BIM技術在昌平地鐵線南延工程施工與古建筑物保護中的應用

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.北京工業大學，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、學院橋站—西土城站區間及10號線西土城站改造為本工程的三個工點。分別采用四導洞PBA工法、礦山法、盾構法、PBA工法、明挖法施工。

北京地鐵昌平線南延工程是服務于冬奧會的配套工程，在2022年冬奧會期間，主要負責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，將串聯多條地鐵運營路線[1]。

1 項目重難點介紹

1.1 技術難度大

新工藝工法多，PBA暗挖、洞內樁柱一體化施工、超長咬合樁、盾構側始發、異型延伸鋼環、盾構洞內解體等，工法多且復雜。如在進行基礎樁柱施工時，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的混凝土澆筑，而混凝土澆筑施工與質量管控難度大，如圖1所示。在進行區間盾構施工時，通過在區間盾構始發井運輸盾構機器并通過始發井導洞滑軌，將盾構機運輸到區間盾構合理位置，與始發井導洞內壁形成45度夾角，進行盾構施工，而盾構機在導洞內部與導洞內壁形成精準夾角難度大，隨后盾構機在完成盾構任務，抵達目的地后，直接在完成的區間內進行解體工藝，而盾構機在安全完整地回到地面的解體運輸過程中難度較大。盾構側始發工藝與洞內解體工藝圖，如圖2所示。

圖1 樁柱一體化施工工藝

圖2 盾構側始發工藝與洞內解體工藝

1.2 改造體量大

10號線西土城車站規模小，未預留換乘條件，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、設備用房及對應管線改移等，涉及15個專業，包括建筑、結構、裝修、通風空調、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 環境風險高

環境問題嚴峻，在保證既有建筑管線不受影響的前提下，需要提高施工質量，因此對施工精細度的要求非常高。

各管線排布錯綜復雜，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時，極易對舊污水管產生影響。

圖4 D1500污水管與車站位置關系

區間段盾構下穿既有10號線(拱頂距既有站底僅2m)如圖5所示。

圖5 盾構區間與既有車站位置關系

學西區間盾構密貼下穿小月河橋橋樁。如圖6所示。

圖6 盾構密貼下穿橋樁

1.4 古建筑保護要求高

地鐵車站主體結構緊貼古建筑物(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應用整體實施

2.1 BIM技術應用指標

(1)動態管理

選擇較為成熟的基于BIM的管理平臺，收集整理項目動態管理和信息。

(2)深化設計

利用BIM技術進行各專業深化設計及管線綜合。形成全專業的深化設計BIM模型，并進行綜合協調檢查，提高深化設計工作的質量和效率，減少設計問題對施工的影響。

(3)方案模擬

利用BIM模型的可模擬性，對復雜施工技術方案、節點、施工工序進行模擬。進行可視化交底，提高施工技術、安全、質量、進度管理能力。

(4)商務管理

將BIM模型與施工現場管理緊密結合，實現基于BIM的進度、成本、竣工交付管理，提高對各專業分包及獨立承包商的管理水平和現場協調能力。

(5)增強競爭力

以自有BIM團隊為主力，實現項目、集團公司兩級的BIM應用能力持續增長，增強在施工領域BIM技術應用方面的競爭力。

2.2 BIM組織、實施標準及軟硬件配置

根據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總負責人、土建BIM負責人、機電BIM負責人、分包BIM負責人、BIM協調工程師、項目BIM應用小組。成員涉及眾多專業，如計算機、結構工程、機電、環保、土建等專業。

為確保項目規范化、標準化、精確化施工，本項目編制了BIM模型建模標準、應用標準及成果交付標準，明確組織機構、工作流程及培訓機制。

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進行鋼結構模型深化。硬件配置方面，配有VR設備、繪圖儀、3D掃描儀等精密儀器。

3 BIM基礎應用

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

3.1 模型及族庫搭建

根據設計施工圖紙，利用建模軟件進行基礎模型建模，如圖8所示，清晰地展現了地鐵模型各個模塊，使現場施工人員可以更清晰地了解項目情況。

圖8 地鐵主結構加通道模型

施工現場各專業的設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場實際情況緊密結合，通過對市政道路、市政管線標準化族庫、施工現場族庫的整理，也充實了公司標準化族庫的積累，實現“一次建模、多次使用、標準統一”，為公司其他項目的市政建模、現場布置提供標準。

圖9 BIM族庫模型

3.2 基于模型的深化設計

(1)圖紙檢查

BIM建模過程就是圖紙檢查的過程，可以直觀地發現圖紙中存在的“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，與傳統模式“二維圖紙+文字描述”相比更為直觀，提高溝通效率。

(3)設計變更評審與管理

提前發現圖紙問題及時反饋給設計，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，創建包括圖框、標注、圖例等在內的族，同時創建平面圖、剖面圖、立面圖等視圖樣板文件，保證出圖的一致性和準確性。

