BIM 技術在地鐵車站與暗挖區間土建施工中的集成應用

朱鵬飛 武 猛 薛 攀

近年來，隨著經濟社會的迅速發展，城市化進程不斷加快。然而，交通擁堵成為城市化發展過程中的主要阻礙。為有效緩解交通壓力，政府加大對城市軌道交通項目的支持力度。地鐵站建設相較于其他工程項目更復雜，因此應積極采用新技術。BIM 技術在地鐵車站土建工程中發揮了重要作用，能夠實現施工過程的精細化和動態管理，有效確保地鐵車站的總體質量，提高地鐵站的穩定性和安全性，并實現施工過程中進度、質量和安全管理的一致性。

1 BIM 技術在地鐵車站土建施工中的應用

1.1 工程效果設計

通過使用BIM 技術，可以在招投標過程中構建地鐵站模型，通過色彩調整和動畫制作，使設計成果更直觀。隨著時間的推移，BIM 技術已廣泛應用于地鐵建設領域，從最初的單一部分擴展到整個項目和過程，降低了出現錯誤的可能性，并提高了施工效益。此外，BIM 技術的應用還有助避免因重復施工而導致的資源浪費。

1.2 綜合管線設計和安裝碰撞檢查

在傳統地鐵建設過程中，碰撞檢查需要在所有專業設計圖紙匯總之后才能進行，此過程不僅耗費大量的時間和精力，還可能影響工程進度。近年來，BIM 技術引入管線和相關設備的碰撞檢測中。在完成碰撞檢查后，根據檢測結果進行優化調整，可有效地消除碰撞。同時，通過三維建模技術將傳統二維圖紙轉換為更直觀的形式，能夠提升工作人員的讀圖和理解圖像能力。

此外，在構建三維模型的過程中，工程人員能夠及時發現圖紙中的不合理和沖突等問題，并在建模過程中與相關方進行溝通并解決這些問題，以避免二次施工。三維建模的過程也可以視為一次圖紙審查的過程，能有效縮短工期并降低成本。例如，利用BIM 技術組合各類單獨的部件族，構建出一個綜合支吊架模型的嵌套族[1]。在拼裝過程中，只需參照制造商深度改良后的綜合管道圖紙的剖面圖，并依照制造商提供的配件清單，即可輕松完成整個拼裝流程。在完成綜合支吊架模型的定位工作后，可以通過剖面視圖進行碰撞檢測。例如，可以檢測支吊架與結構的碰撞情況、支吊架與管線的碰撞情況以及綜合支吊架的布局是否合理等。通過采用碰撞檢查的方式，能夠在施工圖中預先找到錯誤和碰撞點，從而制訂更合理的設計策略。

1.3 制訂虛擬施工方案

對于地鐵車站建設的規范性管理，由于建設現場的使用空間受限且多位于城市中心，因此帶來了更大的挑戰。通過BIM 技術可以進行三維施工場地規劃和立體施工計劃，合理設置物資存儲、起重、吊車停靠及臨時施工區域，充分利用施工現場的空間，實現標準化的建筑施工。同時，利用BIM 技術可以將時間因素融入三維空間模型中，實現4D 模擬施工，優化施工周期。此外，利用BIM 技術還可以進行預先模擬實驗，如吊車、盾構機等重型設備如何進入工地以及材料如何科學擺放等。

在地鐵車站的建設過程中，盾構隧道在施工過程中可能會遇到與周圍巖石地質狀態有較大偏離的問題。通過利用BIM 技術創建的三維地理模型以及隧道的主要結構，可以更好地了解巖石地理狀態及其埋藏深度，從而為制訂施工計劃提供支持。

1.4 工程量及成本分析統計

在常規的工程管理過程中，材料成本管理存在兩個顯著的問題：第1，材料成本控制大多通過設置最大供應量實現，但缺乏統一的供應量規范，會影響材料使用的合理性和準確性評估；第2，人工統計方式的工作量大且容易產生誤差，難以與項目實施保持同步。

