基于BIM的地铁车站实时施工模拟与应用研究

吴卫民，彭立敏，雷明锋



基于BIM的地铁车站实时施工模拟与应用研究

吴卫民，彭立敏，雷明锋

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

针对地铁车站施工过程中多方协调难度大、施工进度和成本控制要求高以及施工安全风险实时响应不及时等问题，以BIM三维建模技术为基础，探索BIM与信息技术和计算机图像技术的结合点，重点研究BIM的自动更新技术，提出基于BIM的实时施工模型以及基于模型的地铁车站实时施工模拟流程。实时施工模型的自动创建可以将现场采集的数据自动识别到计算机系统中，通过特征提取、分类匹配形成参数化构件，并实施更新到BIM模型当中，从而进行实时的施工模拟。结合长沙地铁实际工程，将实时施工模型应用到实际工程施工阶段当中。

地铁车站；BIM技术；实时施工模拟

BIM技术是我国工程信息化进程中的重要一环，能够极大提升行业整体管理效率，对促进我国绿色建造、落实可持续发展战略具有深远意义。近年来，BIM技术越来越多的进入土建工程领域，其中在以工业与民用建筑为代表的地上建筑方面已趋于成熟。杭州东站工程作为长三角重要的枢纽工程，应用BIM技术很好解决了复杂空间结构的方案设计难题[1]，体现了BIM技术在设计和施工方案制定方面的优越性。与此同时，以地铁、轻轨为代表的城市轨道交通项目发展迅猛，截止2018年1月，我国建成地铁并投入营运的城市数量已经达到31个；2017年新增运营里程868.9 km，较上一年增幅达62.5%。刘晓东等[2]在天津某地铁车站管线设计中应用BIM技术进行了碰撞检验，为项目建造和运营维护过程提供了有效指导；任志群等[3]使用BIM技术对厦门某地铁车站给排水工程进行综合设计，有效解决了设备协调问题，缩短了设计周期、提高了设计质量；李延[4]研究了隧道工程中各专业BIM三维族库的构建方法，并应用于石鼓山隧道方案设计阶段，实现了隧道建设全寿命周期的信息共享。从已有研究中可以看出，BIM在设计阶段的应用技术已经较为成熟，起到了优化施工成本和进度控制方案、提高工程的集成化程度的作用[5−7]。但总体而言，BIM技术在地铁项目中的应用仍然较少，少量的研究也主要集中在项目方案设计、线路碰撞检查等方面[8]，BIM技术在地铁施工中也有少量的应用，主要集中在车站结构的BIM三维建模可视化展示等方面[9−10]。实时施工模型作为项目施工过程控制的有效工具，受目前数据自动更新技术的限制，仍未大规模应用于在地下工程领域。王雪青等[11]提出了将BIM实时施工模型与进度控制相结合的4D模拟方案，但未将施工模拟的应用扩展到具体项目施工阶段。将实施施工模型引入快速发展的城市地铁工程施工阶段，符合当前发展趋势。本文在前人研究的基础上，结合长沙地铁4号线1期工程湘江新城站，探索基于BIM的施工实时模拟技术在地铁车站施工中的应用方法与前景。

1 BIM技术概述

1.1 BIM技术特点

BIM(Building Information Modeling)是一种借助特定软件创建包含工程信息的三维模型并应用于项目各个阶段的数据化工具[6]。BIM技术在工程项目的应用为项目各参与方提供了协同工作的平台，能够有效提高生产效率和工程质量，其主要特点包括以下几个方面：

1.1.1 信息集成

将工程信息集成到三维模型中是BIM技术区别于其他二维设计模式的一个重要特点，也是BIM技术的生命力所在。通过创建涵盖各专业工程信息的特定族库，从而组建一个完整的三维模型数据库，设计人员可以随时调用建筑内构件的信息，包括材料种类、几何形状、空间关系等，极大的便利了施工信息提取。

