BIM 技术在地铁车站下穿既有地道桥施工中的应用研究

严小卫，于晓辉，赵智成，陈博文

（1. 中交二航局第三工程有限公司，江苏 镇江212000；2. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150090，E-mail：yxhhit@126.com）

随着我国城市化水平的大幅度提高以及城市人口的急剧增加，地下轨道交通的建设已经成为各大城市解决交通拥堵问题的重要手段。然而随着全国地铁建设规模的快速扩大，地铁车站作为地下轨道交通建设的重点工程却频频发生严重的施工安全事故，造成了极其恶劣的社会影响。地铁车站由于施工地点、施工内容、施工作业时间相互交错，且涉及进度、成本、质量、安全等多维度问题[1]，才会导致施工协调组织困难和安全事故的发生。因此亟需采用信息技术构建地铁车站施工时间及空间模型，对施工现场进行空间安全管理[2]。

近些年，BIM 技术凭借着可视性、协调性、模拟性和优化性等优点[3]在基础设施领域逐渐兴起，越来越多的工程因应用BIM 技术而受益[4~6]。除了应用BIM 技术创建三维可视化模型外，BIM 技术在地铁建设过程中也不断涌现新的结合创新点。弓瑞强[7]分析了BIM技术在精细化管理中应用的可行性，构建了一套基于BIM 技术的地铁车站工程全生命周期精细化管理流程体系；李坤[8]探索了BIM 技术在地铁车站结构设计中的应用，将BIM 技术应用推广到结构计算和工程量统计的过程中，实现了物理模型和分析模型之间工程信息的共享；周少东等[9]依托武汉地铁2 号线中南路地铁车站项目，详细介绍了施工过程中集成管理系统的构建过程和各功能模块的应用，通过系统的实施反映出集成管理的效果，充分体现了基于BIM 技术的地铁施工过程中集成管理的应用价值和发展前景。然而，目前将BIM 技术、精细化管理理论和有限元分析联合应用于地铁车站施工中的案例尚少见。

本文将以哈尔滨地铁3 号线哈平路站换乘联络通道下穿既有地道桥施工为背景，在盖挖施工方案设计阶段引入BIM 技术，通过利用Revit 进行建模来识别评估施工风险源，从而进一步确定最优的施工方案。并采用基于BIM 的多软件协同作业平台和基于BIM 和有限元分析联合深化设计方案，提出一种基于BIM 技术的地铁车站施工的联合深化设计管理新方法，以指导换乘联络通道下穿既有地道桥的施工过程，进而为今后类似的地铁建设项目的信息化施工提供参考和借鉴。

1 基于工程的BIM 应用模式

1.1 工程概况

哈尔滨地铁3 号线哈平路站位于哈平路与保健路交叉路口处，总建筑面积为22417.56 m2。车站整体结构由既有的保健路地道桥分隔成两个相对独立的车站主体，主体结构之间通过换乘联络通道进行连接。其中，保健路地道桥位于盖挖联络通道的正上方，呈垂直交叉状态布置。

由于换乘联络通道的施工需下穿既有保健路地道桥，施工场地极其狭小，造成施工组织困难、协调难度巨大，加之工期紧张、车流量大、风险源多等因素的影响，大大增加了联络通道盖挖施工的难度。而BIM 技术可以通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型。为提高地铁车站建设施工的技术管理能力与信息化管理水平，基于哈尔滨地铁哈平路站盖挖下穿既有地道桥工程项目，在既有地道桥加固改造工程和联络通道盖挖工程设计方案的选择和实际施工过程中应用了BIM 技术。

1.2 BIM 团队组织架构

BIM 技术能够将换乘联络通道盖挖工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在同一个模型中，从而更好地服务于各工程参与方。BIM 技术运用的最大价值也就在于打通项目工程的全生命周期，而采用BIM 承载的资料和信息对项目进行全生命周期管理对于BIM 项目团队是一个极大的挑战。大量实践证明，一个优秀的BIM 团队可以更好、更快地运用BIM 技术承载的资源来管理和指导工程项目的有序运行。

