BIM技術在軌道交通施工中的應用

卞晨杰，李小戌，王書明，樹 葉

(1.金陵科技學院建筑工程學院，江蘇 南京 211169；2.空中客車(中國)企業(yè)管理服務有限公司，北京 101300)

1 引言

在能源危機與環(huán)保壓力日益加大的今天，軌道交通具有綠色、快捷、安全、舒適的特點，日益被廣泛運用。截至2016年末，我國累計30個城市建成投運城軌交通線路133條，運營線路長達4153 km，其中地鐵線長3168.7 km，占比76.3%。2016年城市軌道交通完成投資3847億元，在建線路總長5636.5 km，均創(chuàng)歷史新高，這有效地緩解了我國各一線城市的交通壓力。在未來，我國的城市軌道交通線路網將進一步擴張。軌道交通工程建設規(guī)模大，所處施工環(huán)境大多復雜，因此軌道交通施工技術必須引起足夠的重視。

2 軌道交通施工的特征

2.1 建設環(huán)境復雜

軌道交通的建設通常需要貫穿城市中心地帶，在施工過程中就不可避免地會遇到地上已建房屋、管線、橋梁、隧道、道路等建(構)筑物和設施，以及文物、地表水體等，其中穿越已有線路的施工，就是典型的特級風險源。因此周邊的復雜環(huán)境給軌道交通的建設工作帶來了許多難題。

2.2 建設規(guī)模大、周期長

目前在我國一線城市的軌道交通線網規(guī)劃里程數(shù)達百余公里至數(shù)百公里，如上海達673 km，北京達600 km，且軌道交通每公里的造價高達5-7億元左右。至于其建設周期，單線建設一般為4～5年，線網建設一般要30～50年。

2.3 控制標準嚴格

軌道交通工程在其區(qū)間隧道，深基坑等開挖過程中，要嚴格保證周邊建筑物、構筑物、設施、橋梁、隧道、道路、管線等不發(fā)生嚴重沉降和坍塌，這不僅是保證地面建筑物、行人的安全，也是保證地下列車和軌道的貼合程度符合要求，從而有效地避免脫軌事故的發(fā)生，通常地面沉降控制在3 mm以內。因此對于如此嚴苛的施工標準，就給現(xiàn)有的施工技術帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

3 軌道交通隧道工程施工技術

3.1 明挖回填法

一般情況下，在沒有上部環(huán)境條件限制時，通常會采用明挖回填法。該法顯而易見，是類似于土建工程的基坑開挖，先由挖掘機和工人從地面開挖，開挖過程中需要在基坑周圍放坡、做支護，支撐等，以防止周圍土方塌陷，保證工人的安全，之后在基坑中進行主體結構施工以及防水作業(yè)，最后進行土方回填恢復地面的一種工法，明挖法通常分為無支護放坡開挖和基坑支護開挖兩種形式。明挖法施工工藝簡單，費用低，速度較快，但施工時對地面影響很大，需長時間占用公路設施等，在施工過程中會產生較大的噪音污染，因此在使用該方法時有很大的限制，特別是在人口密集，交通繁忙的中心城市地帶。

3.2 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是由新奧法發(fā)展而來的一種工程方法，它在距離地面較近的位置進行各種形式的地下洞室暗挖施工。淺埋暗挖法大多用于穿越山丘線路等，在城市施工中的特殊情況下也可予以使用。其工藝流程為預先支護并加固，后進行土方開挖，為防止土方坍塌進行初期支護，在支護達到一定強度并保持穩(wěn)定后開始防水層施工，最后二次襯砌[2]。其中土方開挖工藝繁多，大致分為全斷面開挖、正臺階開挖、環(huán)形開挖預留核心土、單側壁導坑、雙側壁導坑、中隔壁法、交叉中隔壁法七種形式。淺埋暗挖法的施工工藝靈活多變，對地下管線和路面環(huán)境等影響較小，施工場地用地面積小，不擾民。因此在全國范圍內該法應用廣泛，例如北京地鐵復西區(qū)間、西單車站、長安街地下過街通道及地鐵復—八線等都采用了該法。