1.1.2 工作协同性

BIM技术搭建了一个可供项目参与各方同步工作的平台，建设单位、设计单位、施工单位和监理单位可以通过这个平台进行及时的信息沟通，有利于项目各个环节的把控，提高项目整体效率。同时BIM三维模型还可以加强各专业之间的沟通，有效解决不同专业基于不同布设原则产生的冲突，及时进行碰撞检查，避免后期施工进度受到影响，有利于缩短施工工期。

1.1.3 工作关联性

BIM的工作关联指三维信息模型在建立或使用过程中，建筑信息有任意一部分内容发生更改时，通过BIM技术调整参数信息或更改模型可以使得三维模型以及模型的平面、立面、剖面发生同步的变化，不再需要工作人员对各部分图纸进行逐一修改，同时也极大的方便的更改的查看。BIM技术的工作关联性使得各专业之间联系更加紧密，同时节约人力成本。

1.1.4 工作可视化

BIM技术的一个显著特点是它的工作可视化。区别于传统CAD二维图纸，基于Revit等软件创建的三维立体模型，能用一个模型来表达原本需要多张二维图纸才能表达的问题。这种立体的展示更为直观，同时也减少了信息重复传递的工作量，避免了传递信息失真的风险。通过三维渲染技术将实际工程在模型中完美呈现，实现“所见即所得”，给人以强烈的视觉冲击。

1.2 BIM三维模型

利用BIM建模软件构建三维模型是BIM技术的核心，建立的模型是包含了项目信息的参数化实体模型。模型的建立是一个由点到面的过程，每一个构件都包含了各自的信息，组成的整个三维模型就是一个集成的、参数化的数字模型。利用Audodesk Revit建立地铁车站的三维BIM模型如图1，鼠标点击楼板构件，模型中将自动显示构件的名称、尺寸、材料。此外模型中还可以查看构件数量、构件的位置等信息；当对构件信息进行修改时，模型中平面、剖面、立面图等也将同步更改，保证了工程信息的一致性和准确性。BIM模型的信息包含在各个组件当中，都可以被检索和利用，为施工和后期运营维护均提供了极大的便利。

图1 BIM三维模型示意图

2 基于BIM的实时施工模拟

2.1 实时施工模型

实时施工模型是根据实际施工进度对模型参数进行实时更新的三维模型[12]。设计阶段创建的BIM三维原始模型是实时施工模型创建的基础，但实时模型需要根据施工进度进行实时的参数调整，保证模型能根据项目实际进度不断更新，与项目施工实际进度保持同步。实时施工模型的最大特点是模型包含的信息随着施工的进行而不断增加，模型本身也随之不断更新，在每一个阶段都能准确反应施工的实际状态，有利于对项目进行动态控制。

实时施工模型创建的核心是现场数据信息的实时更新，因此模型创建包括现场数据采集和模型参数更新两个过程。现场数据的采集需要对工程现场的实际状况进行全方面的侦测，包括施工中不断更新的建筑物构件的几何尺寸、材料选用、三维坐标等。目前在施工现场监控对象的定位中应用比较多主要有GPS及RFID技术[13]，而施工现场三维坐标的采集应用比较多的主要是照相测量技术和激光扫描技术[14]。模型参数的更新是指利用BIM技术将采集的数据进行识别、提取、分类匹配等操作，将数据转换为包含特定工程信息的实时数据，从而更新模型构件。在原来三维模型的基础上完成实时参数构件的更新，就完成了实时施工模型的创建。

2.2 实时施工模型的自动创建方法

由于实时施工模型需要的现场数据是实时更新变化的，采取人工创建需要耗费较多的人力和时间，实用性较低。实时参数模型的自动创建技术通过图像自动识别和匹配技术完成数据自动更新，并自动向含有对象属性的实体构件转换[15]，极大的提高模型自动化程度。运用于实时施工模型的创建包括六个状态(如图2矩形框所示)，并且每个状态对应其特定的输入和输出内容。模型自动创建的整个过程从现场数据采集开始，最终产品为基于BIM的实时施工模型。

