BIM技术在城市轨道交通工程施工管理中的应用与研究

吴守荣，李 琪，孙槐园，王军战

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590；2.上海三凯建设管理咨询有限公司，上海 200093)



BIM技术在城市轨道交通工程施工管理中的应用与研究

吴守荣1，李 琪1，孙槐园2，王军战2

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590；2.上海三凯建设管理咨询有限公司，上海 200093)

为推进BIM技术在城市轨道交通工程中的应用，结合上海轨道交通9号线三期(东延伸)金海路站项目，运用BIM技术建立三维可视化施工模型，从控制施工风险、进度、安全、质量和施工全过程5D虚拟建造等5个应用方面进行详细阐述。实践表明，BIM技术可以实现施工管理的精细化、信息化，在城市轨道交通以及城市地下空间建设领域具有广阔的发展空间。

城市轨道交通；BIM；施工管理；虚拟建造

城市轨道交通工程是关系国计民生的市政基础设施,其质量、安全和工期状况不仅涉及市民的切身利益，而且会影响到政府的公信力和城市形象。城市轨道交通工程的社会关注度高，所以对工程施工的要求越来越高，因此需要在更短的时间内，优质、安全、科学地完成城市轨道工程项目的施工任务。面对如此繁重的施工任务和复杂的条件以及严格的要求，基于传统的建设工程的表现形式和管理方式已难以满足城市轨道交通施工管理的需要[1]。

BIM技术[2-5]是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为参建各方提供协同工作的平台，在提高生产效率、建筑质量、节约成本和缩短工期方面有明显效果。它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点[6，7]。BIM技术在城市轨道交通以及城市地下空间工程领域还处于起步阶段，基于上海轨道交通9号线三期(东延伸)金海路站项目进行BIM施工管理应用与研究，意在推动BIM技术在城市轨道交通工程以及城市地下空间工程领域的发展。

1 工程概况及重难点分析

金海路站主体结构位于金海路南侧，与既有12号线成T字换乘。车站外包总长为208.78 m，其中东侧基坑长度为58.14 m，西侧基坑长度为91.24 m。车站为双柱三跨两层地下车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，站台宽度为12.06 m。车站标准段结构高度为16.364 m，标准段基坑开挖深度17.866～18.253 m，顶板覆土厚度1.395～2.10 m。车站标准段开挖深度为17.938～18.253 m。工程重难点如下。

1.1 高压线下方成槽及加固施工安全风险大

根据已有资料，位于金海路南侧、施工现场北侧的高压线为220 kV，高度约为40 m，施工安全距离为6 m。金海路站主体及1号和4号出口均位于高压线正下方。金海路站地墙施工将受到影响，影响的地墙共为28幅。

1.2 施工中对12号线成型地铁车站的保护

9号线金海路站在施工期间，12号线处于营运中，地铁监测数据由地铁营运公司负责监测。在施工中如何确保12号线不出现监测报警值，出现报警值后如何采取措施是本工程顺利施工的重点之一。

1.3 与12号线车站结构连接的施工措施

在金海路站施工中，9号线的楼板和梁等结构都会与12号线金海路站连接，如何保证连接处结构及防水的可靠性，为本工程的难点之一。另外地墙凿除至12号线底板底，将造成12号线底板下侧土体裸露。在承压水作用下12号线下侧水土会涌入基坑，构成风险。

1.4 控制施工降水对12号线的影响

由于本工程⑧层黏土层缺失，⑦、⑨层承压水层直接相连，因此基坑有一定突涌风险。降压井长度为42 m，滤头长度为10 m，其中5.5 m位于⑦1-1层，4.5 m位于⑦1-2层。由于降压井滤头在地下连续墙墙趾下方，构成了敞开式抽水，对12号线影响较为不利。因此本工程降水遇到矛盾，⑦1-1层出水量较小，不能满足基坑施工降低承压水水头要求，⑦1-2层出水量较大，单抽水同时也对周边影响较大。土层地质条件如图1所示。

图1 施工BIM模型工程地质条件

2 建立BIM施工模型

2.1 软件平台选择[8-10]