3.3 盾構法

盾構法是由暗挖法發(fā)展而來的一種機械化的施工方法，由盾構機頂部的刀片在土中挖掘前進，再通過盾構機的外殼和管片支撐四周土壁以防止土層坍塌。盾構法的施工工藝流程為建造豎井—盾構機的拼裝、吊放—土層開挖—推進糾偏—襯砌拼裝—襯砌壓注[1]。此外，盾構法的優(yōu)勢很大，因此在國內外應用廣泛，它完全在深層地底施工不會影響地面的正常交通，施工過程中所產生的噪音、震動較小，對地面建筑物和地下管線影響較小等。因此，盾構法適用于交通繁忙的中心城區(qū)。但盾構機的購置費昂貴，造價不夠經濟，且不適用于斷面形式多變的地域，故對于一些較短的線路不采用盾構法。

4 BIM技術在軌道交通施工過程中的應用

BIM技術具有可視化模擬、沖突檢查、三維化、信息化等優(yōu)點，目前在軌道交通的施工過程中BIM技術的應用主要包括：施工場地的規(guī)劃和綜合布置、施工過程的可視化模擬、管線及結構的碰撞檢測、風險源的識別和快速預警。

4.1 施工場地規(guī)劃及綜合布置

軌道交通的施工環(huán)境復雜，施工場地具有局限性，在進行場地規(guī)劃時往往要涉及地上已建建筑物，地下管線等復雜狀況，各個單位在施工圖完成后，在狹小的空間內進行十幾個專業(yè)的同時交叉施工，這會導致施工工序紊亂，無法發(fā)現(xiàn)一些盲點，輕則重新返工，重則引發(fā)安全事故。因此要保證整個場地的有序性、協(xié)調性是一項困難的工作。但BIM技術的出現(xiàn)恰好可以解決這樣的問題，在施工過程中應用BIM技術能更好地布置施工場地和組織現(xiàn)場施工，有效地降低風險、提高效率和節(jié)約成本。其中包括大型機械吊裝設備安裝場地的規(guī)劃、人員調動的規(guī)劃等。

4.1.1 大型機械吊裝設備安裝場地的規(guī)劃

在軌道交通施工過程中，塔吊、泵車等都是必不可少的施工機械，在過去運用圖紙測算的方法不精確且耗時很長，而應用BIM技術，可以將這些大型設備進行建模，然后將模型導入設備管理平臺進行分析，可以更為直觀地調整設備的外形和尺寸，調整設備安裝和運輸?shù)木€路，可視化的操作平臺加上精確的數(shù)據(jù)分析能夠有效地避免以上的問題。

4.1.2 人員調動的規(guī)劃

其中人員調動的規(guī)劃也是BIM技術中的一項，將不同工種的人流分布導入BIM模型后，可以實現(xiàn)對施工現(xiàn)場、生活區(qū)、辦公區(qū)的人流量模擬以便于組織疏散，提高安全防范水平，同時還能夠模擬交叉作業(yè)的施工人數(shù)，以便于有效地調動人員，提高施工進度，避免窩工等現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 施工過程可視化模擬

在傳統(tǒng)的施工中，設計院出圖后需專業(yè)人員進行識圖并指導工人施工，而BIM技術能將設計院設計的施工圖紙，其中包括平面圖、立面圖、剖面圖等，輸入系統(tǒng)當中轉化為三維圖的效果，實現(xiàn)了設計圖紙的可視化，后期還可進行4D動畫的模擬，在開工前就對施工全過程進行模擬，能夠有效地驗證施工方案的可行性并對一些關鍵部位的施工進行最終的調整[5]。在軌道交通施工這種多專業(yè)交叉作業(yè)的條件下，進行施工工序、設備安裝等方面的模擬，有效地提高了施工過程中的組織協(xié)調水平，讓施工效率達到最大化。此外，在施工過程中難免會發(fā)生某些突發(fā)狀況，如大型設備的送檢、施工材料的進場等等，應用BIM技術能夠提前地模擬場地的空間，規(guī)劃施工過程中可以通過的路線，從而避免事故的發(fā)生。