图2 实时施工模型自动创建框架

2.2.1 数据采集与空间关联

视觉和空间数据的采集采用3D激光扫描仪和照相设备来捕捉现场构筑物，从而输出由图像和3D点云呈现的三维表面轮廓。施工现场需要多台照相设备和3D激光扫描仪对现场构筑物进行多角度的图像采集和扫描，从而保证采集的数据能覆盖到全部施工现场，最后将所有数据汇集并生成单一的三维表面。空间位置关联是将经过配准和校正的3D点云和图像输出为一个可以描述被扫描构筑物的表面模型。这样一个三维模型表面具有于实际构件或构筑物相应的材质纹理，且形成互相关联的拓扑结构。利用三角形网格划分3D点云生成的三维表面模型，以便于简化几何模型同时为计算机计算提供算法基础。

2.2.2 特征提取、分类和匹配

特征提取是源于计算机图像处理技术的一个概念，使用图像加工工具提取图像信息，决定每个图像上的点是否属于一个图像特征[16]。在空间关联的基础上，将具有材质纹理的三维表面模型作为提取对象，通过计算机对视觉特征和空间特征信息进行提取，输出结果为包含潜在对象和背景空间特征的三维表面。在此基础上以包含潜在对象和背景空间特征的三维表面的对象，将对象特征逐一与样本中的对象特征进行对比，判定对象所属的类别。通过计算一个对象和样本的距离，判断将对象归入到某一预先定义好的类别的可能性大小，从而实现对象和样本的距离匹配。这个过程可认为是将一个抽象定义的对象指向一个更为现实的对象。

2.2.3 人工修正

目前的技术水平下还无法实现通过计算机实现全自动的模型创建，因此在过程中需要人工修正一些错误或进行参数修改。需要进行人工修正主要包括以下几种类型：对象不识别、对象识别错误、对象的集成和分离。利用计算机算法自动识别过程中发生个别对象未识别的情况，建模人员需要将未识别的对象进行合理的参数设置并插入到正确的位置；当一个对象被错误的识别时，建模人员需要将错误的对象替换或删除；当多个对象被聚集成一个单一对象时，建模人员需要进行分离对象；反之当一个单一对象被识别为多个分解对象时，则需要将这些分散对象聚集成一个单一对象。

2.2.4 参数化构件生成

在前面的步骤中生成了一系列经过归类的三维对象，其中所涉及到的参数都需要被计算。由于BIM模型中对构件类型设定的参数和对象的实体类型都是已知的，且对于不同对象有各自不同的内部表示规则，因此可以利用这些规则来匹配每个对象内部的关键参数。经过分类匹配以及人工修正后的表面模型可以完整生成构筑物所需的所有参数化构件。

2.3 基于实时施工模型的地铁车站施工模拟

将BIM实时施工模型应用于地铁车站施工模拟的基本流程如图3。施工前按照设计资料建立地铁车站的BIM三维模型，实时采集现场数据资料创建动态的实时施工模型。数据采集利用BIM模型自动更新技术，将3D激光扫描仪等设备采集到的数据自动添加到模型当中。针对明挖地铁车站施工主要施工工序，将实时模拟分成了临建工程、围护结构、基坑开挖与支护、主体结构、附属结构以及其他非土建部分工程。通过BIM实时施工模型可视化界面，能够更加直观的进行基于实时施工模型的地铁深基坑施工模拟时的进度、成本以及安全控制。

图3 基于实时施工模型的地铁车站施工模拟

3 工程应用实例

3.1 工程概况

长沙市轨道交通4号线一期工程(月亮岛路～桂花大道)线路全长33.6 km，设24座车站，其中湘江新城车站为岛式地下2层明挖车站，两端接盾构区间，车站覆土2.7 m。车站北端为盾构始发井，车站南端为盾构吊出井。车站外包全长208.8 m，标准段外包总宽20.7 m，车站标准段基坑深约16.13 m，盾构井段基坑深约17.7 m。

