BIM技术在地铁工程中的数据库建立及其应用

程马遥,曾洋

BIM技术在地铁工程中的数据库建立及其应用

程马遥,曾洋*

佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院, 广东 佛山 528000

针对建筑信息模型（BIM）中地铁工程文件数据库较少的问题，本文基于技术族文件的建立，在地铁工程项目领域建立了地铁族文件数据库，该数据库包含了车站结构框架、钢筋混凝土柱、轨道等，为BIM技术在地铁工程中的应用开发建立了一套自己的族文件，加快了建模的进度与效率。通过建立的地铁族文件数据库，形成科学的Revit模型（地铁车站基坑三维模型），旨在细分原有的土方模型，把Revit模型利用Autodesk公司Navisworks软件进行模拟建筑，通过基坑模型的虚拟施工开挖，与原有的基坑开挖方法进行对比分析，提出一种新的明挖车站基坑的施工方案，即双侧面台阶法，在实际的地铁车站中应用并取得了良好的效果。

地铁工程; BIM技术; 数据库

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）旨在对建筑全寿命过程进行信息化管理。常见的应用手段包括：前期规划、设计阶段（建筑概念、初步设计、施工图设计）、加工阶段（项目预制）、施工阶段（项目安装）、项目运营、项目维护和项目改造（拆迁或者拆除）等。BIM在不同阶段可以发挥相应的优势和特长，可应用于高层建筑、桥梁、隧道和地铁等大型工程建设项目中，也可以很好地应用于安装工程中的管路线路设计和优化，通过三维可视化展示和检查问题线路[1-3]。

现阶段，BIM主要应用在高层项目中，但很少在地下项目中应用。地铁是城市交通建设的关键组成部分，旨在打造绿色健康交通模式，是城市和谐发展、社会进步的有效体现。基于此，BIM不管是从地铁项目设计、施工阶段、运营阶段等，都具备深远意义。地铁项目离不开地下建构工程，并且出现投入大、周期常、施工慢、效率低、安全要求高、协调部门多等问题，所以地铁工程整个施工项目需要面临十分复杂的流程。BIM技术是提升工程项目效率的有效手段，对地铁项目建设有诸多好处，全球范围内学者们纷纷开始强化关于BIM应用的研究工作，但是迄今为止依然没有很好的度量手段，也没有形成协调统一的论证手段。各国研究人员开始持续关注相关领域的研究工作，不断探索和挖掘新的研究方向[4-8]。

BIM在国内各项目的普及程度不高，主要是因为BIM在推广时模式相对单一，软件间兼容性较弱，建设前期需要投入较高成本，尚未针对BIM行业建立相关标准和技术建议等。上述种种因素阻碍了BIM技术的应用和普及[9-11]。

本文所研究的虚拟施工项目是针对地铁项目所开展的土方基坑工程管理，通过使用Revit软件形成地铁基坑三维模型，建立地铁族文件数据库，该数据库包含了车站结构框架、钢筋混凝土柱、轨道等，为BIM技术在地铁工程中的应用开发建立了一套自己的族文件，加快了建模的进度与效率。

1 BIM地铁工程数据库

数据库是指以Revit族数据为基础，可随时进行数据调取、插入、建模等需求的文件库，常规而言，数据库相关文件都以“rfa”作为后缀。族文件建立相对复杂，并且可以对插入文件族类型参数进行直接改变，以此控制应用文件相关信息。从现状来看，BIM技术并未在地铁项目中广泛应用，且对于部分地铁项目来说，存在一定难度。建立地铁数据库可有效提高地铁的建模和应用的速度，以此结合不同工程的应用，匹配全新的方案。接下来将详细介绍地铁工程数据库的建立过程。

1.1 车站结构框架

明挖地铁车站结构可分成“双层三跨结构”、“双层双跨结构”两种形式（如图1所示），一般情况下车站结构常用形式是开展地铁项目的基础。

图 1 车站结构框架族

图 2 车站结构框架族参数调整示意图

族类型参数是实现双层三跨结构族文件控制的核心和基础，参数是调整设计的关键，充分借鉴参数设置，能协调设计要求，改变车站结构模式，以此简化建立流程。例如，建立纵向立柱排数过程中，可根据长度、柱距等作为参考指标（如图2所示）。

车站结构数据库最核心的优点是可以随时掌握数据库相关信息，并对其实现参数化控制。常见的参数有D中板、D侧壁、D底板、D柱侧、R柱、D横向柱距、H站厅层、H站台层、D纵向柱距、D车站宽、L车站、D顶板。

1.2 钢筋混凝土桩

钢筋混凝土桩族在工程项目内有广泛的应用，在建模期可优先选择合适的数据库文件，然后为后续的调用和调整提供便利。具体设置如图3所示。

图 3 钢筋混凝土柱族

图 4 钢筋混凝土柱族参数控制对比

钢筋混凝土数据库最核心的优势是可利用数据库信息进行参数控制，并结合不同参数进行桩控制分析，例如R钢筋、R桩、R桩尖、R箍筋、R钢筋、L桩头、R桩身、L钢筋、D钢筋距离等。如图4所示。

