基于BIM技術(shù)的交通樞紐基坑群施工進(jìn)度管理方法*

摘要：隨著城市交通樞紐建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工期緊、任務(wù)重的基坑開(kāi)挖項(xiàng)目逐漸增多，控制基坑群同步施工進(jìn)度成為一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。以松江南站項(xiàng)目為例，利用Navisworks進(jìn)行4D施工模擬，建立精細(xì)化模型，提出一種基于BIM技術(shù)的交通樞紐基坑群施工進(jìn)度管理方法。該方法提供基坑群施工進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整方案，以實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的精確控制和優(yōu)化管理。研究結(jié)果表明，BIM技術(shù)能夠有效提高交通樞紐基坑工程施工進(jìn)度管理的效率和準(zhǔn)確性，為項(xiàng)目相關(guān)方提供實(shí)時(shí)的進(jìn)度信息和決策支持，保證施工項(xiàng)目的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：

BIM技術(shù)；交通樞紐；施工進(jìn)度管理；基坑群；同步施工

0引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，交通樞紐已成為城市交通的重要節(jié)點(diǎn)及城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。然而，傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理方法在面對(duì)基坑群施工的復(fù)雜性時(shí)存在著諸多挑戰(zhàn)，如施工進(jìn)度難以控制、信息不準(zhǔn)確、溝通不暢、決策滯后等，BIM技術(shù)的應(yīng)用為解決這些問(wèn)題提供了新的途徑[1]。

BIM技術(shù)是建筑工程中所有幾何和非幾何特征的數(shù)字化表達(dá)，貫穿于項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各個(gè)階段，促進(jìn)項(xiàng)目利益相關(guān)方、設(shè)計(jì)院、施工單位、監(jiān)理單位之間的協(xié)同。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、仿真性、優(yōu)化性和可成像性五大優(yōu)勢(shì)[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的提高，我國(guó)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，鐵路、公路、橋梁[3]、水利[4]和城市地下空間開(kāi)發(fā)[5]等領(lǐng)域涌現(xiàn)出許多相關(guān)研究。同時(shí)，在交通樞紐建設(shè)[1，67]、施工[8]及運(yùn)維管理[9]中，BIM技術(shù)可以提供更加全面、準(zhǔn)確的信息，為決策者提供更好的支持，從而提高交通樞紐的建設(shè)質(zhì)量和管理效率。

根據(jù)一些文獻(xiàn)[1012]的研究，BIM技術(shù)已經(jīng)在地鐵基坑工程、大型水質(zhì)凈化廠超大超深基坑工程及超高層建筑深基坑工程中應(yīng)用，但針對(duì)交通樞紐基坑群的研究較少。本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于交通樞紐基坑群工程，模擬施工方案，并對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，以提高交通樞紐基坑群的施工效率。

1工程概況及重難點(diǎn)分析

11工程概況

本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖總面積約39 992m2，其中北廣場(chǎng)及周邊配套工程基坑開(kāi)挖面積約34 450m2，挖深200m～1330m，站房及相關(guān)工程基坑開(kāi)挖面積約2520m2，挖深775m～880m。承軌層及相關(guān)工程基坑開(kāi)挖面積約3022m2，挖深約320m。N1區(qū)為北廣場(chǎng)地下二層，N2區(qū)為坡道一，N3區(qū)為坡道二；W1、W2和W3區(qū)為南北聯(lián)通道。基坑平面布置圖，如圖1所示。

12工程重難點(diǎn)

本工程有“一線二基坑”三項(xiàng)工程重點(diǎn)，分別為管線改遷、南北聯(lián)通道、北廣場(chǎng)地下空間工程。

北廣場(chǎng)基坑與南北聯(lián)通道基坑、進(jìn)站及換乘廳與服務(wù)中心基坑屬基坑群，相鄰基坑支撐布置形式需結(jié)合基坑施工順序綜合考慮，由于工期需要，需同步施工?；又尾贾眯问叫枧c設(shè)計(jì)溝通對(duì)接，確?；油绞┕?。

北廣場(chǎng)地下空間基坑工程，地質(zhì)條件較差，基坑超長(zhǎng)超寬，面積大、支撐密集，基坑各層結(jié)構(gòu)需全部施工完成換撐并達(dá)到強(qiáng)度后，方能拆除對(duì)應(yīng)支撐，施工下層結(jié)構(gòu)，工期緊，任務(wù)重。傳統(tǒng)的基坑施工支撐布置形式及結(jié)構(gòu)分段施工方式嚴(yán)重制約工期推進(jìn)。施工總體計(jì)劃如下：

