BIM技術(shù)在廣州地鐵11號(hào)線彩虹橋站的應(yīng)用

彭飛，劉義，陳卓，陳強(qiáng)，袁海林

（1.成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司，四川成都 610000；2.中國(guó)中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

彩虹橋站為廣州地鐵11號(hào)線的第17座車站，為11號(hào)線與8號(hào)線、13號(hào)線的換乘車站。車站位于東風(fēng)西路北側(cè)，沿流花湖東西方向設(shè)置，8號(hào)線北延段彩虹橋站位于荔灣路和東風(fēng)西路的交叉路口南側(cè)，沿荔灣路南北方向設(shè)置，11號(hào)線與13號(hào)線雙線平行同臺(tái)換乘，與8號(hào)線形成T字形換乘。車站全長(zhǎng)357.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬51.4 m，基坑開挖深度23.48～31.54 m，明挖順作法施工，頂板覆土2.5 m，連續(xù)墻深26.5～37.0 m。車站平面布置見圖1。

圖1 彩虹橋站平面布置圖

彩虹橋站為地下2層雙島式車站（局部地下3層），主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地連墻，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置3道混凝土撐+1道鋼支撐，換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)置4道混凝土撐+1道鋼支撐。主體結(jié)構(gòu)為地下2層（局部3層），5柱6跨結(jié)構(gòu)（站臺(tái)范圍為3柱4跨結(jié)構(gòu)），本站附屬結(jié)構(gòu)包含5個(gè)出入口、6個(gè)風(fēng)亭組、1個(gè)冷卻塔。車站三維結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 彩虹橋站三維結(jié)構(gòu)模型

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

11號(hào)線為廣州地鐵首次采用施工總承包模式的試點(diǎn)項(xiàng)目，是中國(guó)中鐵股份有限公司傾力打造的重大軌道交通項(xiàng)目施工總承包典范，其中工程特點(diǎn)及難點(diǎn)如下：

（1）環(huán)境異常復(fù)雜，協(xié)調(diào)工作量及難度大。車站位于廣州市老城區(qū)，周邊環(huán)境極其復(fù)雜［1］。地面交通、人流量較大，交通疏解困難；地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，管線改遷難度大。

（2）工程量大。彩虹橋站為地下2層雙島式車站（局部地下3層），全長(zhǎng)357.6 m（含換乘節(jié)點(diǎn)37.5 m），標(biāo)準(zhǔn)段寬為51.4 m（最大寬度為57.5 m），基坑開挖深度為23.48～31.54 m，工程量大。

（3）工期緊張。彩虹橋站為盾構(gòu)雙向始發(fā)車站，對(duì)總體工期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有重大影響。因項(xiàng)目是在2017年8月啟動(dòng)，根據(jù)工期節(jié)點(diǎn)要求及總體施工籌劃，車站東端頭需在2019年2月具備盾構(gòu)始發(fā)條件。彩虹橋站工程量大，施工工期緊張。

（4）地質(zhì)情況復(fù)雜，技術(shù)難度高。水文地質(zhì)條件較差，主要不良地質(zhì)流塑狀淤泥［2］，輕微砂土液化，連續(xù)墻成槽過(guò)程中槽間淤泥擾流，槽壁穩(wěn)定性差，影響連續(xù)墻質(zhì)量，基底位于中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，非爆破開挖難度大，功效極低［3］。

2 BIM應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

BIM應(yīng)用由公司統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，在項(xiàng)目經(jīng)理部BIM應(yīng)用中心的管理和組織下開展，統(tǒng)籌規(guī)劃BIM的應(yīng)用模式、方法、工具，為公司后續(xù)BIM推廣應(yīng)用作積極的探索［4］。項(xiàng)目經(jīng)理部不僅需搭建專業(yè)的BIM應(yīng)用團(tuán)隊(duì)、整合各專業(yè)工程人員參與、確保BIM應(yīng)用的深度和成效，還需搭建與公司相對(duì)一致、兼容性好的統(tǒng)一BIM技術(shù)系統(tǒng)和工具，確保BIM應(yīng)用作為示范更容易推廣；同時(shí)需要高度重視BIM建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，提高BIM應(yīng)用水平。為保障項(xiàng)目總體目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，并為具體工作提質(zhì)增效。在彩虹橋站項(xiàng)目開展BIM技術(shù)應(yīng)用，不僅有BIM應(yīng)用環(huán)境搭建、軟件部署實(shí)施、建模、深化應(yīng)用、數(shù)字化移交［5-7］，還將通過(guò)項(xiàng)目經(jīng)理部BIM示范，帶來(lái)額外價(jià)值：