以桩内族参数为基础调整，控制桩长度、钢筋数量、桩半径等信息。

1.3 轨道

轨道族文件数据库属于项目参数相关文件，可用于数据快速搜索和调取。不同铁路列车类型，可直接调整轨道长度、间隔等。

轨道族控制参数并不多，主要用于轨道间隔和长度的处理，具体可根据轨道长度数据进行评估和绘制。如图5所示，为不同轨道族参数对比。

图 5 轨道族参数对比示意图

图 6 基坑开挖土方模型

2 明挖车站方案优化

2.1 基坑模型

建模是建立模拟基坑开挖模型的基础和关键，通过分析挖掘机单次开挖土石方量可评估平均数值。因此，模型可进行立体模型切分(2 m×4 m×1 m)，以此评估每单位挖掘机开挖土体积，保证数据的客观真实。土石方模型方面，可考虑选择自带楼板单元进行设计，并将结构材质部分定义为“土层”。具体如图6所示。

本文所研究的虚拟施工项目是针对地铁项目所开展的土方基坑工程管理，通过使用Revit软件建立地铁基坑三维模型。Navisworks软件可实现现场开挖场景模拟，并评估集团施工所需的时间、类型、成本等因素。根据模拟工作任务的数据，可及时安排施工现场计划，并组成以施工顺序为逻辑的5D信息板块。具体建立过程如图7、8所示。

图 7 选择集附着模型任务

图 8 基坑开挖虚拟建造模型示意图

2.2 双侧面台阶法

通过BIM技术研究基坑放坡开挖法与双侧面台阶法的差异，确定单次土方开挖量与整体施工进度的对应关系，分析不同手段在项目中的表现，如下所示：

2.2.1 基坑放坡开挖法基坑放坡开挖法需要在基坑两端开挖45°坡，保持4 m左右的工作平台宽度，旨在为首层钢提供支持，并满足工作平台的使用需要，具体施工断面如图9所示。

结合虚拟施工模拟的分析结果显示，基坑单位出土量是88.5 m3，以单位开挖量数据为基础，开展后续的虚拟施工工作，从虚拟文件再到本次方法的建立，整体施工周期。

2.2.2 双侧面台阶法双侧面台阶法以Navisworks软件开展虚拟施工相关操作。Navisworks软件是一种解决明挖车站基坑施工手段的新方法（如图10所示）。通过利用Navisworks软件进行施工优化时，能及时挖掘关于双侧面台阶法在项目中的优势。在针对同等工程造价施工时，能有效提升施工效率，并保证施工过程的合理性、科学性、系统性。

图 9 基坑开挖图形

图 10 双侧面台阶法示意图

双侧面台阶法可用作开挖宽度大的深基坑工程，通过与传统基坑开挖方式进行比较，双侧面台阶法显然对施工技术有更严格的要求，但是通过使用双侧面台阶法，可以有效提升基坑开挖施工效率[12]。就虚拟施工分析数据而言，基坑出土量应保持在118.5 m3/延米水平，并可通过协调钢支撑施工、单次开挖量等数据，为后续施工安排奠定基础，虚拟施工设计的施工周期大约为7 d。在开展虚拟施工时，应确保深基坑明挖法的有效执行，双侧面台阶法本身具备很强的理论价值。施工阶段应保证台阶的稳定性，避免台阶失稳、滑落现象的发生。具体对比如下表1所示：

表 1 两种开挖方法对比

2.3 方法优化意义

双侧面台阶法是指在开展基坑开挖项目时，以两侧为基础，一次性将此转变成台阶形式。通过这样的手段提升单次开挖厚度，提升首次开挖数量，降低因钢支撑而造成的不利影响，以此推动施工进度的执行，保证项目土层结构的完好。

3 BIM技术在地铁项目的应用

现阶段部分城市纷纷建设大型地下空间结构，但是依然存在诸多不合理的地方，例如人性化因素、人防设计、节能环保等方面。鉴于BIM技术本身的特征，其在建筑领域备受重视，通过利用BIM技术能够解决地下大型空间设计及施工等方面的问题，是后续建筑工程发展的重要方向之一[15]。

3.1 建立车站三维模型

从地铁车站结构的角度看，地铁数据库是建设车站结构框架的基础。结合沈苏西路车站实际结构几何图形，匹配相关尺寸，建立科学完善的车站结构模型图。Revit建模能客观反映建筑结构现状，并且从“材料”、“三位数据”、“大小”、“尺寸”等维度进行匹配，利用Revit对车站外结构建模（图11）。

图 11 车站整体结构图

3.2 三维模型优化分析

Navisworks软件可进行碰撞检验，旨在挖掘设计过程中的失误和缺陷，并对管线交叉部分进行总结，及时发现管线与结构碰撞时产生的问题。通过科学全面的碰撞检验，能快速找到设计所出现的问题。模型基于虚拟漫游，立足于第三方视角，直接观察模型设计端出现的问题，可充分利用第三方视角的实际体验进行碰撞测试，以此深入挖掘设计中不合理的部分，并不断改善设计细节，保证设计的科学性、合理性。电梯井漫游检查如图12所示。