实现BIM技术的核心是软件平台[11]，经众多BIM软件分析比对后选择Autodesk Revit软件建立BIM施工模型，并采用Autodesk Navisworks软件对BIM模型进行施工全过程综合应用。

2.2 BIM施工模型建立的总体思路

在工程施工准备阶段，根据招投标文件信息进行项目分解并建立BIM模型构架，其中包括：建立结构树、制定标准和确定命名规则。之后根据工程勘察文件、2D设计图纸以及施工组织设计文件的信息建立三维BIM模型，包括：建立参数、信息附加和整体建模。且在施工过程中不断更新并完善该模型。综上，BIM施工模型建立的总体思路如图2所示。

图2 BIM施工模型建立的总体思路

3 BIM技术在施工管理中的应用

3.1 BIM模型三维可视化

可视化三维模型可以直观清楚地表达出任意构件的几何特征和空间位置，让施工技术人员更好地理解设计意图，节省识图时间，更好地辅助施工。三维模型包含工程的所有数据信息，通过施工现场与模型的实时对比，可以发现施工中的错误以及预测可能出现的问题，进而不断优化施工。三维可视化BIM模型如图3所示。

图3 BIM模型三维可视化

3.2 碰撞检测(图4)

传统的施工图由于设计的原因，并未在设计过程中进行整合检查，因此在实际施工过程中就会发生结构碰撞和空间过紧等问题[12]。本工程利用Navisworks软件的碰撞检测功能，实现了建筑与结构、结构与暖通、机电安装以及设备等不同专业之间的碰撞共150处。利用BIM软件平台碰撞检测功能，可以预先发现图纸问题，及时反馈给设计单位进行变更，避免了后期因图纸问题带来的停工以及返工，提高了项目管理效率，同时也为现场施工管理打下了基础。

图4 碰撞检测

3.3 解决降水难题，控制施工风险

为了评估降水对基坑周边环境的影响，采用三维有限元地下水渗流软件进行计算。利用Revit软件平台良好的兼容性，将BIM模型导入第三方有限元软件MODFLOW(模块化三维有限差分地下水流动模型)，对降水对周边环境的影响进行模拟，避免了重复建模。模拟结果如图5所示。

图5 基坑降水周边沉降等值线

图6 BIM模型中的MJS工法桩

为解决施工难题，控制施工风险，基坑西侧采用MJS工法对地下连续墙进行加深，东侧基坑换乘段部位采用MJS工法加深，北侧采用地下连续墙进行加深，将帷幕深度加深至43 m，呈悬挂式止水帷幕，增加地下水绕流作用，降低抽取承压水对12号线车站及隧道的影响， BIM模型中的MJS工法桩如图6所示。MJS止水帷幕加深原方案整圆加固，采用BIM将MJS全圆优化为半圆，在效果能满足要求的前提下，节约加固方量2 835 m3，节约工程造价708.75万元，节约工期30 d，方案优化前后对比见图7。

图7 方案优化前后对比

3.4 控制施工进度3.4.1 共享模型信息，减少工期浪费

咨询公司将BIM模型移交给施工方，由施工方工程师对模型进行审核，并提供模型修改建议。咨询公司根据施工方意见进行模型调整，最终产生精度双方均认可的模型。在实际应用阶段，施工方提供给咨询公司总进度计划及年度进度计划及每月进度计划。咨询公司对每月进度计划进行分解，导出每月三维形象进度给项目部。施工方按BIM公司提供的形象进度，提前准备人员、机械及原材料，并安排有序施工，减少不必要的工期浪费。

3.4.2 合理化搭接施工顺序，节约工期

在围护结构施工阶段，通过BIM模型在狭小场地内对钻孔灌注桩施工和高压旋喷桩施工进行搭接，节约20 d工期，见图8。在基坑开挖阶段，通过BIM模拟，提前预知钢支撑安装不利环境(如避让降压井位置等)，加快了钢支撑安装速度。此外将开挖与支撑安装时间进行了合理的搭接，节约了工期，见图9。

