BIM技術(shù)在沿海地區(qū)不良地質(zhì)條件下地鐵車站施工中的應(yīng)用

孫前偉，馬 健，王文富，司昌盛，曹世偉

中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130033

隨著我國城市人口日益集中，生產(chǎn)總值日益增長，越來越多的城市開始規(guī)劃、建設(shè)地鐵。然而，地鐵工程建設(shè)多位于人口、建筑密集地區(qū)，且一個地鐵項目涉及20多種專業(yè)類型，專業(yè)之間的協(xié)調(diào)十分困難[1]。面對地鐵環(huán)境復(fù)雜多樣、施工工藝煩瑣、安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高等問題，傳統(tǒng)管理制度的粗放特性對于高質(zhì)量的工程建設(shè)有著不利影響，為改善此現(xiàn)狀，有必要通過BIM技術(shù)實施精細化管理。

當(dāng)前，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地鐵工程施工過程的管理。武宗天[2]以廣州市18號線中一段地鐵路線為依托，驗證了BIM精細化管理的重要性；霍麗娜[3]通過對北京地鐵6號線東小營車輛段施工階段進行BIM應(yīng)用，實現(xiàn)了對施工過程的嚴(yán)格把控；孫龍華等[4]探索了通過BIM可視化交底結(jié)合建筑數(shù)據(jù)集成平臺指導(dǎo)信息化施工的方法。由此看出，BIM技術(shù)的應(yīng)用價值與功能拓展仍需進一步挖掘。

文章以深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站施工為背景，在施工全生命周期中應(yīng)用BIM技術(shù)進行碰撞檢查及施工模擬等應(yīng)用，并基于BIM融合管理平臺，實現(xiàn)多維度、多參與方的遠程管理和協(xié)作，充分發(fā)揮平臺的管理協(xié)作功能，形成一套完整的城市軌道交通BIM體系，為深圳乃至全國范圍內(nèi)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展注入新的思路。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站位于福永大道與懷德南路路口南側(cè)，沿懷德南路敷設(shè)，途徑密集建筑，沿線管線錯綜復(fù)雜，車站西側(cè)建筑距離車站主體結(jié)構(gòu)僅15～20m。車站主體為地下二層島式站臺[5]，自下而上分別為站廳層和站臺層，站臺寬11m，有效站臺長度為140m，車站部分總長312.1m。車站采用明挖順筑法施工（局部蓋挖），基坑開挖深度為17.4～22.7m。

工程地處沿海地區(qū)，軟土主要為海陸交互相淤泥，平均層厚2.03m。沿線場地人工填土范圍較廣，成分多樣，厚度變化大，土體不穩(wěn)定，工程性質(zhì)較差，易造成局部基坑坍塌及不均勻沉降。

該工程施工場地狹窄、地質(zhì)條件差、管線交錯、工期緊張、風(fēng)險源多，質(zhì)量及安全管控困難。通過BIM技術(shù)并融合GIS技術(shù)、管理平臺及有限元分析，對相應(yīng)工程進行施工場地布置、4D施工模擬、質(zhì)量與安全管理和施工監(jiān)測，以保證工程質(zhì)量。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用

2.1 BIM在施工現(xiàn)場臨時設(shè)施布置中的應(yīng)用

施工現(xiàn)場臨時設(shè)施布置是施工組織設(shè)計的一項重要內(nèi)容，需結(jié)合工程環(huán)境和施工需求，研究解決施工期間所需的交通運輸、施工及辦公設(shè)施的平、立面布置問題，以使工程按期完工，同時需要充分考慮相關(guān)成本，并在保證工程安全的前提下盡可能地降低施工對生態(tài)環(huán)境和周邊居民生活的影響。在深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站的建設(shè)過程中利用BIM技術(shù)建立施工實際場布模型（見圖1），在場內(nèi)布置臨時車行道路、模擬施工、吊裝等，可直觀、精準(zhǔn)模擬施工環(huán)境，并通過參數(shù)化功能快速優(yōu)化場地布置，為施工提供專業(yè)有效的數(shù)據(jù)。

圖1 施工場地布置圖

2.2 BIM技術(shù)在可視化交底中的應(yīng)用

通過Revit軟件對懷德站車站主體進行建模，將模型上傳至Fuzor軟件中模擬施工及安裝過程，并對重點、難點施工工藝的做法和工序排布進行模擬優(yōu)化以直觀地向施工人員表達施工流程及控制要點，可使現(xiàn)場實際操作的人員深入理解相關(guān)工法，避免出現(xiàn)因理解錯誤而導(dǎo)致的安全隱患。通過VR技術(shù)讓施工人員及管理人員身臨其境地感受施工過程并模擬安全事故的發(fā)生與危險自救過程，從而有效保證工程質(zhì)量及安全、文明工地的建設(shè)。

2.3 BIM技術(shù)在碰撞檢查中的應(yīng)用

該工程采用BIM技術(shù)進行碰撞檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果實時調(diào)整信息化模型的三維位置數(shù)據(jù)，以達到快捷優(yōu)化的目的。碰撞檢查通過Navisworks對模型進行自動檢查，并出具檢測報告，與傳統(tǒng)手段相比，避免了人工檢查時出現(xiàn)錯誤或者遺漏，更加方便、高效。同時，通過BIM技術(shù)可以模擬地鐵施工對周邊建筑物的影響，結(jié)合施工組織設(shè)計，判斷人員、機械布置是否合理，施工作業(yè)空間是否滿足作業(yè)需求，并對施工進行全面動態(tài)仿真，模擬變化趨勢，提出合理化動態(tài)調(diào)整方案。