图 12 电梯井漫游检查示意图

图 13 地铁车站虚拟施工

从BIM技术本身来看，一方面Navisworks软件具备模拟漫游功能，并快速发现工程项目内的异常位置，并提示标注；另一方面在模拟施工基础上进行5D施工模拟，通过三维的立体空间搭建以“施工时间”、“施工资金造价”为主导的模拟施工，以此优化原有的3D模拟和4D模拟模式，以此帮助决策者及时把握施工现状。

3.3 车站模型虚拟施工

车站结构主体根据设计方案进行模拟施工，根据建立好的Revit模型文件在Navisworks中进行一一对应与附着，完成模型的初步配置。

本次地铁车站虚拟施工分为了9个施工段数，首先每个施工段进行底板的浇筑施工，然后进行底柱、侧墙、中板，最后进行顶柱及顶板的施工，完成一个施工段的工程。在施工过程中按照合理的施工工序进行地铁车站的虚拟施工过程模拟，可以对施工过程、材料需求和进度信息进行虚拟分析，并对地铁车站的施工进行施工组织管理与协调。虚拟施工如图13所示。

4 结语

本文基于BIM技术族文件的建立，建立了地铁族文件数据库，包含了车站结构框架、钢筋混凝土柱、轨道等，为BIM技术在地铁工程中的应用开发建立了一套自己的族文件，加快了建模的进度与效率。利用Autodesk公司Navisworks软件进行模拟建筑，通过基坑模型的虚拟施工开挖，与原有的基坑开挖方法进行对比分析。主要结论如下：

（1）通过Revit技术健全地铁族文件数据库，分析地铁族文件库的结构问题，深入研究和开发框架结构相关内容，并利用BIM系统的嵌入作用，实现高效建模，合理应用BIM技术和功能；

（2）通过Revit软件、Navisworks软件间的对接，并根据地铁项目现状提出可行性建议。立足于虚拟施工技术，并以双侧面台阶法为核心优化施工技术。旨在有效提升33%的初次土方开挖量，并对施工产生12.5%的效率提升，以此为地铁明挖、基坑等提出新的参考思路和方向；

（3）通过列举沈阳地铁九号的案例进行研究，对项目建模分析。分别通过“碰撞检测”、“虚拟漫游”等方式发现项目工程存在的问题，及时发现模型的缺陷，为后续的模型优化打下基础。通过不断优化和改良设计方案，以此发挥组文件数据库在项目管理的核心作用。

[1] 王同军.基于BIM的铁路工程管理平台建设与展望[J].铁路技术创新,2015(3):8-13

[2] 洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设,2015,32(2):95-107

[3] 方海龙,曾亚武.基于Revit的BIM技术在地下结构设计中的应用研究[J].建筑技术,2016,47(4):353-356

[4] 杨德磊.国外BIM应用现状综述[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(6):89-94

[5] 李强.BIM技术在地铁机电系统施工中应用初探[J].黑龙江科技信息,2016(9):35-36

[6] 路耀邦.BIM在车站设计施工一体化中的应用[J].低温建筑技术,2016(6):143-145

[7] 常建军.BIM技术在地铁隧道工程施工中的应用[J].甘肃科技纵横,2016,45(6):35-42

[8] 张志永.BIM技术在轨道交通工程设计中的应用探究[J].山东工业技术,2016(13):126

[9] 李祥伟,孙剑.建筑信息模型在中国建筑业的发展思考[J].建筑经济,2011(4):25-28

[10] Migilinskas D, Popov V, Ustinovichius L. The benefits，obstacles and problems of practical BIM implementation [J]. Procedia Engineering, 2013(57):767-774

[11] 柴家远.大型复杂地下空间总体设计研究[J].铁道工程学报,2012(7):77-81

[12] 李坤.BIM技术在地铁车站结构设计中的应用研究[J].铁道工程学报,2015(2):103-108

The Application of BIM Technology in the Establishment of Database of Subway Project

CHENG Ma-yao, ZENG Yang*

528000,

For the subway project file database less, the establishment of BIM technology group based on the file, for the subway project, built subway family file database, contains the station structure, reinforced concrete column and the track, for the application and development of BIM technology in iron project and establish a set of their own the family files, to speed up the progress and efficiency of modeling. File database, through the establishment of the MTR to form scientific Revit model (3 d) subway station foundation pit, designed to segment the original earth model, the use of Autodesk Revit model simulated construction company Navisworks software, through the model of virtual construction of foundation pit excavation, compared with the original excavation method analysis, put forward a new cut and station foundation pit construction scheme, namely double side steps method. It has been applied in the actual subway station and achieved good results.

Subway project; BIM technology; data base

U231.4

A

1000-2324(2021)01-0115-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.020

2019-04-01

2019-04-14

佛山市科技创新项目:穿越富水粉砂层盾构开挖注浆加固对策研究(N.1920001001673)

程马遥(1988-),女,博士,讲师,研究方向:岩土工程与地下工程. E-mail:chengmayao@163.com

Author for correspondence. E-mail:zy18882017394@163.com

网络首发:http://www.cnki.net