通過應用BIM 技術進行管理，可以避免上述問題。每日記錄各類材料的真實使用量，根據構件同步生成真實使用量與理論使用量的對比圖，項目部能夠實時分析材料的消耗情況，有助于發現超出正常使用量的建筑區域，并分析材料的損耗原因，為制訂節約資源的策略提供數據依據[2]。此外，在后續建設階段，應用BIM 技術還能夠避免出現類似的超出預算的材料浪費，改進工程成本控制方法，為日后工程建設積累經驗。

1.5 項目協同管理

借助一體化的平臺信息，可以有效監管建筑工地質量、進度及安全管理等工作。技術安全人員在檢查工地時，能實時上傳安全問題的圖像，并立即通知生產區的其他員工，從而迅速解決問題。同時，通過數據的共享與集中分析，能夠對現場的建筑安全問題進行追蹤管理。利用BIM 技術創建的數據庫能幫助現場人員有效監控項目進度，并向非現場人員發送每周的施工進展報告，獲取精確的實時進度信息。

2 BIM 技術在暗挖區間土建施工中的集成應用

2.1 工程概況

重慶地鐵5 號線隧道位于隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）接收井與大石壩車站之間，左側線路長度為430.954 m，右側線路長度為430.639 m，全部采用鉆爆法進行建設。區間主要由單洞單線隧道構成，其包含紫紅色和暗紅色的泥巖以及粉砂巖，同時夾雜青灰色和灰白色的中等到厚度的砂巖。地層從高到低依次為第四系的新覆蓋層、殘坡積層以及侏羅系中期的沙溪廟組沉積巖層。

2.2 模型構建

通過使用計算機輔助三維交互應用（Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application，CATIA） 的 建模平臺，創建區域性的三維地質模型、隧道模型、開挖模型以及與隧道施工相關的配套輔助設備模型。基于現有的建設計劃，使用數字化企業的互動制造應用軟件（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，DELMIA），將CATIA 創建的三維模型進行分解，并在電腦上進行虛擬展示，如圖1 所示。此外，在執行過程中，還發現了一些關鍵問題，工作人員及時對現場的施工組織和計劃進行了相應的改進。

圖1 車站整體模型（來源：網絡）

2.2.1 三維地質模型

構建區間隧道模型的基礎是地質模型，包括場地設計、開掘位置與方向以及前進路線。在經過初步地質勘查和規劃設計后，將計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD） 圖紙中的區域地形等高線數據轉化為美國標準碼（American Standard Code，ASC）格式，然后在CATIA的“Digitized Shape Editor”模塊中處理初始點云數據，并使用Mesh 面創建命令創建地形網格面。最后，利用拉伸技術，可以將地質的縱向剖面、各個巖石層的形態以及其他的構造數據通過智能化的推理，創建出與地質勘查相同精確度的三維地質模型。

2.2.2 隧道模型

隧道建模任務主要包括繼承骨架、繪制草圖以及構建開挖支護模型步驟為：第1，在初步構建三維地質模型的基礎之上，依據地質狀況、斷面尺寸、開挖技術等，對三維線路進行繼承并截取區間線路，從而獲得隧道的二級骨架。第2，為滿足CATIA部件的設計需求，根據隧道的凈空、列車規格和速度等因素，創作對應的輪廓草圖。第3，在創建模型的初步草圖之后，在三維環境中運用CATIA的多種功能命令，如拉伸、旋轉、開槽、傾斜和偏移等創造隧道三維實體。

