BIM技術(shù)在地鐵車站施工管理中的應(yīng)用研究

□ 阮曉晨 袁龍泉

隨著城市化進(jìn)程的加快，各城市的汽車保有量迅速增加，導(dǎo)致城市道路日益擁堵，汽車排放的尾氣也帶來(lái)了溫室效應(yīng)、全球變暖等環(huán)境問(wèn)題。為了緩解城市交通擁堵，改善空氣質(zhì)量，許多城市開(kāi)始發(fā)展城市軌道交通。在城市軌道交通的建設(shè)中，地鐵車站施工是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，明挖法施工在此得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的施工方法是通過(guò)二維CAD圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，但近年來(lái)BIM技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用已逐漸興起。

1 ??BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM技術(shù)，其英文全稱為Building Information Modeling，其中文全稱為建立建筑信息模型，主要通過(guò)采集建筑工程項(xiàng)目中的各種相關(guān)工程信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行建筑模型的三維圖像建立，并運(yùn)用信息數(shù)字化的三維幾何建模方式呈現(xiàn)建筑物的實(shí)際狀況。建筑三維立體模型通過(guò)將工程項(xiàng)目中從設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營(yíng)整個(gè)過(guò)程所含有的數(shù)字信息、功能要求和性能等建筑信息整合集成，將數(shù)字信息化管理應(yīng)用于整個(gè)建筑項(xiàng)目全生命周期中。在借助BIM技術(shù)前提下所構(gòu)建出來(lái)的建筑設(shè)計(jì)形態(tài)屬于三維立體模型，可以最大限度地將實(shí)體建筑的各種信息予以全面地反映出來(lái)；而在應(yīng)用表現(xiàn)方面，其所具有的特點(diǎn)不僅包括協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性及可出圖性，同時(shí)還包括可視化、模擬性。在工程項(xiàng)目各階段，都可借助BIM技術(shù)將項(xiàng)目未完成的部分繪制出來(lái)，從而將與之相關(guān)的數(shù)據(jù)信息反映出來(lái)，并基于數(shù)字化信息集成的管理思路來(lái)對(duì)工程項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)、中期施工以及后期運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程展開(kāi)管理[1]。

從地鐵施工的實(shí)際流程來(lái)看，通過(guò)BIM技術(shù)構(gòu)建專門的施工管理體系，使整個(gè)工程以更為安全的姿態(tài)運(yùn)作，保證相應(yīng)的職能人員以動(dòng)態(tài)化的方式了解當(dāng)下地鐵施工的全部情況，確保各項(xiàng)策略輸出更為安全可靠且高效。BIM技術(shù)應(yīng)用在地鐵施工的流程中，不僅能在原有的基礎(chǔ)上加強(qiáng)安全性，還能不斷提高工程的效率和質(zhì)量，控制施工成本，對(duì)潛在的施工隱患做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化，確保整個(gè)工序的穩(wěn)定性。在地鐵項(xiàng)目立項(xiàng)以后，首先應(yīng)當(dāng)借助BIM技術(shù)繪制該項(xiàng)目的三維模型，然后基于這一模型所提供的數(shù)字化信息集成來(lái)對(duì)整個(gè)地鐵項(xiàng)目展開(kāi)管理[2]。

2 ??工程概況

工程項(xiàng)目為廣州地鐵18+22號(hào)線番禺廣場(chǎng)站。番禺廣場(chǎng)站屬于大型換乘車站，從該車站的南部方位出發(fā)，可以換乘18號(hào)線，換乘車站名稱為橫瀝站；從該車站的北部方位出發(fā)，既可以換乘18號(hào)線，換乘車站名稱為南村萬(wàn)博站，也可以換乘22號(hào)線，換乘車站名稱為祈福站；此外，通過(guò)該車站也可以換乘到地鐵3號(hào)線與17號(hào)線。該車站因入口處建設(shè)在廣州市番禺區(qū)的番禺廣場(chǎng)而得名。

