層”。具體如圖6所示。

本文所研究的虛擬施工項目是針對地鐵項目所開展的土方基坑工程管理，通過使用Revit軟件建立地鐵基坑三維模型。Navisworks軟件可實現現場開挖場景模擬，并評估集團施工所需的時間、類型、成本等因素。根據模擬工作任務的數據，可及時安排施工現場計劃，并組成以施工順序為邏輯的5D信息板塊。具體建立過程如圖7、8所示。

圖 7 選擇集附著模型任務

圖 8 基坑開挖虛擬建造模型示意圖

2.2 雙側面臺階法

通過BIM技術研究基坑放坡開挖法與雙側面臺階法的差異，確定單次土方開挖量與整體施工進度的對應關系，分析不同手段在項目中的表現，如下所示：

2.2.1 基坑放坡開挖法基坑放坡開挖法需要在基坑兩端開挖45°坡，保持4 m左右的工作平臺寬度，旨在為首層鋼提供支持，并滿足工作平臺的使用需要，具體施工斷面如圖9所示。

結合虛擬施工模擬的分析結果顯示，基坑單位出土量是88.5 m3，以單位開挖量數據為基礎，開展后續的虛擬施工工作，從虛擬文件再到本次方法的建立，整體施工周期。

2.2.2 雙側面臺階法雙側面臺階法以Navisworks軟件開展虛擬施工相關操作。Navisworks軟件是一種解決明挖車站基坑施工手段的新方法（如圖10所示）。通過利用Navisworks軟件進行施工優化時，能及時挖掘關于雙側面臺階法在項目中的優勢。在針對同等工程造價施工時，能有效提升施工效率，并保證施工過程的合理性、科學性、系統性。

圖 9 基坑開挖圖形

圖 10 雙側面臺階法示意圖

雙側面臺階法可用作開挖寬度大的深基坑工程，通過與傳統基坑開挖方式進行比較，雙側面臺階法顯然對施工技術有更嚴格的要求，但是通過使用雙側面臺階法，可以有效提升基坑開挖施工效率[12]。就虛擬施工分析數據而言，基坑出土量應保持在118.5 m3/延米水平，并可通過協調鋼支撐施工、單次開挖量等數據，為后續施工安排奠定基礎，虛擬施工設計的施工周期大約為7 d。在開展虛擬施工時，應確保深基坑明挖法的有效執行，雙側面臺階法本身具備很強的理論價值。施工階段應保證臺階的穩定性，避免臺階失穩、滑落現象的發生。具體對比如下表1所示：

表 1 兩種開挖方法對比

2.3 方法優化意義

雙側面臺階法是指在開展基坑開挖項目時，以兩側為基礎，一次性將此轉變成臺階形式。通過這樣的手段提升單次開挖厚度，提升首次開挖數量，降低因鋼支撐而造成的不利影響，以此推動施工進度的執行，保證項目土層結構的完好。

3 BIM技術在地鐵項目的應用

現階段部分城市紛紛建設大型地下空間結構，但是依然存在諸多不合理的地方，例如人性化因素、人防設計、節能環保等方面。鑒于BIM技術本身的特征，其在建筑領域備受重視，通過利用BIM技術能夠解決地下大型空間設計及施工等方面的問題，是后續建筑工程發展的重要方向之一[15]。

3.1 建立車站三維模型

從地鐵車站結構的角度看，地鐵數據庫是建設車站結構框架的基礎。結合沈蘇西路車站實際結構幾何圖形，匹配相關尺寸，建立科學完善的車站結構模型圖。Revit建模能客觀反映建筑結構現狀，并且從“材料”、“三位數據”、“大小”、“尺寸”等維度進行匹配，利用Revit對車站外結構建模（圖11）。

圖 11 車站整體結構圖

3.2 三維模型優化分析

Navisworks軟件可進行碰撞檢驗，旨在挖掘設計過程中的失誤和缺陷，并對管線交叉部分進行總結，及時發現管線與結構碰撞時產生的問題。通過科學全面的碰撞檢驗，能快速找到設計所出現的問題。模型基于虛擬漫游，立足于第三方視角，直接觀察模型設計端出現的問題，可充分利用第三方視角的實際體驗進行碰撞測試，以此深入挖掘設計中不合理的部分，并不斷改善設計細節，保證設計的科學性、合理性。電梯井漫游檢查如圖12所示。

圖 12 電梯井漫游檢查示意圖

圖 13 地鐵車站虛擬施工

從BIM技術本身來看，一方面Navisworks軟件具備模擬漫游功能，并快速發現工程項目內的異常位置，并提示標注；另一方面在模擬施工基礎上進行5D施工模擬，通過三維的立體空間搭建以“施工時間”、“施工資金造價”為主導的模擬施工，以此優化原有的3D模擬和4D模擬模式，以此幫助決策者及時把握施工現狀。