4.3 管線及結構碰撞檢測

軌道交通的建設包含大規(guī)模的土建工程和機電工程，這兩者往往貫穿于施工過程的始終，因為現(xiàn)場的空間有限，管線的錯綜布置，使得施工順序紊亂，施工效率較低。同時，因為現(xiàn)場操作的失誤，或者設計圖紙的問題會引起碰撞，其中包括：管線與管線間的碰撞，管線與建筑結構的碰撞[6]。這會導致設計人員花費大量時間進行調整或者重新返工，極大程度地影響了工期，增加了工程造價。

目前，BIM技術的出現(xiàn)提供了相應的revit技術，該技術可有效地進行全方位碰撞檢測，設計出多種管線鋪設的方案并進行對比選擇。在軌道交通建設中應用BIM技術能精準地確定管線預留孔洞以及管線支架的位置，提高空間的利用率。同時，基于BIM的模型，能夠發(fā)現(xiàn)管線與結構或管線與管線之間的沖突，預測管線碰撞的發(fā)生，并將碰撞結果檢測發(fā)送至各單位及時進行調整從而避免了后期返工。綜上所述，BIM技術有效地優(yōu)化了管線的布置。

4.4 風險源的識別和快速預警

建立地下工程的BIM模型可以實現(xiàn)二維和三維視角下的全程監(jiān)測，其中包括設備狀態(tài)的實時監(jiān)測、周邊環(huán)境變化的監(jiān)測、施工質量的監(jiān)測等，通過對隧道施工全過程的監(jiān)控可以及時地識別潛在風險源，并及時啟動動態(tài)智能預警，及時疏散地下施工人員，防止事故的發(fā)生。

4.5 BIM技術在隧道工程中的應用實例

我國研發(fā)了隧道工程BIM設計軟件平臺。針對沉管、鉆爆、盾構等工法，開發(fā)了專業(yè)的BIM設計模塊。

4.5.1 港珠澳大橋拱北隧道

港珠澳大橋拱北隧道為港珠澳大橋珠海連接線的關鍵施工段，是繼港珠澳大橋主橋后又一世界級工程，該隧道全長2.74 km，包括海域明挖段、口岸暗挖段、陸域明挖段，地質條件極差。在該施工段的施工過程中，我國成功地實現(xiàn)了BIM多專業(yè)協(xié)同施工、BIM隧道設計流程的可視化、BIM三維模型與出圖、路線線形設計。其中路線線行設計結合了Revit建筑軟件和JSL路線專家系統(tǒng)。在暗挖段通過BIM模型分為5個臺階、15分區(qū)，這讓現(xiàn)場的管理人員更加方便地指揮工人施工。

4.5.2 西成鐵路清涼山隧道

清涼山隧道全長12.553 km，是西成高鐵自北向南進入秦嶺的第一條長大隧道。在西成鐵路清涼山隧道的建設過程中，成功地引入了BIM技術。它是國內第一批鐵路工程BIM應用試驗點，工程的設計階段和施工階段均與BIM技術相銜接。其中各單位主要嘗試了：建立橋隧BIM模型、4D施工工法模擬、模擬實際地形場景、形成基于BIM的建設階段管理平臺等新技術。清涼山隧道的順利貫通，為BIM技術在軌道交通建設中的應用打下了堅實基礎。

5 結語

當前，我國軌道交通事業(yè)正飛速發(fā)展，在交通強國戰(zhàn)略的支持下逐步實現(xiàn)了從跟跑、并跑到領跑的目標，我國各大一線和新一線城市開始擴大和引入城市軌道交通線路網以滿足人們日常出行的需求，逐步實現(xiàn)綠色、環(huán)保的交通出行理念。這就給軌道交通的施工技術帶來了巨大考驗，隨著城市交通水平的快速發(fā)展，施工技術也必須不斷地創(chuàng)新適應時代的變化。近些年，工程界衍生的BIM技術給軌道交通建設帶來了巨大的變革，通過引入BIM技術實現(xiàn)了整個建設過程的可視化、信息化、模擬化，達到了提升效率，縮短工期等目的。然而，目前BIM技術還在逐步開發(fā)完善當中，各方人員仍需要大量實踐，以積累經驗來探索BIM技術在軌道交通中的發(fā)展道路。