本文采用如图1 所示的BIM 团队组织架构，项目团队中特设BIM 总经理，并按照传统项目实施所需的专业工种以及项目建设所涉及的环节，依次设立相关BIM 工作人员来完成对建筑、结构、安全、资源、成本及模型的管理。BIM 团队人员由BIM总经理直接负责。BIM 团队成员将利用BIM 平台所形成的数据库资源分工协调、通力合作，共同加快决策进度、提高决策质量，从而提高项目质量，降低项目成本，增加项目利润。

图1 BIM 团队组织架构

1.3 BIM 工程应用流程

BIM 技术利用三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调的信息模型，并使该模型实现设计和施工的一体化。在BIM 技术应用过程中，准备阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段贯穿于整个工程项目的始终。哈平路站换乘联络通道盖挖工程主要包括地道桥托换施工以及盖挖施工两个部分。图2 所示的是盖挖工程施工过程中BIM 技术在4 个阶段中的应用。

图2 BIM 总技术流程

在设计阶段，利用Revit 建立3D 模型来对地道桥的托换工程进行实际模拟，并建立采用联络通道盖挖施工过程中的Revit 4D 模型，在考虑时间效应的基础上进行施工场地的布置，再通过Navisworks模拟来进行重要设备和结构的碰撞检查。并辅助利用Midas GTS NX 有限元模拟软件对联络通道盖挖施工方案进行结构验算，共同来指导工程的施工。在施工过程管理中，采用Delmia 进行5D 仿真模拟，在空间立体的基础上增加了时间维和成本维，在施工阶段实时监控成本、质量与进度。

1.4 BIM 软件配置与建模

研究BIM 技术在地铁车站下穿既有地道桥施工项目的应用过程中，涉及了多款BIM 软件。除了前面提及的Revit 及Navisworks 软件外，还采用Catia、鲁班BV 和鲁班BE 分别进行联络通道盖挖施工仿真模型的创建、构件和测量坐标的信息的查询以及进度、质量、安全的管理。此外，还配备相关VR 体验设备，用于施工场地漫游虚拟体验和风险事故预演模拟。

2 BIM 技术在工程中的应用

BIM 技术在施工信息化管理方面具有较强的优势，已成为推动地铁建设领域信息技术发展的核心动力。BIM 技术的典型特点主要集中表现在可视化、协调化和集成化3 个方面。BIM 可视化可将传统的二维模型转变为形象、直观、立体的三维模型，同时BIM 三维模型又是协调化和集成化应用基础。

2.1 BIM 的可视化应用

2.1.1 鲁班BV 辅助盖挖施工

在传统的地铁车站盖挖法施工过程中，都是以地面为基面设置盖板结构进行开挖施工，在物料运输和围护结构的施工过程中，塔吊司机和塔吊指挥员相对可以对现场情况进行判断，将物料运送至确定的位置，并可以在围护结构施工时有着较为准确的定位。而本盖挖工程位于既有保健路地道桥的正上方，无法在破除地面施作盖挖顶板时运送物料，也无法准确定位并施工钻孔灌注桩。同时，现场施工人员专业能力参差不齐，对于二维图纸的识别能力千差万别。为解决以上问题，采用BIM 技术来指导材料运输和围护结构施工。

在施工物料吊装运输和钻孔灌注桩施工前，首先要将物料存放的位置以及物料要运送的位置在BIM 模型上进行标记；并对冲击钻、钢筋笼和混凝土等材料在BIM 材料模型上用模型文字功能进行编号添加，然后统一将BIM 模型上传到鲁班系统；施工作业时，通过鲁班BV 手机端，塔吊司机和塔吊指挥员均可三维直观看到材料的运送位置以及围护结构施工的准确定位点。嵌入BIM 技术的盖挖施工流程，可以让工程施工人员清晰地看到工程的3D 维度和具体细节布置，不仅提高了施工效率，而且大大增加施工的精密度。