就地下結(jié)構(gòu)而言，番禺廣場(chǎng)站屬于典型的五層三柱四跨式的結(jié)構(gòu)，車站的長(zhǎng)度總計(jì)為540m；就標(biāo)準(zhǔn)段寬而言，則為52.25m。由于屬于換乘車站，所以建設(shè)有相應(yīng)的換乘通道。供乘客進(jìn)出車站口的總數(shù)量為4個(gè)；設(shè)有安全出入口7個(gè)；低風(fēng)亭的數(shù)量為3組；冷卻塔數(shù)量為1座。值得一提的是，在車站的換乘通道當(dāng)中，經(jīng)過(guò)改造后連通了地鐵3號(hào)線的A號(hào)出入口，并且新增了排風(fēng)口1個(gè)，車站的4個(gè)出入口均為側(cè)出。車站內(nèi)的7個(gè)安全出入口中1—5號(hào)安全出口為主體結(jié)構(gòu)頂出，6—7號(hào)安全口為側(cè)出。3組低風(fēng)亭均為車站頂出，1座冷卻塔設(shè)置在負(fù)一層樓板上。

在番禺廣場(chǎng)站的主體基坑方面，開(kāi)挖深度以標(biāo)準(zhǔn)五層段為準(zhǔn)，為39.82m，盾構(gòu)擴(kuò)大頭段為41.7m；在基坑支護(hù)方面，既采取了五道內(nèi)支撐式的支護(hù)技術(shù)，同時(shí)也建設(shè)了連續(xù)墻，規(guī)格為1200mm；墻的嵌固深度達(dá)到4.5m，長(zhǎng)度達(dá)到了42m。

在支撐支護(hù)方面，為便于施工專門設(shè)置了臨時(shí)型鋼立柱的設(shè)計(jì)，立柱樁的直徑達(dá)到1600mm；其嵌固深度達(dá)到8m，長(zhǎng)度達(dá)到48m。在車站主體施工方面，設(shè)計(jì)出明挖順?lè)ㄊ┕し桨福谲囌局虚g位置的縱向方位與橫向方位分別建設(shè)施工棧橋，其中縱向棧橋的數(shù)量為1道，其寬度達(dá)到12m；縱向棧橋的數(shù)量為3道，其寬度達(dá)到9m，在交叉棧橋的支撐下開(kāi)展各項(xiàng)建設(shè)工作。

番禺廣場(chǎng)站的附屬結(jié)構(gòu)在負(fù)三層與其主體結(jié)構(gòu)相接，埋深達(dá)到22m，在支護(hù)方面與車站主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大體一致，既采取了五道內(nèi)支撐式的支護(hù)技術(shù)，同時(shí)也建設(shè)了兩種規(guī)格的連續(xù)墻，一種規(guī)格是1000mm，另一種規(guī)格是600mm。就墻的嵌固深度而言，在達(dá)到全風(fēng)化巖層以后，再向前深入7.5m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層約3.5m。換乘通道最低處，其地板的標(biāo)準(zhǔn)高度為-14.336m。其中，在負(fù)一層段同樣采取了臨時(shí)型鋼立柱的施工方案，立柱樁的規(guī)格為1200mm。

3 ??施工的重難點(diǎn)及保證措施

3.1 地連墻施工

由于地連墻厚度1200mm，且?guī)r層強(qiáng)度大，成槽困難，需采用型鋼接頭。施工中先用成槽機(jī)挖至中分化花崗巖，再用雙輪銑施工成槽。

3.2 土石方開(kāi)挖

番禺廣場(chǎng)站面積較大，為540m×52.25m?；娱_(kāi)挖深度為40m，土方為46萬(wàn)m3，石方為70萬(wàn)m3，建筑面積為14萬(wàn)㎡，工程量較大。開(kāi)挖時(shí)可利用施工鋼棧橋，從橫向切入，以縱向開(kāi)挖，分節(jié)段多個(gè)工作面同時(shí)開(kāi)挖。

石方開(kāi)挖巖層較硬，主要為中風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度達(dá)到30MPa～50MPa，局部存在微風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度達(dá)123 MPa。施工時(shí)采用靜態(tài)爆破、破碎錘配合液壓劈裂機(jī)和平地王施工配合作業(yè)，以保證工程進(jìn)度。靜態(tài)爆破屬于高危作業(yè)，施工時(shí)必須由經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，持證的專業(yè)人員操作。