2.2.3 隧道開挖模型

根據TBM 接收井至大石壩站的鉆爆法建筑策略，以區域地質模型為基礎，參照設計方案進行仿真模擬開挖。在道岔區間的施工過程中，首先開挖左側的導洞（該過程分為上下兩個階段進行），然后再挖右側的導洞。上階段的開挖高度約為8.4 m，并且需要立即進行初期支撐和臨時支撐結構的施工。在初期支撐和臨時支撐的保護下，逐層挖掘核心土臺階直至基底，然后進行仰拱和二襯的施工[3]。二次襯砌緊隨核心土開挖及初期支護施工，拱墻襯砌與核心土步距一般情況下不超過30 m。

依據先進行右側單洞雙線，后進行左側單洞單線的施工策略，將在區間的左右兩側建立開挖模型。對于右邊的單洞和雙線段，首先在右邊挖掘出導洞，然后再在左邊挖掘。根據正臺階法建造這些導洞，同時盡快建設初期支護結構。在初期支護結構的保障下，逐漸將模型臺階推向地面，最終完成對于仰拱和底板的建設。在左洞的單洞單線上，使用微臺階并加大了支護力度。同時，采取超前支護措施，確保挖掘的臺階長度不超過5 m；左右線之間的掌子面間隔應該保持在15 m 以上。

2.2.4 隧道施工機械及相關輔助設備模型

構建隧道施工設備模型，該模型包括挖掘機、裝載機、渣土車以及其他相應的輔助裝置，如通風器、供排水管和電源箱。此外，將該模型與后續的施工模擬相結合，模擬步驟包括爆破、挖掘和清理廢物等，以滿足對各種工序的虛擬施工技術需求。通過這種方式提高隧道施工計劃的真實性，并使模擬結果更準確。

2.3 仿真模擬技術在不同施工階段中的應用

根據當前的施工組織設計規范，利用DELMIA 軟件細化隧道模型，并添加時間特征，以更準確地模擬隧道的施工過程、主要區域和復雜環節。在項目啟動之前，全面了解施工過程中的困難和挑戰，并找出潛在問題，以便優化施工策略，同時對現場的人力、設備和物資進行調配。

2.3.1 施工組織設計階段

在施工設計階段，仿真模擬技術主要用于模擬方案，為全面施工管理提供支持。首先需要評估初步規劃的適應性，為后續項目順利實施提供指導，并實現總體設計的最優化。

2.3.2 現場實施階段

建設隧道是一個復雜且連續的過程，包括爆破、通風、排渣等多個環節，每個環節的作業時間都可能存在波動。因此，在實際開挖過程中，難免會出現停工情況，發生停工將導致部分區域建設進度推遲，并可能影響其他區域的建設進度，從而延長整體建設周期。如果僅依賴設計人員使用傳統計算手段，很難基于實際工作狀況制訂合理的施工策略[4]。

通過DELMIA 軟件能夠將預先設定的建設規劃與三維靜態隧道模型相結合，將其融入時間維度，轉化為四維動態模型。此模型能夠展示每個環節的作業流程。例如，能夠模擬鉆孔爆破、通風排煙、裝載出渣、圍巖支護等作業的時間和空間關聯性[5]。道岔區間段的初級和二級襯砌作業流程如圖2 所示，單洞雙線段的初級和二級襯砌建設流程如圖3 所示。通過細分并實時展示各施工環節，能夠在計算機上呈現施工計劃和組織策略，從而發現施工過程中的時間和空間問題，并不斷優化區間隧道的初步建設和二次襯砌的工作流程。

圖2 道岔區間段的初級和二級襯砌作業流程（來源：網絡）

圖3 單洞雙線段的初級和二級襯砌建設流程（來源：網絡）

3 結語

將BIM 技術應用于我國地鐵站的土建項目中，不僅可以顯著提高土建項目的施工效率，還可以借助BIM 技術構建三維立體模型，使技術人員能夠全面研究影響土建項目順利推進的各種因素，并以科學、合理的手段進行處理，從而確保施工計劃的有效性。本文探討了BIM 技術在地鐵車站與暗挖區間土建施工中的集成應用，以期能夠為相關研究提供借鑒。