（1）帶起一個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)。通過(guò)BIM應(yīng)用及其過(guò)程中的培訓(xùn)、認(rèn)證考試、知識(shí)轉(zhuǎn)移，逐步建立起一個(gè)懂業(yè)務(wù)、熟BIM的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，為公司后續(xù)BIM深化應(yīng)用乃至通過(guò)信息技術(shù)進(jìn)行公司轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

（2）形成一套系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)BIM應(yīng)用，打造一個(gè)具有一定先進(jìn)性、更具有高度實(shí)用性的BIM應(yīng)用系統(tǒng)，以及在系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用中逐步形成適用于中國(guó)中鐵股份有限公司的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)BIM推廣奠定良好基礎(chǔ)。

（3）申請(qǐng)多個(gè)專利技術(shù)。通過(guò)BIM應(yīng)用，共同在關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，特別是圍湖擋墻與模型的結(jié)合方面、狹窄場(chǎng)地施工作業(yè)區(qū)域布置方面，形成專利技術(shù)。

（4）獲得共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過(guò)BIM應(yīng)用，共同在關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行實(shí)踐，在部分特定場(chǎng)景的系統(tǒng)功能應(yīng)用上，與開發(fā)服務(wù)方共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2.2 團(tuán)隊(duì)組織

項(xiàng)目從2017年8月啟動(dòng)，成立以彩虹橋項(xiàng)目部和外部咨詢單位BIM工作組作為項(xiàng)目實(shí)施團(tuán)隊(duì)。在團(tuán)隊(duì)中，成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司（簡(jiǎn)稱成都希盟泰克）負(fù)責(zé)項(xiàng)目的直接執(zhí)行；中鐵二局城通公司為項(xiàng)目提供全方位保障，按時(shí)準(zhǔn)備項(xiàng)目執(zhí)行所需的軟硬件、網(wǎng)絡(luò)、辦公環(huán)境，跟蹤與解決和軟硬件有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)提供對(duì)文件、管理人員、用戶、系統(tǒng)環(huán)境和其他資源上的配合與協(xié)調(diào)。團(tuán)隊(duì)組織架構(gòu)見圖3。

圖3 團(tuán)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)

2.3 軟硬件環(huán)境

（1）硬件環(huán)境：由模型工作站、盾構(gòu)監(jiān)控服務(wù)器、VR系統(tǒng)服務(wù)器、VR頭盔構(gòu)成，各硬件所需CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤等配件具體參數(shù)見表1。

表1 硬件配置與參數(shù)

（2）軟件環(huán)境：軟件包括BIM建模軟件、模型處理軟件、BIM 3D引擎、動(dòng)畫制作軟件、VR 3D引擎，實(shí)現(xiàn)以上功能的各種軟件具體型號(hào)見表2。

表2 軟件配置及型號(hào)

3 BIM應(yīng)用與設(shè)計(jì)

3.1 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

（1）地質(zhì)模型構(gòu)建。工作內(nèi)容包含彩虹橋站范圍內(nèi)地層信息的地質(zhì)模型及流花湖開挖和回填的地質(zhì)模型。相關(guān)示例見圖4、圖5。

圖4 地質(zhì)模型構(gòu)建流程

圖5 標(biāo)準(zhǔn)斷面地質(zhì)模型

（2）臨建BIM模型構(gòu)建。彩虹橋站工程施工場(chǎng)地臨建BIM模型用于反映施工場(chǎng)地布置（見圖6、圖7）和臨時(shí)建筑規(guī)劃、場(chǎng)地周邊交通疏導(dǎo)方案［8］。主要模型結(jié)構(gòu)類型包括場(chǎng)地內(nèi)外交通及主要結(jié)構(gòu)。工作內(nèi)容包含施工場(chǎng)地及周邊臨建的模型構(gòu)建（見表3）。

