BIM技术在广州地铁11号线彩虹桥站的应用

2020-08-18彭飞刘义陈卓陈强袁海林

铁路技术创新 2020年3期

彭飞，刘义，陈卓，陈强，袁海林

（1.成都希盟泰克科技发展有限公司，四川成都 610000；2.中国中铁二局集团有限公司，四川成都 610000）

1 工程概况

1.1 工程简介

彩虹桥站为广州地铁11号线的第17座车站，为11号线与8号线、13号线的换乘车站。车站位于东风西路北侧，沿流花湖东西方向设置，8号线北延段彩虹桥站位于荔湾路和东风西路的交叉路口南侧，沿荔湾路南北方向设置，11号线与13号线双线平行同台换乘，与8号线形成T字形换乘。车站全长357.6 m，标准段宽51.4 m，基坑开挖深度23.48～31.54 m，明挖顺作法施工，顶板覆土2.5 m，连续墙深26.5～37.0 m。车站平面布置见图1。

图1 彩虹桥站平面布置图

彩虹桥站为地下2层双岛式车站（局部地下3层），主体围护结构采用1.0 m厚地连墙，标准段设置3道混凝土撑+1道钢支撑，换乘节点设置4道混凝土撑+1道钢支撑。主体结构为地下2层（局部3层），5柱6跨结构（站台范围为3柱4跨结构），本站附属结构包含5个出入口、6个风亭组、1个冷却塔。车站三维结构模型见图2。

图2 彩虹桥站三维结构模型

1.2 工程特点及难点

11号线为广州地铁首次采用施工总承包模式的试点项目，是中国中铁股份有限公司倾力打造的重大轨道交通项目施工总承包典范，其中工程特点及难点如下：

（1）环境异常复杂，协调工作量及难度大。车站位于广州市老城区，周边环境极其复杂［1］。地面交通、人流量较大，交通疏解困难；地下管线错综复杂，管线改迁难度大。

（2）工程量大。彩虹桥站为地下2层双岛式车站（局部地下3层），全长357.6 m（含换乘节点37.5 m），标准段宽为51.4 m（最大宽度为57.5 m），基坑开挖深度为23.48～31.54 m，工程量大。

（3）工期紧张。彩虹桥站为盾构双向始发车站，对总体工期目标实现有重大影响。因项目是在2017年8月启动，根据工期节点要求及总体施工筹划，车站东端头需在2019年2月具备盾构始发条件。彩虹桥站工程量大，施工工期紧张。

（4）地质情况复杂，技术难度高。水文地质条件较差，主要不良地质流塑状淤泥［2］，轻微砂土液化，连续墙成槽过程中槽间淤泥扰流，槽壁稳定性差，影响连续墙质量，基底位于中风化、微风化岩层，非爆破开挖难度大，功效极低［3］。

2 BIM应用环境

2.1 BIM应用目标

BIM应用由公司统一领导，在项目经理部BIM应用中心的管理和组织下开展，统筹规划BIM的应用模式、方法、工具，为公司后续BIM推广应用作积极的探索［4］。项目经理部不仅需搭建专业的BIM应用团队、整合各专业工程人员参与、确保BIM应用的深度和成效，还需搭建与公司相对一致、兼容性好的统一BIM技术系统和工具，确保BIM应用作为示范更容易推广；同时需要高度重视BIM建设的标准，提高BIM应用水平。为保障项目总体目标的顺利实现，并为具体工作提质增效。在彩虹桥站项目开展BIM技术应用，不仅有BIM应用环境搭建、软件部署实施、建模、深化应用、数字化移交［5-7］，还将通过项目经理部BIM示范，带来额外价值：

（1）带起一个专业团队。通过BIM应用及其过程中的培训、认证考试、知识转移，逐步建立起一个懂业务、熟BIM的专业团队，为公司后续BIM深化应用乃至通过信息技术进行公司转型发展奠定良好基础。

（2）形成一套系统标准。通过BIM应用，打造一个具有一定先进性、更具有高度实用性的BIM应用系统，以及在系统建设和应用中逐步形成适用于中国中铁股份有限公司的BIM应用标准，为后续BIM推广奠定良好基础。

（3）申请多个专利技术。通过BIM应用，共同在关键技术上进行创新，特别是围湖挡墙与模型的结合方面、狭窄场地施工作业区域布置方面，形成专利技术。

（4）获得共享知识产权。通过BIM应用，共同在关键技术上进行实践，在部分特定场景的系统功能应用上，与开发服务方共享知识产权。

2.2 团队组织

项目从2017年8月启动，成立以彩虹桥项目部和外部咨询单位BIM工作组作为项目实施团队。在团队中，成都希盟泰克科技发展有限公司（简称成都希盟泰克）负责项目的直接执行；中铁二局城通公司为项目提供全方位保障，按时准备项目执行所需的软硬件、网络、办公环境，跟踪与解决和软硬件有关的技术问题，同时提供对文件、管理人员、用户、系统环境和其他资源上的配合与协调。团队组织架构见图3。

