基于BIM与装配式技术的地铁智慧建造探讨

何冠鸿 南春子 翟利华

（1．广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2．华南农业大学，广东 广州 510642）

当今城市轨道交通建设规模不断增大，据中国城市轨道交通协会统计，2017年末我国内地共计34个城市开通城轨交通，运营线路总长度5 033 km，每年增速超过20%。另一方面，BIM、大数据、物联网等新时代新兴信息技术也深入各行各业。在此背景下，“智慧地铁”作为城市轨道交通未来的发展方向而被提出。其中，智慧建造作为智慧地铁的重要组成部分，逐渐受到行业内各方关注与重视。所谓智慧建造就是将BIM、物联网、云计算、大数据、移动互联等新兴信息技术集成应用，建立建设管理综合监控系统平台，结合先进的工厂化、装配化、自动化建造技术，利用现代化的工装设备、数字化的施工指导、智能化的施工监控和信息化的管理手段，实现全寿命周期的可视化、实时化、高效化、精确化、绿色化和一体化的设计与建造。文章将从设计、施工和验收三方面讨论地铁的智慧建造。

1 一体化设计

基于BIM云平台，全过程全专业在同一3D模型进行协同设计。综合考虑周边建构筑物和地质情况、前期交通疏解、管线迁改、施工阶段工艺工法、施工组织等要素，模型作为施工的可视化“图纸”，自动校验完整性、规范性、合规性和关联性等，实现标准化、智能化设计。

1.1 “BIM+GIS”辅助规划

基于倾斜摄影技术，快速建立城市三维模型。倾斜影像上任意点之间可以进行准确量算，由此可直接测量出三维模型里面的距离、长度、面积、体积等各类数据。而BIM能提供精细的建筑信息模型，利用BIM和GIS技术，建立地铁沿线周边建筑的3D实景模型，将其作为智慧地铁的底层数据，应用于项目规划阶段，能够更好地辅助决策。

1.2 三维报建

根据工程建设项目报建程序和要件，建立基于BIM报建的数据标准、系统结构、报建流程和管理规范，实现基于BIM的三维报建，将BIM报建数据成果在城市规划建设管理领域共享，实现数据联动、管理协同，为智慧地铁与智慧城市建设奠定数据基础。

1.3 三维地质模型

通过建立三维地质和管线模型，可以直观、方便地查看和利用地质、管线数据资料，将其复杂的内容通过图像方式表达出来，更为清晰易读和便于设计分析，也能为施工建设和运营提供有效的参考。

1.4 云平台协同设计

基于协同理论，根据项目设计阶段各参与方之间的工作关系及工作方式，建立项目设计阶段中BIM技术应用的工作流程。BIM云平台不仅可以帮助项目组实现文件、模型和信息的集中化管理，并且能安全高效地进行信息共享，解决跨专业、跨部门、跨区域的协同问题。通过云平台，项目所有的信息能够在项目全寿命周期中进行云存储和实时管理，项目参与者通过登录自己的账号就可以随时调用，以完成项目设计、钢筋算量、碰撞检查等的信息共享和协调，可有效避免专业间碰撞，减少返工造成的工时与材料浪费。同时，云平台也可以同时管理多个项目的数据，个性化定制企业专属工程数据库，自动校验BIM模型的完整性、规范性、合规性，项目参与者可以直接在云端浏览文件、添加评论和批注。

1.5 标准化设计

建立参数化标准模型构件库，包括各专业工程模型库、设备交付模型库、标准设备房模型库、标准车站模型库等，奠定设备材料标准化工厂化预制、装配式安装工作的基础。当功能需求相同、外部条件类似时，实现标准化设计，保证标准化模块互通互用，便于施工及运营维护。

1.6 智能设计

在未来，计算机全面梳理所有设计规则，根据周边环境、功能等输入条件、自动生成推荐设计方案、同时人工指定有限条件，自动优化设计模型，实现快速参数化修改。基于海量BIM数据和算法为基础的机器学习，通过构件库数量增加、设计案例推演学习，不断优化设计模型。根据现场实际施工数据反馈，自动调整模型，保证模型与现场实体一致，得出后续更优设计模型。最大限度将设计工作由设计人员转变为软件，根据相关设计规则进行智能分析设计，大大减少人力劳动，提高设计效率和设计质量。

2 装配化施工

采用新方法、新技术、新材料，解决装配式车站结构体系、预制构件连接及施工等核心技术问题。现场施工信息反馈至模型，自动更新模型，基于数据分析，智能实时分析工效，生成下步施工技术参数推荐等参考，从而实现对技术及管理的智能化辅助。通过综合监控系统、三维激光扫描、航拍、AR、GIS、生物识别等技术的单点及综合应用，将所有生产、管理数据，实时、完备地汇集至BIM平台。