（3）主體工程模型構(gòu)建。彩虹橋站為地下2層（局部3層）結(jié)構(gòu)，5個(gè)出入口、2組風(fēng)亭。車站模型應(yīng)按豎向分層劃分，并建立主體結(jié)構(gòu)模型（見圖8、表4）。

建立與主體工程相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)筑物、主要河流段、地表建筑物的關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，用于反映與主體工程的位置關(guān)系和重要距離參數(shù)，需進(jìn)行下穿構(gòu)/建筑物建模（見表5）。

圖6 彩虹橋站臨建BIM模型

圖7 周邊環(huán)境和臨時(shí)場(chǎng)地臨建模型

表3 臨建BIM模型清單

（4）設(shè)備模型構(gòu)建。項(xiàng)目擬搭建的大型施工設(shè)備模型主要為鉆機(jī)、挖機(jī)、吊機(jī)模型，可用于反映在車站施工中。相關(guān)設(shè)備模型見圖9。

3.2 BIM高級(jí)應(yīng)用

（1）車站主體施工仿真。主要針對(duì)已建立的整體結(jié)構(gòu)BIM模型，對(duì)車站主體施工的全過(guò)程進(jìn)行模擬仿真（見圖10），對(duì)施工過(guò)程的重難點(diǎn)工藝進(jìn)行分化，形成車站主體施工仿真視頻。仿真價(jià)值在于：施工模擬；方案優(yōu)選；工籌仿真；指導(dǎo)施工［9］。

表4 主體模型清單

圖8 主體結(jié)構(gòu)模型

表5 主體工程相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)筑物清單

（2）BIM模型視圖系統(tǒng)及移動(dòng)端。通過(guò)BIM模型視圖系統(tǒng)隨時(shí)在線查詢?nèi)SBIM輕量化模型、模型屬性信息（見圖11、圖12）。優(yōu)勢(shì)在于：隨時(shí)查看BIM模型；模型支持IOS及安卓移動(dòng)端；全屬性查看；通過(guò)結(jié)構(gòu)樹對(duì)模型快速選擇。

（3）VR車站主體漫游。通過(guò)VR與BIM技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車站主體的虛擬漫游，以達(dá)到身臨其境的感受。其價(jià)值在于：通過(guò)VR+BIM技術(shù)［10］實(shí)現(xiàn)“真實(shí)體驗(yàn)”，實(shí)現(xiàn)彩虹橋站全景漫游。

圖9 大型施工設(shè)備模型

圖10 車站主體施工仿真

圖11 Web端查看BIM模型

圖12 移動(dòng)端查看BIM模型

3.3 BIM創(chuàng)新應(yīng)用

在BIM創(chuàng)新應(yīng)用方面，主要以對(duì)基坑開挖施工組織計(jì)劃的研究和頂管穿越高架橋樁基間距的仿真模擬為主。利用BIM技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)、AI算法，研發(fā)行業(yè)內(nèi)首款結(jié)合實(shí)際工程施工的施工組織系統(tǒng)。通過(guò)工程施工仿真BIM模型數(shù)據(jù)，控制工程施工過(guò)程、機(jī)械設(shè)備投入、材料供應(yīng)及運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)施工環(huán)節(jié)，對(duì)仿真模擬出的施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分析，提供合理的施工組織計(jì)劃，提升工程項(xiàng)目的管理水平。

圖13 VR車站漫游

（1）基于BIM的深基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工組織計(jì)劃深化應(yīng)用研究。深基坑開挖施工組織計(jì)劃深化應(yīng)用研究需結(jié)合車站BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行車站施工組織仿真模擬（見圖14），對(duì)施工方案和設(shè)備投入進(jìn)行施工前的預(yù)演，以確定車站工程施工組織計(jì)劃、資源和設(shè)備投入的合理性［11］。