（1）先開(kāi)挖施工W1區(qū)。

（2）待W1區(qū)（鄰N1區(qū)20m范圍內(nèi)）施工完成后，開(kāi)挖N1區(qū)。

（3）待W1區(qū)完成后，開(kāi)挖W3區(qū)。

（4）待N1區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，開(kāi)挖W2區(qū)、N3區(qū)。

（5）待W2區(qū)地下結(jié)構(gòu)施工完成后，開(kāi)挖N2區(qū)。

2建立BIM施工模型

本工程項(xiàng)目應(yīng)用Revit核心建模軟件的Structure模塊對(duì)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐建模，如圖2所示。在應(yīng)用軟件預(yù)載的梁、柱、板、樁及墻等族進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，為了更好地反映真實(shí)的工程實(shí)體并滿足工程特點(diǎn)，建立了一些參數(shù)化族，如格構(gòu)柱和混凝土支撐，格構(gòu)柱組建模如圖3所示。

為依照施工圖樣模擬土方開(kāi)挖的過(guò)程，從基坑群開(kāi)挖施工數(shù)據(jù)中獲取開(kāi)挖順序和開(kāi)挖深度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同土方開(kāi)挖數(shù)據(jù)，構(gòu)建與每個(gè)基坑對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖模型。依據(jù)圖樣中的分塊開(kāi)挖方法，并按照字母數(shù)字順序，依次開(kāi)挖土塊及施工支撐。Revit中土方建模如圖4所示。

3BIM技術(shù)在基坑群同步施工進(jìn)度的應(yīng)用

交通樞紐施工進(jìn)度管理是交通樞紐建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到交通樞紐建設(shè)的質(zhì)量和進(jìn)度。傳統(tǒng)施工進(jìn)度管理方法主要依據(jù)二維平面圖樣和表格，難以全面、準(zhǔn)確地反映交通樞紐施工狀態(tài)，而B(niǎo)IM技術(shù)可以將建筑物各個(gè)方面的信息集成到一個(gè)模型中進(jìn)行管理，從而得到更全面、準(zhǔn)確的信息，為決策者提供更好的支持[13]。

BIM技術(shù)在基坑工程施工進(jìn)度的應(yīng)用如圖5所示，其分為施工進(jìn)度的模擬、優(yōu)化和管理。首先，BIM技術(shù)用于施工進(jìn)度的模擬。通過(guò)BIM軟件進(jìn)行施工過(guò)程的模擬。根據(jù)定義的施工邏輯和時(shí)間要求，模擬軟件自動(dòng)生成施工進(jìn)度，并將其在時(shí)間軸上進(jìn)行可視化展示；其次，BIM技術(shù)用于施工進(jìn)度的優(yōu)化。通過(guò)BIM技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度的執(zhí)行情況，并對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，從而保證工程順利執(zhí)行，同時(shí)，基于模擬結(jié)果，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整活動(dòng)順序、資源分配和時(shí)間安排等，可以最大限度地提高施工效率，減少工期和成本；最后，BIM技術(shù)用于施工進(jìn)度的管理。通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理施工進(jìn)度中的問(wèn)題，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。最終生成可視化的模擬結(jié)果，包括進(jìn)度圖表、時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)等，用于與項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和相關(guān)方的溝通和共享，以支持決策制定和進(jìn)度管理。

31應(yīng)用Project編制工程進(jìn)度計(jì)劃

交通樞紐基坑施工工序復(fù)雜，工程量大，需要編制三級(jí)進(jìn)度計(jì)劃：總工期計(jì)劃、年度工期計(jì)劃、月度工期計(jì)劃[8，14]。首先，利用項(xiàng)目計(jì)劃工具Project進(jìn)行計(jì)劃編制，如圖6所示。然后，直接將進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入四維進(jìn)度信息管理平臺(tái)，并在Navisworks中進(jìn)行施工進(jìn)度管理，如圖7所示。

