BIM技术在地铁车站施工阶段的应用研究

2020-03-12黄兆凯

工程技术研究 2020年4期

黄兆凯

（中铁十六局电气化工程有限公司，北京 100020）

1 引言

BIM技术的起源是美国，这一技术最早由美国斯坦福大学于2003年提出，其最初形态实质上是一个动态模拟施工过程的软件。其在发展的过程之中逐步加入了信息管理系统、数据存储系统、数据共享系统、环境监测系统、建筑环境质量监测等系统，这些系统的加入极大地扩展和丰富了BIM技术的作用，实现了对建筑施工过程的模拟和有效管理。这一技术在我国也得到了全新的发展，2008年我国的相关研究学者和专家将这一技术同建筑节能技术相结合，成功开发了全新的BIM建筑数据管理平台。2009年我国的科学家将这一技术同有限元分析整合为一个整体，使其实现了施工建筑过程和建设结构设计过程信息的交互。2010年我国科学家借助这一系统构建了完整的建筑成本预算信息模型。2011年我国科学家和技术人员借助这一技术成功的开发出了对施工资源进行动态管理的数据系统和成本监控系统。

近年来国外在应用BIM技术的过程之中也取得了一系列的科研成果和实践成果。美国将这一技术成功地应用到凤凰城的轻轨建设项目之中，对项目之中涉及的轨道进行了优化，在保证了施工质量的前提下有效的缩短了工期，减少了成本预算。新加坡将这一技术应用到了综合管线的监测之中，其有效提高了相关工作的工作效率，提升了施工的速度。英国在建设海峡隧道的过程之中采用BIM技术对隧道整体进行三维建模，进而将BIM技术应用到了隧道设计、施工、运营的各个环节之中，成功实现了BIM技术在隧道建设过程之中的系统化应用。国内最早对于这一技术的应用是在2006年，在成都的地铁建设过程之中相关的技术人员利用BIM技术对涉及的管线进行了深入的研究，并进行了数字化三维设计。此后我国在地铁建设的过程之中逐步加大加深了对这一技术的应用，其有效地解决了地铁建设过程之中的协同设计问题，极大地提升了设计和施工的效率。从整体上看近年来国内外对于BIM技术的应用已经取得了一定的实践成果，有效地解决了建筑过程之中存在的诸多问题。加强这一技术在地铁建设过程之中的应用，对于提升地铁建设的效率，降低地铁建设的成本具有积极的意义。

2 BIM技术应用基础条件概述

2.1 BIM软件选择

采用BIM技术的第一步是选择合适的BIM软件以及同这一软件相匹配的硬件和服务器设施。现阶段国际上得到广泛应用的BIM软件有三种：一是美国的Revit软件；二是法国的CATIA、DELMIA软件；三是芬兰的Xsteel软件。这三种软件有着各自不同的特点和优势，在使用的过程之中需要根据自身工程建设项目的特点进行针对性的选择。CATIA、DELMIA这两种软件非常适宜对各种复杂的空间进行三维建模以及进行三维模拟动画的制作。Xsteel的优点主要体现在钢结构的建模过程之中，此外其在完成建模之后能够直接输出高标准的图纸，极大地减轻了建筑设计过程之中的图纸绘制工作量。Revit软件的优点，一是能够轻易地实现协同设计，即将建筑物之中的各种要素整合为一个整体进行设计；二是具备完善的建筑结构设计和建筑功能设计的工具，其实现了对各种材质的物理模型的集成，有效地提升了设计效率；三是其提供了对外连接的AIP接口，其能够同其他类型的结构分析软件、管理软件等联合，从而实现对设计内容的处理和管理，此外也可以通过其接口自行编程以实现设计者需要达到的目的。从整体上看Revit软件非常适合各个工种进行协同设计。在大型项目建设的过程之中，为实现将所有的建设内容集成为一个整体并有效地对这一个整体进行管理，通常选用Revit软件。

2.2 BIM软件的硬件配置要求

不同版本的Revit软件对硬件配置存在一定的差异，但是这些版本的软件在运行的过程之中具有相似的最低运行环境要求，在硬件配置的过程之中必须满足软件对最低硬件配置的要求，且在这一基础上尽可能地提升硬件设施的配置。Revit软件的硬件配置最低要求是具有IntelXeonE5系列CPU，内存至少达到32GB，具有支持热插拔的1T硬盘，具备双千兆的以太网端口。

3 地铁车站BIM三维建模过程

在进行地铁车站的三维建模之前首先要对车站的类型进行划分，确定车站的等级等内容。在明确车站的相关信息之后需要对车站周边的地理环境信息进行深入的收集和整合，在完成一系列的基础信息的整理工作之后开始车站的三维建模。

3.1 三维建模的流程和思路

三维建模的流程可以划分为以下几个阶段：第一个阶段，绘制地跌车站的标高并绘制和导入地铁轴网图。第二阶段，依托轴网图绘制地铁车站涉及的各种竖井和导洞，这一阶段的重点是根据车站的具体设计进行内部结构的建模。在三维建模的过程之中为严格地按照设计的要求进行建模，需要采用不同的方法对车站的不同位置进行建模。例如对于车站之中存在的外形结构较为简单的板、梁、柱等结构，可以借助系统之中自带的模型进行快速的参数化建模。对于地铁车站之中涉及的异形结构，要采用软件自带的外建族功能进行建设，对于细节较为复杂的结构则可以采用3DMax软件进行建模，在建模完成之后再导入到Revit软件之中。