车站围护结构主要采用地下连续墙，钻孔桩直径1.0 m，间距1.2 m。围护结构的支撑系统采用钢(钢筋混凝土)内支撑，其第1道采用700 mm×900 mm的混凝土支撑，第3道采用直径=609 mm厚度=16 mm的钢支撑，第2道采用混凝土支撑和钢支撑水平双拼。基坑安全和保护等级均为一级。

3.2 湘江新城站BIM初始建模

湘江新城站首先根据设计资料创建BIM三维模型，建模软件采用Audodesk Revit 2015。根据设计要求，首先创建针对地铁车站的特点族模型，每一个族库都是带有特定信息的参数化构件，从而构成车站模型所需要的构件族库(图4所示为钢支撑族模型)。通过Revit软件建立了湘江新城站基坑支护结构和车站主体结构的三维模型如图5和图6。

图4 湘江新城站钢支撑族模型

图5 湘江新城站基坑支护结构模型

3.3 湘江新城站实时施工模拟

3.3.1 模型创建

车站实时施工模型的创建首先需要实时数据采集，施工中根据实际进度情况定期采集现场数据，从而更新实时施工模型。本项目中三维数据采集使用多台不同测程的FARO X130扫描仪，从不同位置对施工现场进行覆盖扫描，保证信息的完整性。采集到视觉和空间数据通过计算机进行空间关联，将得到的三维点云利用Trimble Realworks软件建立三维点云模型(图7为车站主体结构三维点云模型)。利用计算机系统对点云构件表面模型进行特征提取以及分类匹配工作，得到实时数据更新的参数化构件。将所有参数化构件添加到车站BIM初始模型中，就完成了基于BIM的实时施工模型的 构建。

图6 湘江新城站主体结构模型

图7 Realworks中生成的车站点云模型

3.3.2 施工模拟

实时施工模型是进行实时施工模拟的依据，地铁车站施工不同阶段均可进行施工模拟。模拟中将湘江新城站施工划分为临建工程施工、围护结构施工、基坑开挖及支护、主体结构施工四大块，将实时采集的施工数据反馈到模型当中，与计划模型实时匹配，从而指导施工计划调整。

1) 临建工程施工模拟

在施工准备阶段，根据设计规划施工场地，模拟临建设施施工以及现场交通疏导，如图8所示。

图8 临建工程施工模拟

2) 围护结构施工模拟

本车站围护结构采用800 mm厚地下连续墙加3道内支撑的围护体系。地连墙平均成槽深度22 m，模拟中按照一天一幅的进度连续施工80 d，完成主体地连墙施工模拟，如图9所示。

图9 地连墙施工模拟

3) 基坑开挖及支护模拟

模拟基坑开挖顺序与实际工序一致，分段开挖长度为20 m，模拟工期120 d，单段开挖53 d。模拟基坑开挖作业时间表见表1和图10。

表1 基坑开挖作业时间表

图10 基坑开挖及支护施工模拟

4) 主体结构施工模拟

主体结构施工工期长，模拟标准段单段施工工期60 d，总工期210 d。施工过程工期延误风险较大，中将标准单段长度按18 m考虑，单段施工作业时间分配见表2和图11。

表2 主体结构施工作业时间表

图11 主体结构施工模拟分层效果图

3.3.3 数据输出与协同管理

基于BIM的实时施工模型可以在施工全过程中进行数据输出：模型中每一个参数化构件对应实体构件，实时将实体构件信息反馈到计算机当中，将实时模拟结果与计划进行实时比对，提前控制可能出现的风险。

数据输出的过程是基于互联网的协同管理平台进行操作的。协同管理平台以BIM模型为数据载体，实时收集现场数据并应用起来，作为施工模拟数据输出和处理的统一平台(如图12)。一方面通过该平台可以直观的跟踪到已完成施工的部分和已执行的进度计划，从而比较实际进度与计划进度，便于施工任务的及时调整。另一方面基于实测数据的实时模拟将风险信息反馈在协同管理平台中，从而对施工风险进行宏观的调控。