32模擬優(yōu)化

一般地，工程實(shí)際活動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)劃執(zhí)行，以在預(yù)定期限內(nèi)完成相應(yīng)工作，但由于初始進(jìn)度計(jì)劃是由工程管理人員依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及對(duì)本工程具體情況進(jìn)行預(yù)估的，而地鐵工程施工具有高度不確定性[13]，工程變更難以避免。參考無(wú)錫地鐵某號(hào)線項(xiàng)目，其現(xiàn)場(chǎng)管理人員將實(shí)際進(jìn)度信息記錄在4D模型中[15]。

在本項(xiàng)目中，項(xiàng)目管理者通過(guò)審閱4D模型，發(fā)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃未能按照既定目標(biāo)進(jìn)行，決定對(duì)后期工作進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)原定計(jì)劃進(jìn)行最優(yōu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證工程順利開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)預(yù)期計(jì)劃目標(biāo)，進(jìn)度計(jì)劃變更如圖8所示。借助4D模型，項(xiàng)目管理者可以準(zhǔn)確地了解當(dāng)前施工進(jìn)度，并與既定目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比?；谶@一信息，項(xiàng)目管理者可采取動(dòng)態(tài)調(diào)整的措施，對(duì)原定計(jì)劃進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，并根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)展和資源可用性，重新安排工作順序、調(diào)整工期和資源分配等，以確保進(jìn)度計(jì)劃與項(xiàng)目實(shí)際情況相匹配?；贐IM，項(xiàng)目管理者詳細(xì)了解施工資源的分配和利用情況，并通過(guò)優(yōu)化資源分配和管理，確保每個(gè)工序都能夠得到充分的支持和供應(yīng)，有助于提高施工效率，減少資源瓶頸和浪費(fèi)，從而推動(dòng)工程按計(jì)劃順利進(jìn)行。

33模型碰撞檢測(cè)

支撐結(jié)構(gòu)的碰撞是一種常見(jiàn)的施工問(wèn)題，會(huì)對(duì)施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，項(xiàng)目組與設(shè)計(jì)單位保持密切溝通，及時(shí)共享發(fā)現(xiàn)的碰撞問(wèn)題，并討論解決方案。這種協(xié)作和溝通有助于確保問(wèn)題得到及時(shí)解決，以減少潛在的安全隱患，并確保支撐結(jié)構(gòu)的正確安裝和穩(wěn)定性。

基于碰撞檢測(cè)和支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，項(xiàng)目組對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，以確保施工效率和質(zhì)量。通過(guò)BIM模擬，項(xiàng)目組能夠評(píng)估施工方案的可行性和有效性，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施，以確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和施工的順利進(jìn)行。

在本項(xiàng)目中，項(xiàng)目組使用模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)（圖9），發(fā)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。因此，項(xiàng)目組及時(shí)與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，確定碰撞是否會(huì)造成安全隱患，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保了施工的安全性和順利進(jìn)行。

4施工進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整及管理建議

41施工進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整

在本項(xiàng)目中，基坑的施工進(jìn)度不斷變化?；邮┕みM(jìn)度計(jì)劃調(diào)整如圖10所示，主要步驟如下：

（1）收集項(xiàng)目相關(guān)信息。收集項(xiàng)目的實(shí)際情況、目標(biāo)和要求，以及任何可能影響進(jìn)度的因素，如天氣、資源供應(yīng)等。通過(guò)與項(xiàng)目相關(guān)方進(jìn)行會(huì)議、檢查項(xiàng)目文檔和數(shù)據(jù)、實(shí)地考察等方式完成信息收集，以確保對(duì)項(xiàng)目的整體情況和現(xiàn)狀有清晰了解。

（2）評(píng)估當(dāng)前進(jìn)度計(jì)劃。仔細(xì)審查當(dāng)前的進(jìn)度計(jì)劃，包括工序、工期、資源分配等，確定是否需要進(jìn)行調(diào)整。評(píng)估過(guò)程中使用進(jìn)度管理工具和技術(shù)，如甘特圖、關(guān)鍵路徑法等，對(duì)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分析和優(yōu)化。

（3）識(shí)別調(diào)整需求。根據(jù)項(xiàng)目情況和目標(biāo)，確定需要進(jìn)行調(diào)整的方面，包括延長(zhǎng)或縮短工期、調(diào)整工序順序、增加或減少資源等。通過(guò)與項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員和相關(guān)方的討論和溝通，識(shí)別出調(diào)整的具體需求。

（4）分析影響和風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)估調(diào)整可能帶來(lái)的影響和風(fēng)險(xiǎn)，包括對(duì)其他工序的影響、資源調(diào)配的變化等。通過(guò)綜合考慮各種因素，做出合理的決策，并制訂相應(yīng)的調(diào)整方案。