图8 合理化搭接施工顺序

图9 钢支撑安装模拟

3.4.3 调整施工筹划，控制施工总进度

本工程为换乘车站，OTE风道与常规不同，常规风道挂在中板下方，结构形式简单。本工程OTE风道结构形式比较复杂，通过风道上纵横梁，将风道支承在结构柱及内衬墙上。通过BIM模拟，发现后施工风道及梁工期较长。因此在中板施工前对OTE风道及上部的梁体系进行施工，以最小的工期代价，节约了车站总工期。

3.5 控制施工安全3.5.1 场地布置

利用BIM模型的可视性进行三维立体施工规划[13]，包括办公区、生活区、材料堆放区、材料加工区、仓库以及现场道路，可以直观反映施工现场状况，减少施工占地，保证现场道路畅通，如图10所示。

3.5.2 安全交底

利用施工BIM模型的可视化，进行危险源识别和安全检查，将安全情况以动画的形式对施工作业人员进行安全交底，避免了传统安全交底的枯燥，使施工作业人员更直观准确的了解现场，将安全交底落到实处，安全交底动画见图11。

图11 安全交底动画

3.5.3 安全监测

使用自动化监测仪器进行基坑沉降观测，通过将感应元件监测的基坑位移数据自动汇总到基于BIM开发的安全监测软件上，通过对数据的分析，结合现场实际测量的基坑坡顶水平位移和竖向位移变化数据进行对比，形成动态的监测管理，确保基坑在土方回填之前的安全稳定性。

3.6 物料跟踪管理，控制施工质量

BIM模型中包含建筑材料所有信息，可以快速查找材料的规格、材质、尺寸、生产商、出厂日期和保修日期，对现场使用的材料进行关联、比对、追踪和分析，建立施工物料管理系统，保证施工质量，如图12所示。利用BIM技术进行物料跟踪管理，通过模型信息共享，给建筑物的后期运营和维护带来了便利，实现了建筑物全生命周期的管理[14]。

图12 模型现场相关联

3.7 施工全过程5D虚拟建造

将BIM三维模型与时间信息以及工程量成本信息整合在一起进行施工全过程5D虚拟建造，见图13、图14。5D虚拟建造有助于改进规划，尽早发现风险，减少潜在的浪费。通过将5D虚拟建造可以清晰地表现施工计划、项目工程量与进展状况，并实时与现场进行对比分析，控制施工进度及成本。

图13 施工总进度计划

图14 施工全过程5D虚拟建造

4 区间工程BIM应用设想[15]

将盾构掘进过程中碰到的渗水、裂缝、破损等有缺陷的管片按绿、黄、橙、红四个等级进行分类并整合到BIM模型中，如图15所示。在施工阶段加强可以对管片修补管理，在安装阶段可以避免对有裂缝的管片进行二次破坏，在运营阶段可以对橙色及红色管片加强监护。

图15 区间工程BIM应用设想效果

5 结语

本工程利用BIM技术辅助施工，在控制施工进度、成本、安全、风险和质量方面效果显著，初步实现了施工管理的精细化和信息化。目前BIM技术在城市轨道交通工程以及城市地下空间工程领域还处于初步发展阶段，有待BIM技术在更多实际工程上应用与发展。

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Study and Application of BIM Technology in Urban Rail Transit Construction Management

WU Shou-rong1， LI Qi1， SUN Huai-yuan2， WANG Jun-zhan2

(1.Shandong University of Science and Technology， College of Civil Engineering and Architecture， Qingdao 266590， China;2.Shanghai Sunking Program Management Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200093， China)

In order to promote BIM technology in urban rail transit， this paper conducts a research on Shanghai Metro Line 9 Phase III (east extension) Jinhai Road Station project and addresses issues in 5 aspects of construction risk， progress schedule， safety， quality and 5D virtual building of all construction process with a 3D visual construction model of BIM technology. Practices prove that BIM technology can fulfill precision construction management and informatization， and sees extensive application in urban rail transit and urban underground space．

Urban rail transit; BIM; Construction management; Virtual building

2016-04-01；

2016-05-17

吴守荣(1961—)，男，教授，1996年毕业于天津大学，工学硕士，E-mail：171118593@qq.com。

1004-2954(2016)11-0115-04

U239.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.025