图12 基于BIM的协同管理平台

3.4 应用效果评价

3.4.1 进度控制效果

湘江新城站施工从2015年9月29日开工，计划完成时间为2017年5月12日，总计划工期591 d，完成基坑开挖和主体结构施工计划工期分别为265 d和471 d。采取BIM实时模拟方案后调整了施工工期计划，3个节点工期分别缩短至536，432和249 d。湘江新城站施工各主要节点采用施工实时模拟前后计划工期、实际工期情况如图13。

从图13可以看出，实际施工工期在3个主要施工节点都比未采取模拟时计划工期更少，总工期缩短55 d，说明在地铁车站中应用实时施工模拟施在工工期缩减方面取得效果良好；采取施工模拟后计划工期和实际工期基本一致，体现了基于BIM的实时施工模拟在实时进度过程控制的优势。

3.4.2 风险控制效果

结合湘江新城站施工实际特点，主要风险监测对象包括坑外地下水位降深、坑周地表沉降、支撑轴力变化、围护结构侧移以及地下管线沉降几个方面。施工中分别定义围护结构施工、3道支撑施工以及主体结构施工为工序1至工序5，采集各工序完成的实时风险项数据(详见表3)，进而分析各个监测项目数值风险情况(详见表4)。

图13 车站主要施工节点工期累计曲线

表3 主要风险项实时数据

表4 监测项目风险情况

根据表4的结果可以得出，湘江新城站施工过程各阶段风险均控制在安全范围内，风险等级控制在中度以下，无需增加保护措施。由此说明利用实时施工模拟指导地铁车站实际施工，地铁车站风险控制效果良好。

4 结论

1) 根据BIM技术特点，提出了BIM技术在地铁车站实时施工模拟中的应用价值：信息集成和工作协同的特点为数量庞大而零散的地铁工程现场实时数据信息提供了一个集中处理的平台；工作关联性的特点为实时施工模型中各参数化构件的生成以及信息更新提供了技术基础；BIM的三维可视化为各方操作人员提供了直观的查看平台，大大便利了施工模拟的进行。

2) 论述了BIM实时施工模型的自动创建方法，提出了基于模型的地铁车站施工模拟思路，并应用于湘江新城车站施工中。通过对车站施工全过程进行实时模拟，管理人员可以在第一时间将施工实际状态与预期状态进行对比，及时调整进度计划、针对可能出现的风险项采取控制措施，有效保障项目质量、进度和安全目标。

3) 通过对湘江新城站的BIM建模，丰富了复杂地下空间岩土地质BIM族库；施工模拟在进度和风险控制上取得的良好效果说明了BIM技术在地下空间应用的合理性。BIM作为一种全新的工程信息化协同管理方式，实现施工建造全过程一体化，使地铁工程在整个进程中效率显著提高、大量减少工程风险和浪费，很好的相应了绿色施工的号召。随着BIM实时模拟技术的不断发展，绿色施工和施工信息化将更多应用于地铁工程及其他地下工程实践当中，发挥更多的效益。

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(编辑 蒋学东)

Real-time construction simulation and application research of subway station based on BIM

WU Weimin, PENG Limin, LEI Mingfeng

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Difficult for metro station construction in the process of multilateral coordination, construction schedule and cost control requirements and construction safety risk problem such as real-time response is not timely, the paper is based on BIM 3D modeling technology, and explore the BIM and information technology of computer image technology combining site. The paper focus on BIM model automatically update technology, real-time construction based on BIM model and the construction process based on the model of subway station real-time simulation was put forward. Real-time construction model can be automatically created to automatically identify the data collected in the field to the computer system, through feature extraction, classification, matching, to form parametric components, and implement updates to the BIM model for real-time construction simulation. At the same time, the application of real-time construction simulation based on BIM in Changsha metro project were studied.

subway station; BIM technology; real-time construction simulation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.018

TU 712

A

1672 − 7029(2019)05 − 1244 − 08

2018−07−31

湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ3657)；中建五局科技研发资助项目

雷明锋(1982−)，男，湖南祁东人，副教授，博士，从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作；E−mail：124520238@qq.com