（5）制訂調(diào)整方案。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，制訂詳細(xì)的調(diào)整方案，包括具體的調(diào)整內(nèi)容、時(shí)間安排及資源調(diào)配等。確保調(diào)整方案能夠?qū)嵤?，并與項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員和相關(guān)方進(jìn)行充分的內(nèi)外部協(xié)調(diào)和溝通。在方案制訂過(guò)程中，須考慮項(xiàng)目目標(biāo)、資源可用性及風(fēng)險(xiǎn)管理等因素。

在評(píng)估當(dāng)前進(jìn)度計(jì)劃時(shí)，根據(jù)資源不變的假設(shè)，找到最短工期。目標(biāo)函數(shù)和約束條件[16]公式如下

式中，Rd為最大供應(yīng)量；Ri，d（t）為資源總量；i為工序編號(hào)；n為項(xiàng)目工序的數(shù)量；h為緊前工作中的工序編號(hào)；Dh為工序h的持續(xù)時(shí)間；Ti為工序i的實(shí)際開(kāi)始時(shí)間。

基于BIM技術(shù)的進(jìn)度計(jì)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整可納入進(jìn)度計(jì)劃平臺(tái)，BIM技術(shù)的信息化和可視化優(yōu)勢(shì)可用于快速審查最初的項(xiàng)目進(jìn)度信息。在本項(xiàng)目中，N1基坑開(kāi)挖原本計(jì)劃102d，在根據(jù)上述步驟調(diào)整后，預(yù)計(jì)80d完成。

42施工進(jìn)度管理建議

面對(duì)大型基坑群項(xiàng)目時(shí)，考慮到施工工期緊、任務(wù)重等特點(diǎn)，合理的施工進(jìn)度管理尤為重要。施工進(jìn)度管理建議如下：

（1）全面收集項(xiàng)目的相關(guān)信息并分析項(xiàng)目的重難點(diǎn)，制訂初步施工進(jìn)度安排表。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)整是關(guān)鍵，進(jìn)行同步施工模擬時(shí)，合理利用BIM技術(shù)對(duì)計(jì)劃的更迭進(jìn)行記錄，利用BIM可視化的特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判并調(diào)整施工進(jìn)度。

（3）在評(píng)估當(dāng)前進(jìn)度計(jì)劃時(shí)，可選擇合理的數(shù)學(xué)模型，并將結(jié)果納入BIM進(jìn)度計(jì)劃動(dòng)態(tài)調(diào)整平臺(tái)。

5結(jié)語(yǔ)

本文以交通樞紐基坑施工為背景，成功地將BIM技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域，并以松江南站項(xiàng)目為例進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)BIM可視化特點(diǎn)的探討，闡述了參數(shù)化建模和施工進(jìn)度模擬的過(guò)程，針對(duì)基坑開(kāi)挖方案和施工進(jìn)度調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面分析，并提出相應(yīng)的解決方案，具體如下：

（1）在建模方面，以格構(gòu)柱為例，將其建模歸納為一組格構(gòu)柱族，從而提高了建模效率，并減少了后續(xù)建模工作量。

（2）通過(guò)創(chuàng)建4D模型，實(shí)現(xiàn)了基坑土方開(kāi)挖和支護(hù)階段施工進(jìn)度的可視化。4D模型的靈活性使得項(xiàng)目組能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化隨時(shí)對(duì)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，從而更好地滿足實(shí)際施工需求。

（3）對(duì)涉及基坑施工進(jìn)度調(diào)整的BIM技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，并提供一套可供參考的解決方案。

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收稿日期：20240506

作者簡(jiǎn)介：

王強(qiáng)（通信作者）（1980—），男，高級(jí)工程師，研究方向：BIM施工管理。

段羅（1987—），男，高級(jí)工程師，研究方向：地下工程施工。

孫懷杰（1989—），男，工程師，研究方向：市政工程施工。

劉于暉（1990—），男，工程師，研究方向：市政工程施工。

盧河錫（1988—）男，工程師，研究方向：市政、民建施工。

張偉（1993—），男，助理工程師，研究方向：市政施工。

*基金項(xiàng)目：中鐵二局集團(tuán)有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目“松江南站樞紐工程施工關(guān)鍵技術(shù)研究”（（23）GP026）。