3.2 建模的特点

在完成地铁车站的三维建模的过程之中要注重对以下特点的把握：一是针对性，在进行地铁车站的建设过程之中要根据车站的具体特点选择适宜的建模软件和适宜的建模方法进行BIM模型的构建。二是精准性，在建模的过程之中要严格遵照车站的设计进行建模，在模型之中要准确全面地反映各项设计要求和信息。三是建模过程尽可能实现参数化，对能够进行准确全面参数描述的物体应该通过一系列的参数去构建。四是规范性，在建模的过程之中要充分考虑到现实的设计规范和施工规范，使构建的三维模型在设计变更和施工建设的过程之中切实发挥作用。五是批量化，在建模的过程之中对于大量使用的部分构件应该参照其二维图纸进行绘制，进而一次性大批量地完成重复使用的构件的建模。

4 BIM技术在地铁车站施工阶段的应用

在完成对车站的BIM模型构建的基础上，为了强化这一技术在地铁车站施工过程之中的应用，需要进行BIM4D管理系统平台的建设，借助这一平台实现动态模拟技术、资源管理技术、沉降监测技术、施工进度控制技术以及WBS过滤技术在地铁车站施工阶段的应用。

地铁BIM4D管理系统是在VS2008的环境之中采用C#语言开发出的一种管理平台。其采用了SQL Server 2005作为整个系统的数据库，整个系统平台被划分为5个层面，实现了对数据的有效处理和较好的人机交互。这一平台在使用的过程之中体现出了较好的稳定性和兼容性，能够非常便捷地对其中的数据进行修改。

4.1 动态模拟技术

在地铁车站建设之前对施工的过程进行动态模拟有助于及时发现制定的施工方案之中存在的缺陷和漏洞。此外，在施工的过程之中对于某些设施的施工形成不同意见时，也可以借助动态模拟施工技术对各种施工方法进行比较，进而选出最优的施工方案。从某种程度上分析，这一技术对于优化地铁车站的施工方案起到了较为重大的作用。动态模拟在传统上是由Revit的下游软件Naviswork来完成，但是这一软件在实践的过程之中存在动态显示效果差的缺陷，对于规模较大的三维模型，其存在较为严重的画面失真现象。因此现阶段通常是借助BIM4D管理系统进行动态模拟施工，其模拟的过程划分为5个步骤：一是将Revit、3DMax等软件之中绘制的模型转化为IFC标准格式；二是将标准格式的模型导入到4D管理系统之中；三是依据地铁车站的实际施工进展情况绘制施工进度计划；四是将编制的施工进展计划导入到4D管理系统之中；五是将导入的标准模型同施工进度计划相连接构建完整的施工进度模型。

4.2 WBS过滤技术

WBS技术实质上就是对工作进行合理分解的技术，其本质是将复杂的项目按照一定的层级分解成为一个一个易于管理和操作的小项目。在BIM4D管理系统之中应用这一技术是指在绘制模型的过程之中就对复杂的地铁车站施工项目进行划分，分解为一个个细小的项目。在地铁车站施工的过程之中依据分解的结果，执行一个个小项目进而完成大项目的建设。这一技术的应用极大地降低了地跌车站建设的复杂性和技术难度，提升了施工的效率。

4.3 施工进度控制技术

在完成地铁车站模型的构建和施工进度的编制之后，在BIM4D管理系统之中能够形成工序同时间一一对应的时刻表。在真实施工的过程之中将实际完成各工序的时间输入到BIM4D管理系统之中就可以对实际施工进度和理论进度进行分析，进而明确在施工的过程之中哪一道工序耗费的时间远远超过预期估算的时间。这一技术的应用使地跌车站的施工进度处于一个透明的状态，能够及时准确地了解地铁车站施工每一时刻的进展进而有针对性地进行人员和物资的部署，极大提升了地铁车站施工的过程之中对各种物资的使用效率，有效降低了地铁施工的综合成本。

4.4 资源管理技术

在进行地铁车站施工的过程之中需要耗费大量的各种类型的资源，实现对资源的有效管理，能够极大地提升施工的效率。BIM4D管理系统之中集成了工程量计算模块、资源消耗分析模块，资源分摊计算模块，现场资源查询模块等。这些模块的互相配合实现了对地铁施工现场所有的资源的高效管理，能够及时满足地铁车站施工的过程之中需要的各种资源，也有效地避免了地铁车站施工的过程之中对各种资源的浪费。此外，这些模块的互相配合还能够减少相关材料的库存，有效地降低了地铁车站建设的综合成本。

4.5 沉降监测技术

在地铁车站施工的过程之中为保证施工安全，需要对施工现场进行实时的沉降监测并将相关的监测结果实时进行汇总。采用BIM4D监测系统其能够在施工现场设置系统全面的监测点，及时对监测点的数据进行采集并将数据导入到系统之中，系统根据导入的信息进行实时的分析，将每日的沉降量和施工过程之中发生的总沉降量进行全面及时的统计分析。在完成分析之后将分析结果同允许范围进行比较，及时发现施工现场存在的沉降危险，确保施工的安全。