2.1 基于BIM的采购

在BIM模型中添加工艺工法、材料规格型号等信息，通过与施工计划的结合，自动分类统计各工点、各阶段所需不同规格型号设备、材料数量需求。根据标准模型构件库，实现各类材料场外预制、集中采购/加工、智能配送，最大限度减少现场加工作业量。生产、配送过程中利用二维码、RFID等各类手段，实现（加）工厂与施工现场的无缝对接。同时，根据现场实际施工进展，反馈模型后，自动得出目前采购计划与现场需求的匹配程度，自动优化采购计划。

2.2 工厂数字化加工

通过BIM在钢结构工程中的深化设计，减少二维图纸中的“错漏碰缺”，利用三维模型的可视化降低按图加工的难度及因图纸理解有误造成的构件加工偏差。基于BIM模型信息进行数字化加工，实现“模块拆分-单独加工-模块组合-后期处理”流水线化和模块化的施工。数控钢筋加工机器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、无污染等优点，能满足快速、大批量加工的要求，有效节省人力资源成本，提高生产效率。

2.3 装配式建造

针对各种复杂地质环境情况，研发新型的装配式车站和车辆基地结构体系，并通过模型试验验证及优化。研发新型钢混组合连接节点，实现受力安全可靠。引入超高性能混凝土UHPC、轻质混凝土等新型材料，并与钢材形成组合结构预制构件，进一步优化构件尺寸与重量，便于吊装施工，实现免支模。预制构件采用工厂自动化生产，构件质量可控，模具重复使用，节水节能，材料资源利用率提升，污染排放减少。工地现场可减少甚至避免搭脚手架、安装模板、绑扎钢筋、现场焊接和混凝土浇筑振捣等落后粗放式施工，改善现场施工环境，减少污染噪声排放。充分运用BIM的三维可视及动画功能，模拟施工流程和拼装过程。基于人工智能视频识别技术，研发智能化自动化运输和拼装施工设备，提高预制构件拼装的精准度与效率。

2.4 基于“BIM+GIS”的基坑监测

以BIM模型为基础，采用物联网技术，将基坑监测所需的变形监测传感器、内力监测传感器、裂缝监测传感器和地下水位传感器等采集的数据实时传输到数据库进行处理保存和数据形式的转换，将包含基坑周边信息的GIS数据和BIM模型结合，实现基坑的三维可视化展示，可以直观地表现基坑围护结构的变形情况及变形趋势。同时通过GPS技术可以对基坑监测的测点进行准确定位，可以快速定位基坑围护结构的危险点，并根据变形趋势及现状及时作出应急预案，对危险位置提前预警重点监测，有利于施工管理人员和业主方的工程决策。

2.5 全景监控+热成像相机

采用联网全景高清智能摄像机同时提供360°全景及特写画面，运用先进的视频分析算法和智能行为分析功能，实现多目标行为检测，并发出报警信号和联动摄像机跟踪，全天候监视重点区域，防止入侵功能，满足更高的安保需求。同时，结合热成像技术进行着火点检测，全天候监控火情，实时检测温度变化，提前预警，防患于未“燃”。

2.6 流程自动管理与推进

根据标准工序（包括前置逻辑关系）、边界输入条件、关键节点工期要求等信息，智能分析自动推荐最优施工组织方案（包括各类资源配置需求，如人员、材料、机具、投资等），并实现施工组织设计、专项施工方案的可视化施工模拟。根据项目管理相关制度流程，项目推进的各阶段自动触发工作任务，全过程各业务协同推进。在工程推进过程中，如实际进度发生偏差，系统自动预警并智能调整后续施工组织方案，及时纠偏。对采集的数据进行智能分析、识别，对不满足规则的事件进行自动判别，触发指令及时报警。

3 数字化验收

3.1 基于BIM的数字化移交

完成地面恢复及市政道路接驳后，利用航拍技术，拍摄车站出入口及风亭周边环境状态；通过三维激光扫描仪获取车站、隧道的表面三维数据，将拍摄和激光扫描成果纳入实体模型，形成竣工模型。对获取的数据进行处理、计算、分析并与BIM模型进行对比。同时，整理录入项目相关的设计合同、设计资料、图档、规范、手册等资料，并对这些基础数据进行加工、分解，主要包括系统分解、空间分解、工作单元分解、设备类型分解、材料分解等，建立多维度的数据原型及数据原型间的关联关系，建立各种台账报表系统，满足验收移交及运营阶段设备清点与信息查询功能，实现数字化移交。

3.2 基于BIM的运维知识库

建立运维知识库，方便快捷地查询追溯设备历史资料为后续辅助运维管理提供BIM数据支撑。运用BIM平台快速获取工程实体的完整过程信息，支持验收移交阶段相关业务应用，包括设备清点、设备信息查询、验交问题整改等，实现基于模型的工程过程信息与关联图纸信息查询，导出档案资料。

4 结语

地铁工程的智慧建造是一个崭新的研究方向，对轨道交通的发展具有重要意义。其中涉及信息技术、装配施工技术、视频成像技术、人工智能技术、管理技术等多种技术的交叉与融合，在未来仍需要进一步的研究与实践，实现新时代的智慧地铁建设。