3 基于BIM與管理平臺的聯(lián)合管理

3.1 基于BIM+GIS可視化數(shù)據(jù)平臺的管線遷改管理

GIS技術(shù)與BIM技術(shù)將宏觀層面的空間地理信息與微觀層面的建筑信息跨界整合集成。懷德站施工場地內(nèi)涉及的地下管線錯綜復(fù)雜，管線遷改是制約施工進展的關(guān)鍵，通過無人機傾斜攝影技術(shù)采集現(xiàn)場信息，通過Super Map展示真實的地理測繪信息，繪圖精度可控制在5cm范圍內(nèi)。在GIS可視化數(shù)據(jù)平臺上通過BIM技術(shù)直觀展示地下管線遷改方案，優(yōu)化遷改位置及順序，協(xié)助論證方案的可實施性。通過模擬地下管線的遷改方案，三維可視化施工指導(dǎo)，使各個專業(yè)在施工過程中做到協(xié)同、高效。

3.2 基于BIM+建設(shè)管理平臺的質(zhì)量安全協(xié)同管理

項目施工過程中質(zhì)量及安全的管理往往是決定一個項目成敗及是否能順利進行的關(guān)鍵，因此如何及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并解決安全及質(zhì)量問題是項目管理人員所關(guān)注的重中之重。懷德站的建設(shè)過程中引入了BIM+建設(shè)管理平臺進行質(zhì)量安全協(xié)同化管理。技術(shù)人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不達標(biāo)或者有安全問題時，利用魯班手機端App、魯班協(xié)同軟件，將相關(guān)問題拍照記錄上傳，再將現(xiàn)場質(zhì)量安全問題照片在建設(shè)管理平臺中與BIM模型、人員相關(guān)聯(lián)，進行標(biāo)識，督促班組進行整改，整改完成形成完成報告。同時，可以隨時導(dǎo)出報告，進行資料存檔，做到了信息實時共享，及時精準(zhǔn)定位并解決相關(guān)問題。

4 基于BIM與有限元分析的聯(lián)合分析

4.1 基于BIM與有限元分析聯(lián)合的創(chuàng)建

該工程中基坑開挖深度為17.4～22.7m，需建立800mm厚的地下連續(xù)墻對主體進行圍護。利用已有Revit模型進行優(yōu)化并導(dǎo)入Midas GTS形成一個整體網(wǎng)格組后，為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型邊界設(shè)定如下：沿X軸方向上的左右邊界，約束X向的平動自由度；沿Y軸方向上的前后邊界，約束Y向的平動自由度；約束有限元模型底部的Z向平動自由度；模型頂部面為地表面，不施加任何的約束。確定L形墻整體三維模型尺寸為35m×35m×50m（長×寬×高），直形墻整體三維模型尺寸為40m×20m×50m（長×寬×高），最終形成網(wǎng)格模型（見圖2）。

圖2 Midas GTS網(wǎng)格模型

4.2 連續(xù)墻成槽過程中土體變形分析

此次分析采用地層-結(jié)構(gòu)法，充分考慮土層-結(jié)構(gòu)相互作用。成槽機+旋挖鉆施工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波會導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生一定程度的沉降，通過對L形連續(xù)墻和直形連續(xù)墻成槽過程進行數(shù)值模擬分析并生成施工過程位移云圖（見圖3），模擬各工況的變形情況，以驗證不同土體環(huán)境的工況在連續(xù)墻施工過程中的優(yōu)劣性。

圖3 L形連續(xù)墻和直形連續(xù)墻施工過程位移云圖

由圖3可知，當(dāng)L形墻兩側(cè)均為土?xí)r，最大豎向沉降量為2.06mm，最大隆起變形量為0.26mm；當(dāng)L形墻一側(cè)為土，另一側(cè)為混凝土?xí)r，最大豎向沉降量為1.27mm，最大隆起變形量為0.24mm；當(dāng)L形墻兩側(cè)均為混凝土?xí)r，最大豎向沉降量為0.99mm，最大隆起變形量為0.24mm。當(dāng)直形墻兩側(cè)為土?xí)r，成槽Z方向最大沉降量為3.60mm，最大隆起變形量為0.27mm；當(dāng)直形墻一側(cè)為土，另一側(cè)為混凝土?xí)r，成槽施工完成階段，成槽Z方向最大沉降量為2.92mm，最大隆起變形量為0.28mm；當(dāng)直形墻兩側(cè)均為混凝土?xí)r，成槽Z方向最大沉降量為2.26mm，最大隆起變形量為0.28mm。施工中各工況對應(yīng)變形控制優(yōu)劣排序從大到小依次為兩側(cè)混凝土、一側(cè)土一側(cè)混凝土、兩側(cè)土。

5 結(jié)束語

近年來，BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的被認(rèn)可程度越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣。文章以深圳市城市軌道交通12號線工程懷德站為實例，在沿海地區(qū)工程地質(zhì)條件差、風(fēng)險管控難度大、地下管線復(fù)雜、施工作業(yè)場地狹窄、施工方案選取困難及工期緊張等條件下，應(yīng)用BIM技術(shù)開展施工場地布置模擬、可視化交底、碰撞檢查等應(yīng)用，直接有效地解決了工程施工過程中的問題；同時，基于BIM技術(shù)與GIS、建設(shè)管理平臺、Midas GTS的融合應(yīng)用，進行管線遷改、質(zhì)量安全協(xié)同管理、施工監(jiān)測及方案模擬優(yōu)化，降低了項目管理難度，也為未來城市軌道交通BIM體系的推廣應(yīng)用做出了貢獻。