3.3 三維技術交底

基于BIM的三維技術和可視化交流，實現輔助圖紙會審、專家論證和三維技術交底，借助于BIM手段形成各個施工工序三維技術交底視頻文件，達到了現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境之間的關系，尺寸大小，以及結構布局等其他相關信息，更加清晰、直觀地避免一些重復性操作，通過BIM技術使得項目在建設期更加便捷、直觀，以達到節省成本，節省時間的目的[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，及時調整進度計劃，優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輔助安全質量管理

通過移動端實時在線記錄問題，解決傳統管理模式流程不規范、數據不留痕、責任歸屬不明確、決策無依據的問題，如圖12所示。針對責任區域通知相關施工員與整改分包班組，并形成檢查記錄。

圖12 移動端安全質安管理展示

4 BIM創新應用

4.1 BIM技術輔助古遺址保護措施監測

元大都遺址是元世祖至元四年(1267)以金代大寧宮為中心創建的。它緊鄰北三環，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，有九經九緯的街道和標準的縱街橫巷制的街網布局，在中國都城發展史上占有重要地位，對北京市文化歷史的探源與發展有重要意義。地鐵車站主體結構緊貼古建筑物，因此在施工中對古遺址的保護工作是至關重要的。

本項目采用BIM+MIDAS的綜合模擬分析指導古文物的保護。通過實地采集數據進行古遺址模型的精準建立，同時結合MIDAS應用，對在地下工程各種施工環節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“結構”模型

圖14 三維“地層—結構”模型

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

第二次：在古文物與結構之間增加微型復合式錨桿樁，形成地下隔離墻，經過模擬分析，最大沉降量為0.038 mm，滿足古文物保護要求。施工結束后，古文物沉降監測數據為0 mm，真正實現了“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輔助異形延伸鋼環三維設計及仿真驗算

異形延伸鋼環為本項目自主研發的新型盾構始發方式，為全國首例，尚無類似設計可供參考。異形延伸鋼環始發工況如圖16所示。

圖16 異形延伸鋼環始發工況

通過BIM技術進行模型搭建解決異形結構銜接與功能需求問題，再結合“ZSOIL”有限元軟件對異形鋼環進行有限元仿真模擬分析，如圖17所示，確保在盾構前進產生的頂推力下鋼環的變形、應力滿足安全始發需求。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輔助盾構拆解優化工序

利用BIM技術對盾構拆解、機洞內平移及轉體進行提前模擬，計算出最小轉體空間及轉體曲線曲率，優化結構尺寸，優化拆解工序和步驟，節省時間提高效率[6]。如圖18所示。

根據地勘及現場補勘情況，模擬施工確定現場掘進速度及注漿參數，保證盾構掘進施工質量及進度。

4.4 BIM輔助多點多專業交叉作業

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

利用BIM管理平臺，通過信息分析，協調各專業問題，提高各專業協調管理能力和信息溝通效率，進行任務派分，明確各專業的施工順序及作業時間點，提前籌劃人、材、機，確保施工銜接的順利、安全、高效[7]。

4.5 BIM輔助盾構密貼下穿小月河橋安全措施優化

本工程在盾構經過橋樁的時候大幾率會對橋樁產生形變影響，所以，事先利用BIM與ANSYS進行橋樁變化分析，如圖20所示，之后根據分析經過，結合實際，對此進行預防措施[8]。

對盾構密貼小月河橋樁工況下進行模型搭建，結合軟件分析小月河橋樁及橋梁的變形情況，評估現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，發現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構，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

在現有樁基托換的基礎上，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，應用BIM建立智能化監測平臺[9]。

平臺主要包括云采集數據平臺和實時監測可視化平臺兩部分。云采集平臺利用物聯網、大數據的思路，在古建筑關鍵位置布置無線傳感器，通過5G傳輸手段，與平臺建立鏈接，數據經過基本處理后，在平臺上進行展示，管理者通過平臺對數據進行審核，從而實現數據的基本采集。

圖23 云采集平臺

實時監測可視化平臺以數據采集平臺為基礎，內部嵌入人工智能機器學習算法，可以將數據平臺的數據進行人工智能計算，自動生成預測結果。同時，平臺內部存儲有BIM模型，以BIM模型作為一個可視化交互窗口，對古文物的風險在BIM模型上進行標識，通過平臺便可實時智能查看古文物遺址的風險情況，從而實現了智能監測、智能預警、智能保護的功能[6]。

圖24 三維實時監測平臺

5 結論

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、技術難度大、環境風險高等重難點問題。

針對重難點問題創新性地提出基于項目重難點的應用方法。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古文物的保護、BIM輔助異形延伸鋼環三維設計及仿真驗算、BIM輔助盾構拆解優化工序、BIM輔助多點多專業交叉作業、BIM輔助盾構密貼下穿小月河橋樁安全措施優化、BIM輔助智能化監測平臺。

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用提供指導和借鑒。