3.3 車站主體

地鐵車站為三跨四柱五層結(jié)構(gòu)，屬于超寬大跨結(jié)構(gòu)，采用碗扣式腳手架施作主體，主體施工縫和結(jié)構(gòu)防水?dāng)?shù)量多，處理困難。

3.4 暗挖區(qū)間

暗挖隧道斷面的面積較大，在150m2～220m2范圍內(nèi)，且番祈區(qū)間下穿地鐵3號(hào)線，隧道結(jié)構(gòu)離3號(hào)線僅有2m，巖層大部分為全風(fēng)化花崗巖，圍巖自穩(wěn)性差。需采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)地質(zhì)情況，確保施工順利進(jìn)行。同時(shí)還要加強(qiáng)地下地上及周邊監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)特殊情況立即停工，并及時(shí)上報(bào)處理。

3.5 管線遷改

在番禺廣場(chǎng)站的北部方位，與清河?xùn)|路連接；在車站南部方位，與東興路相鄰；在車站的西側(cè)方位，與廣場(chǎng)西路靠近；在車站的東側(cè)方位，與廣場(chǎng)東路瀕臨。此外，車站與廣州市政府的距離也比較近，車輛往來(lái)比較頻繁，周圍各種管線密布，且橫穿興泰路，管線遷改難度大。施工區(qū)域影響最大的為興泰路DN2000羅家涌與沙墟涌連接管（不與其他排水管道接駁，埋深約5.5m）和清河?xùn)|路南側(cè)輔路番禺電信主干線路，施工時(shí)需提前做好管線交通疏解，對(duì)涉及范圍進(jìn)行物探，并聯(lián)系各自管線產(chǎn)權(quán)單位標(biāo)明該段管線走向，施工時(shí)開(kāi)挖人工探槽，確保安全后方可施工。

4 ??BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用

4.1 BIM模型的建立

利用三維建模軟件，根據(jù)施工圖紙，建立車站結(jié)構(gòu)的三維BIM模型。地下車站施工模型包括維護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系、土方開(kāi)挖、主體結(jié)構(gòu)以及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)，通過(guò)整體建模以達(dá)到信息集成的目的。要求在工程項(xiàng)目開(kāi)展的前中期，對(duì)施工中各個(gè)環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬，對(duì)施工過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，在具體落實(shí)過(guò)程中著重監(jiān)控，減少施工過(guò)程中存在的安全隱患。車站結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

圖1 車站結(jié)構(gòu)模型圖

4.2 建模軟件匯總

在建模軟件使用方面，可通過(guò)Infraworks、Civil3D等軟件對(duì)地形進(jìn)行處理，以Revit、Bently對(duì)整體模型進(jìn)行創(chuàng)建，用Navisworks進(jìn)行碰撞檢查，借助3D Ma×、Lumion等進(jìn)行圖形渲染，再用萬(wàn)彩動(dòng)畫(huà)大師等軟件進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作，最后依靠Audition、Premiere等軟件進(jìn)行動(dòng)畫(huà)視頻剪輯。不僅可通過(guò)三維制圖軟件將車站結(jié)構(gòu)信息化，同時(shí)還可用視頻制作將車站結(jié)構(gòu)和施工過(guò)程動(dòng)態(tài)化，將BIM手段運(yùn)用到項(xiàng)目開(kāi)展的各個(gè)階段，使管理人員更加直觀準(zhǔn)確地對(duì)項(xiàng)目的成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全進(jìn)行管理。建模軟件匯總見(jiàn)表1。

表1 建模軟件匯總表

4.3 施工現(xiàn)場(chǎng)重難點(diǎn)工作監(jiān)控

對(duì)于該項(xiàng)目中施工過(guò)程的重難點(diǎn)，如地下連續(xù)墻的成槽、土石方開(kāi)挖面積較大、主體結(jié)構(gòu)施工超大跨度結(jié)構(gòu)、地層圍巖穩(wěn)定性較差以及地下管線的遷改工作，需要重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。尤其是在BIM建模過(guò)程中，對(duì)于重難點(diǎn)工作進(jìn)行著重模擬。另外，在人員、機(jī)械、設(shè)備入場(chǎng)施工后，重難點(diǎn)工作施工的過(guò)程中要及時(shí)記錄施工數(shù)據(jù)，如有異常情況要及時(shí)進(jìn)行反饋，確保工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