2.1.2 Fuzor 辅助三维交底

由于部分工程施工人员专业性缺乏、工程伦理观念薄弱。为了让他们更好地按图按章施工，保障工程的质量和安全，将Revit 建立的三维模型导入Fuzor 软件中模拟盖挖施工的步序及支护结构的架设过程，运用虚拟现实技术带入感强的优点，让工人们带上VR 眼镜进行虚拟体验，感受施工过程和注意事项；同时，可以让工人们感受火灾、涌水、塌陷等施工安全事故，并进行实时模拟和危险自救，从而提高工人的自我保护能力和安全防患意识。利用BIM 模型的可视化让工人身临其境，熟悉施工流程，把握施工质量，大幅提高了施工交底效果，保证了施工安全有序地进行。

2.2 BIM 的协调化应用

2.2.1 Navisworks 碰撞检查

联络通道盖挖工程项目需要在既有地道桥下方施工作业，施工场地非常狭小，施工组织极其困难，而且在施工过程中设备摩擦、空间冲突极易导致生产效率低下，甚至可能引发安全事故，所以在进行每一道工序时都必须要有足够的施工活动空间，比如机械臂长的旋转半径、施工人员的活动半径、出土设备的运转路径等。只有合理高效地安排施工空间和设备运行方式，才能保证施工过程安全有序地进行。

本项目利用BIM 技术的协调化功能建立三维模型进行动态施工模拟，来寻找最优的机械行进路线和人员活动的范围，大大降低了工程损失和人员伤害发生的可能性。在进行空间冲突检测之前，对每一构件和每一工序占用的空间利用边界法描述BIM 的实体外形。此外，由于挖掘机械在施工过程中姿态时刻变化，就不能简单地用外形来描述其空间占用情况。根据其运输作业时旋转及前进的主要行为表现，进行施工模拟的时候要设置动态的机械活动模型，从而查找出周边可能发生的所有碰撞情况。在经过多轮检测及设计调整后，就可得到满足专业及施工要求的“零碰撞”模型。图3 和图4 体现了盖挖施工过程中的支护模型以及机械设备与支撑结构的位置关系。

图3 盖挖联络通道支护结构模型图

图4 机械设备与支撑结构的位置关系模型

2.2.2 设计协调，优化施工

施工方案设计是一个反复修改的优化过程。在传统的设计过程中，若出现设计方案需要变更的情况，就要手动修改各种图纸中的相关信息，不仅费时费力，还容易出现信息不匹配的现象；如果到施工阶段才发现问题，就会引起返工和浪费资源等问题。在盖挖施工前，保健路地道桥加固方案的设计直接影响了后期施工对其稳定性和安全性的影响。

BIM 模型中的所有图元构件都是基于一定的逻辑关系生成的，设计文件中的各个图纸视图和模型构建等图元都是关联在一起的。任何部分的变动BIM 模型都能够自动修改并相应反映到其他图纸视图及与模型相关的全部子项中。首先，利用BIM设计软件Revit 建立保健路地道桥的加固模型，合理确定地道桥原有围护桩的破除顺序和底板加固过程中钢筋混凝土板撑的规格、厚度以及侧墙钢筋混凝土的型号和用量。通过BIM 技术的协调优化功能，来确定最优的地道桥加固方案。此外，在整个项目施工过程中，多专业协同工作在任何时刻、任何地方由任何一个专业所做的任何变更，均可确保各专业设计文件保持协调一致和完整，这将大大减少了设计人员的重复劳动和出错误率，节约了资源，提高了效率。

2.3 BIM 的集成化应用

2.3.1 质量安全协同管理

质量安全管理是项目管理中最基本、最核心的目标，因此及时有效地识别分析，并及时处理施工现场质量安全隐患尤为重要。项目工程技术人员可以利用安装有鲁班BV 客户端的智能手机，记录施工现场存在的质量问题和安全隐患，并上传至鲁班BE 平台上，以实时反馈工程中的质量安全问题，从而做到及时地协调处理。此外，工程管理人员可以通过BIM 技术建立3D 模型，将施工现场存在的普遍质量安全问题在3D 模型的相关位置上挂接，直观、全面、准确地反映出项目存在的质量安全问题，从而可以摆脱对常规经验的依赖，准确定位质量安全隐患，并在该位置附上原因及相关图片，同时将处理方法也标注于此处。这样在整个施工过程中，各专业人员都可以及时地发现并处理问题，保证信息的时效性，提高了项目质量安全管理效率。