图3 团队组织结构

2.3 软硬件环境

（1）硬件环境：由模型工作站、盾构监控服务器、VR系统服务器、VR头盔构成，各硬件所需CPU、内存、显卡、硬盘等配件具体参数见表1。

表1 硬件配置与参数

（2）软件环境：软件包括BIM建模软件、模型处理软件、BIM 3D引擎、动画制作软件、VR 3D引擎，实现以上功能的各种软件具体型号见表2。

表2 软件配置及型号

3 BIM应用与设计

3.1 BIM基础应用

（1）地质模型构建。工作内容包含彩虹桥站范围内地层信息的地质模型及流花湖开挖和回填的地质模型。相关示例见图4、图5。

图4 地质模型构建流程

图5 标准断面地质模型

（2）临建BIM模型构建。彩虹桥站工程施工场地临建BIM模型用于反映施工场地布置（见图6、图7）和临时建筑规划、场地周边交通疏导方案［8］。主要模型结构类型包括场地内外交通及主要结构。工作内容包含施工场地及周边临建的模型构建（见表3）。

（3）主体工程模型构建。彩虹桥站为地下2层（局部3层）结构，5个出入口、2组风亭。车站模型应按竖向分层划分，并建立主体结构模型（见图8、表4）。

建立与主体工程相关联的关键构筑物、主要河流段、地表建筑物的关键尺寸数据，用于反映与主体工程的位置关系和重要距离参数，需进行下穿构/建筑物建模（见表5）。

图6 彩虹桥站临建BIM模型

图7 周边环境和临时场地临建模型

表3 临建BIM模型清单

（4）设备模型构建。项目拟搭建的大型施工设备模型主要为钻机、挖机、吊机模型，可用于反映在车站施工中。相关设备模型见图9。

3.2 BIM高级应用

（1）车站主体施工仿真。主要针对已建立的整体结构BIM模型，对车站主体施工的全过程进行模拟仿真（见图10），对施工过程的重难点工艺进行分化，形成车站主体施工仿真视频。仿真价值在于：施工模拟；方案优选；工筹仿真；指导施工［9］。

表4 主体模型清单

图8 主体结构模型

表5 主体工程相关联的关键构筑物清单

（2）BIM模型视图系统及移动端。通过BIM模型视图系统随时在线查询三维BIM轻量化模型、模型属性信息（见图11、图12）。优势在于：随时查看BIM模型；模型支持IOS及安卓移动端；全属性查看；通过结构树对模型快速选择。

（3）VR车站主体漫游。通过VR与BIM技术结合，实现车站主体的虚拟漫游，以达到身临其境的感受。其价值在于：通过VR+BIM技术［10］实现“真实体验”，实现彩虹桥站全景漫游。

图9 大型施工设备模型

图10 车站主体施工仿真

图11 Web端查看BIM模型

图12 移动端查看BIM模型

3.3 BIM创新应用

在BIM创新应用方面，主要以对基坑开挖施工组织计划的研究和顶管穿越高架桥桩基间距的仿真模拟为主。利用BIM技术、运筹学、AI算法，研发行业内首款结合实际工程施工的施工组织系统。通过工程施工仿真BIM模型数据，控制工程施工过程、机械设备投入、材料供应及运输等各个施工环节，对仿真模拟出的施工进度计划进行分析，提供合理的施工组织计划，提升工程项目的管理水平。

图13 VR车站漫游

（1）基于BIM的深基坑开挖及结构施工组织计划深化应用研究。深基坑开挖施工组织计划深化应用研究需结合车站BIM模型数据进行车站施工组织仿真模拟（见图14），对施工方案和设备投入进行施工前的预演，以确定车站工程施工组织计划、资源和设备投入的合理性［11］。

基于BIM技术的深基坑开挖及结构施工组织计划应用研究所需完成的主要工作如下：协调车站基坑开挖、基坑支护、渣土运输等各项进度的前提下，达到挖、转、支等各种施工工序的综合平衡；复核施工方案的可行性，动态优化调整施工资源配置、施工强度和工期；完成深基坑开挖及结构施工的施工组织计划模拟视频。

（2）基于BIM技术的顶管穿越仿真模拟应用研究。主要针对顶管穿越高架桥桩基间距仿真模拟的内容，根据顶管穿越的参数、力学信息等，仿真模拟顶管穿越高架桥桩基全过程，基于BIM模型动态呈现［12-13］。并且避免在施工过程中对已有建筑造成破坏。顶管穿越施工仿真，首先需要建立动力学仿真模型；然后设置有限元边界条件；最后对顶管穿越高架桥桩基全过程进行动力学仿真分析，确保在施工过程中由于运动变化使建筑结构、地质环境等产生的应力应变变化范围在周边建筑的安全值以内。