4.4 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集比對(duì)

在進(jìn)行BIM建模后，施工過(guò)程中要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以便與BIM信息進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中可能存在的問(wèn)題。為此，項(xiàng)目施工管理人員需每天在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行旁站，記錄施工過(guò)程中項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量及安全方面的實(shí)時(shí)信息。在地鐵工程施工質(zhì)量管理中，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠通過(guò)相應(yīng)的模型信息向第三方管理平臺(tái)輸入有關(guān)信息，以便實(shí)施施工管理。而管理人員僅需利用計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端，便能夠收集與錄入工程質(zhì)量管理的數(shù)據(jù)信息，并利用互聯(lián)網(wǎng)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)信息至管理平臺(tái)。工作人員可以有效比較與識(shí)別該類信息和之前上傳到管理平臺(tái)的BIM模型，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題并給予解決。而不同部門的管理人員可以憑借其相應(yīng)的賬號(hào)與密碼登錄管理平臺(tái)，以便能夠及時(shí)接收與查詢工程的相關(guān)質(zhì)量信息。一旦出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行智能識(shí)別，并將這一信息自動(dòng)反饋給專門負(fù)責(zé)該問(wèn)題的人員，由后者處理。在處理問(wèn)題的過(guò)程中，有專門有監(jiān)督人員在旁負(fù)責(zé)全程監(jiān)督，直到在工程質(zhì)量不受影響的前提下將該問(wèn)題全面解決[3]。如此一來(lái)，不但能夠有效提高工程質(zhì)量信息的真實(shí)性與可靠性，而且還能讓工程施工質(zhì)量問(wèn)題在第一時(shí)間內(nèi)獲得有效處理，確保整體工程施工質(zhì)量。

4.5 對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和BIM信息比對(duì)做出響應(yīng)

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至BIM信息化平臺(tái)之后，管理人員可以通過(guò)已經(jīng)完成的BIM模型信息與現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行比對(duì)。如果信息出現(xiàn)偏差，要及時(shí)分析BIM信息與施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存在誤差的原因，找出現(xiàn)場(chǎng)的不可控因素或建模中可能存在的問(wèn)題，如果現(xiàn)場(chǎng)施工存在問(wèn)題，可及時(shí)調(diào)整施工方案，并給出合理的解決方案。若由于特殊原因現(xiàn)場(chǎng)施工方案無(wú)法調(diào)整，則要對(duì)BIM建模信息進(jìn)行及時(shí)更改，確保BIM信息與施工現(xiàn)場(chǎng)信息的統(tǒng)一。

5 ??結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)或移動(dòng)客戶端將現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題精確定位記錄在建筑物的BIM模型上，可直觀查閱問(wèn)題出現(xiàn)的位置和結(jié)構(gòu)，同時(shí)管理人員還可以將在施工現(xiàn)場(chǎng)所收集的照片、錄音等信息全部輸入該系統(tǒng)當(dāng)中，為相關(guān)人員借助該系統(tǒng)更加快速、有效地將問(wèn)題予以識(shí)別出來(lái)提供了信息依據(jù)[4]。

利用軟件的模型和數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)可視化功能，結(jié)合動(dòng)態(tài)管理理論，能夠?qū)Φ罔F工程較好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，并對(duì)工程項(xiàng)目施工建設(shè)的全過(guò)程展開(kāi)全面化、立體化以及高效化的管控，包括對(duì)施工資源的合理配置、對(duì)施工質(zhì)量與建設(shè)速度的合理控制等，盡可能地將項(xiàng)目建設(shè)的時(shí)間予以縮短，將項(xiàng)目建設(shè)的成本降到最低[5]，有效提高整個(gè)項(xiàng)目在成本管理方面、施工質(zhì)量與安全管理方面、施工進(jìn)度管理方面的效率水平。