基于BIM技術(shù)的深基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工組織計(jì)劃應(yīng)用研究所需完成的主要工作如下：協(xié)調(diào)車站基坑開挖、基坑支護(hù)、渣土運(yùn)輸?shù)雀黜?xiàng)進(jìn)度的前提下，達(dá)到挖、轉(zhuǎn)、支等各種施工工序的綜合平衡；復(fù)核施工方案的可行性，動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整施工資源配置、施工強(qiáng)度和工期；完成深基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工的施工組織計(jì)劃模擬視頻。

（2）基于BIM技術(shù)的頂管穿越仿真模擬應(yīng)用研究。主要針對(duì)頂管穿越高架橋樁基間距仿真模擬的內(nèi)容，根據(jù)頂管穿越的參數(shù)、力學(xué)信息等，仿真模擬頂管穿越高架橋樁基全過(guò)程，基于BIM模型動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)［12-13］。并且避免在施工過(guò)程中對(duì)已有建筑造成破壞。頂管穿越施工仿真，首先需要建立動(dòng)力學(xué)仿真模型；然后設(shè)置有限元邊界條件；最后對(duì)頂管穿越高架橋樁基全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，確保在施工過(guò)程中由于運(yùn)動(dòng)變化使建筑結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境等產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變變化范圍在周邊建筑的安全值以內(nèi)。

4 項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)與成果

（1）搭建了廣州地鐵11號(hào)線彩虹橋站工程項(xiàng)目的BIM管理與應(yīng)用組織機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全項(xiàng)目BIM工作的統(tǒng)一管理。

（2）建立了適用于彩虹橋站工程項(xiàng)目BIM應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系和規(guī)章制度及其相應(yīng)的BIM技術(shù)環(huán)境，規(guī)范本項(xiàng)目各階段的BIM技術(shù)應(yīng)用并達(dá)到了預(yù)期效果。

（3）建立了各類模型，基于模型開展深化設(shè)計(jì)工作，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件中的錯(cuò)漏碰缺，提高深化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

（4）建立了BIM基礎(chǔ)應(yīng)用方案，充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)重要施工專項(xiàng)方案進(jìn)行模擬，監(jiān)控工作情況，預(yù)測(cè)施工作業(yè)情況，提高施工方案的可實(shí)施性并輔助驗(yàn)證實(shí)施效果，采用三維交互模式進(jìn)行輔助技術(shù)交底。

（5）建立了BIM施工協(xié)同系統(tǒng)，利用BIM模型與施工組織及項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況的關(guān)聯(lián)，協(xié)助完成進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本和施工信息的高效項(xiàng)目管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理全過(guò)程的精細(xì)化，為項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的各項(xiàng)決策提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步提升鐵路建設(shè)項(xiàng)目信息化管理水平，為鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理提供技術(shù)支持。

（6）建立了工程全景實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，提高項(xiàng)目經(jīng)理部對(duì)工程整體情況的掌控。

圖14 工程施工組織仿真模擬架構(gòu)

（7）通過(guò)接入業(yè)主和中國(guó)中鐵股份有限公司的現(xiàn)有相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，獲取更豐富的項(xiàng)目信息，并通過(guò)BIM應(yīng)用方式，提高工程項(xiàng)目管理的信息化程度，提高工程管理的效率和科學(xué)性。

（8）實(shí)現(xiàn)了工程模型、設(shè)備模型等信息與資料等一體化、數(shù)字化交付，為后續(xù)項(xiàng)目運(yùn)維奠定數(shù)字基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）BIM應(yīng)用貫穿施工建造環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建造過(guò)程的展現(xiàn)和管控（安全、投資、進(jìn)度、質(zhì)量），提高了工程科學(xué)管理水平。

（2）BIM應(yīng)用融入工程建造的各工藝工序中，優(yōu)化施工方案、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率。

（3）BIM應(yīng)用為工程數(shù)字化移交留下材料，通過(guò)數(shù)字化提高工程移交的完整性、高效性，為業(yè)主后續(xù)與資產(chǎn)管理結(jié)合提高資產(chǎn)管理水平奠定基礎(chǔ)。