3.3 車站模型虛擬施工

車站結構主體根據設計方案進行模擬施工，根據建立好的Revit模型文件在Navisworks中進行一一對應與附著，完成模型的初步配置。

本次地鐵車站虛擬施工分為了9個施工段數，首先每個施工段進行底板的澆筑施工，然后進行底柱、側墻、中板，最后進行頂柱及頂板的施工，完成一個施工段的工程。在施工過程中按照合理的施工工序進行地鐵車站的虛擬施工過程模擬，可以對施工過程、材料需求和進度信息進行虛擬分析，并對地鐵車站的施工進行施工組織管理與協調。虛擬施工如圖13所示。

4 結語

本文基于BIM技術族文件的建立，建立了地鐵族文件數據庫，包含了車站結構框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術在地鐵工程中的應用開發建立了一套自己的族文件，加快了建模的進度與效率。利用Autodesk公司Navisworks軟件進行模擬建筑，通過基坑模型的虛擬施工開挖，與原有的基坑開挖方法進行對比分析。主要結論如下：

（1）通過Revit技術健全地鐵族文件數據庫，分析地鐵族文件庫的結構問題，深入研究和開發框架結構相關內容，并利用BIM系統的嵌入作用，實現高效建模，合理應用BIM技術和功能；

（2）通過Revit軟件、Navisworks軟件間的對接，并根據地鐵項目現狀提出可行性建議。立足于虛擬施工技術，并以雙側面臺階法為核心優化施工技術。旨在有效提升33%的初次土方開挖量，并對施工產生12.5%的效率提升，以此為地鐵明挖、基坑等提出新的參考思路和方向；

（3）通過列舉沈陽地鐵九號的案例進行研究，對項目建模分析。分別通過“碰撞檢測”、“虛擬漫游”等方式發現項目工程存在的問題，及時發現模型的缺陷，為后續的模型優化打下基礎。通過不斷優化和改良設計方案，以此發揮組文件數據庫在項目管理的核心作用。

[1] 王同軍.基于BIM的鐵路工程管理平臺建設與展望[J].鐵路技術創新,2015(3):8-13

[2] 洪開榮.我國隧道及地下工程發展現狀與展望[J].隧道建設,2015,32(2):95-107

[3] 方海龍,曾亞武.基于Revit的BIM技術在地下結構設計中的應用研究[J].建筑技術,2016,47(4):353-356

[4] 楊德磊.國外BIM應用現狀綜述[J].土木建筑工程信息技術,2013,5(6):89-94

[5] 李強.BIM技術在地鐵機電系統施工中應用初探[J].黑龍江科技信息,2016(9):35-36

[6] 路耀邦.BIM在車站設計施工一體化中的應用[J].低溫建筑技術,2016(6):143-145

[7] 常建軍.BIM技術在地鐵隧道工程施工中的應用[J].甘肅科技縱橫,2016,45(6):35-42

[8] 張志永.BIM技術在軌道交通工程設計中的應用探究[J].山東工業技術,2016(13):126

[9] 李祥偉,孫劍.建筑信息模型在中國建筑業的發展思考[J].建筑經濟,2011(4):25-28

[10] Migilinskas D, Popov V, Ustinovichius L. The benefits，obstacles and problems of practical BIM implementation [J]. Procedia Engineering, 2013(57):767-774

[11] 柴家遠.大型復雜地下空間總體設計研究[J].鐵道工程學報,2012(7):77-81

[12] 李坤.BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用研究[J].鐵道工程學報,2015(2):103-108

The Application of BIM Technology in the Establishment of Database of Subway Project

CHENG Ma-yao, ZENG Yang*

528000,

For the subway project file database less, the establishment of BIM technology group based on the file, for the subway project, built subway family file database, contains the station structure, reinforced concrete column and the track, for the application and development of BIM technology in iron project and establish a set of their own the family files, to speed up the progress and efficiency of modeling. File database, through the establishment of the MTR to form scientific Revit model (3 d) subway station foundation pit, designed to segment the original earth model, the use of Autodesk Revit model simulated construction company Navisworks software, through the model of virtual construction of foundation pit excavation, compared with the original excavation method analysis, put forward a new cut and station foundation pit construction scheme, namely double side steps method. It has been applied in the actual subway station and achieved good results.

Subway project; BIM technology; data base

U231.4

A

1000-2324(2021)01-0115-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.020

2019-04-01

2019-04-14

佛山市科技創新項目:穿越富水粉砂層盾構開挖注漿加固對策研究(N.1920001001673)

程馬遙(1988-),女,博士,講師,研究方向:巖土工程與地下工程. E-mail:chengmayao@163.com

Author for correspondence. E-mail:zy18882017394@163.com

網絡首發:http://www.cnki.net