2.3.2 进度成本5D 管控

施工进度计划和成本控制是对工程项目的开展顺序和资源调配的统筹安排，是实现施工进度成本控制的依据。在下穿既有地道桥盖挖工程中，编制准确可行并真实反映工程进展情况的进度计划除了依据总控计划外，还受到施工顺序、分项工程量、资源供应情况等的限制，其中成本管理又与工程量、人员数量和材料供应息息相关。

BIM 模型的应用为进度和成本管理减轻了负担。在编制总进度计划和成本控制工作表时，利用BIM 软件建立考虑进度成本的5D 模型，并选择以工作位置、专业为区分的WBS 工作分解结构模板，批量设置相关匹配信息，从而更好地实行进度成本管控。通过基于BIM 技术建立的三维空间模型集成了工程项目的施工步序、材料性能、工程状态等信息，并借助BIM 平台的工程算量软件将数据进行整理，可直接精确计算出钢筋、混凝土等材料的用量和各分部分项工程的工程量，并间接计算出施工过程中的实时成本。将盖挖施工过程中每一施工步序所花费的时间和成本再添加至BIM 模型，以便后期实际进度成本与设计进行对比。

3 基于BIM 和有限元分析的联合管理

3.1 基于BIM 和有限元分析联合深化设计的创建

基于BIM 技术的软件Revit 虽具有强大的三维建模能力，但目前还没有结构分析的模块。因此，本文尝试将BIM 和有限元分析联合深化设计应用在联络换乘通道下穿既有地道桥的盖挖施工过程中，图5 为由Revit 导入Midas GTS NX 软件的模型。

图5 保健路地道桥与盖挖段支护施工模型

3.2 地道桥结构性能分析

通过前文利用BIM 技术确定的地道桥加固和盖挖支护施工方案，在地道桥加固改造完成的基础上，分4 次对联络通道的盖挖并及时施作内支撑，来研究联络通道施工对既有地道桥的变形影响规律，进一步在结构分析层面验证地道桥托换方案的可靠性。由于地道桥处于盖挖施工的正上方区域，其变形影响主要为竖向变形。随着联络通道盖挖施工不断进行，不同开挖步序的沉降变形分别是0.858 mm、0.884mm、0.979mm、1.209mm。当联络通道开挖至坑底时，沉降量最大，仅为1.209mm，可见地道桥加固方案对控制其自身的变形起到了良好的作用，再一次证明了基于BIM 技术的地道桥加固方案的正确性。保健路地道桥在联络通道第1~4 次盖挖施工过程中的竖向位移云图，如图6 所示。

图6 地道桥竖向位移云图（联络通道第1~4 次盖挖施工）

4 结语

本文基于哈平路站联络通道盖挖施工下穿既有地道桥的工程实例，深入阐述了BIM 技术在工程项目前期准备、方案设计以及施工建设等方面的应用。在场地狭小、施工组织困难的情况下，利用Revit建立三维可视化模型，并利用鲁班BV 软件精准定位钻孔灌注桩和钢板桩坐标，高效完成材料运输工作。在BIM 软件构建三维模型的基础上进行碰撞检测模拟，模拟出施工过程中各个工种的作业碰撞冲突，从而合理安排施工空间布局。对于地道桥改造和联络通道盖挖方案的确定，通过BIM 技术的优化协调性，在三维模型上对施工方案进行动态优化，避免了二维图纸设计的不确定性，可以直观地分析施工方案的可靠性。并利用Revit 可与Fuzor 软件无损互导，配合VR 设备实现了工程施工中的虚拟现实体验，使三维交底更加直观、形象。

通过建立BIM 管理集成化平台，对于施工进度、成本、质量和安全进行多目标集成管理控制，实现了施工管理的精细化和信息化。在基于BIM 集成管理的基础上，引入Midas GTS NX 有限元分析软件，补充了BIM 模型无结构分析模块的缺陷，形成了一种基于BIM 技术的城市地铁车站建设施工联合设计管理新方法。