BIM技术在昌平地铁线南延工程施工与古建筑物保护中的应用

李海生 矫悦悦 孙 明 刘占省 徐骏青

(1.中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040； 2.北京工业大学，北京 100124)

引言

北京市轨道交通昌平线南延工程，呈南北走向，北始西二旗站，南达蓟门桥站，全线长12.6km，车站8座，换乘站5座。分别为：清河站、上清桥站、六道口站、西土城站、蓟门桥站。

西土城站、学院桥站—西土城站区间及10号线西土城站改造为本工程的三个工点。分别采用四导洞PBA工法、矿山法、盾构法、PBA工法、明挖法施工。

北京地铁昌平线南延工程是服务于冬奥会的配套工程，在2022年冬奥会期间，主要负责疏解京张高铁的客流，与9号线融会运营，是北京城南北向的主要客运路线，将串联多条地铁运营路线[1]。

1 项目重难点介绍

1.1 技术难度大

新工艺工法多，PBA暗挖、洞内桩柱一体化施工、超长咬合桩、盾构侧始发、异型延伸钢环、盾构洞内解体等，工法多且复杂。如在进行基础桩柱施工时，采用桩柱一体的施工方法，在桩钢筋笼和钢管柱吊放完成后，同时进行桩身和钢管柱内的混凝土浇筑，而混凝土浇筑施工与质量管控难度大，如图1所示。在进行区间盾构施工时，通过在区间盾构始发井运输盾构机器并通过始发井导洞滑轨，将盾构机运输到区间盾构合理位置，与始发井导洞内壁形成45度夹角，进行盾构施工，而盾构机在导洞内部与导洞内壁形成精准夹角难度大，随后盾构机在完成盾构任务，抵达目的地后，直接在完成的区间内进行解体工艺，而盾构机在安全完整地回到地面的解体运输过程中难度较大。盾构侧始发工艺与洞内解体工艺图，如图2所示。

图1 桩柱一体化施工工艺

图2 盾构侧始发工艺与洞内解体工艺

1.2 改造体量大

10号线西土城车站规模小，未预留换乘条件，改造包括4个出入口、站台层、站厅层楼梯扶梯及换乘通道开洞、设备用房及对应管线改移等，涉及15个专业，包括建筑、结构、装修、通风空调、给排水及消防、动力照明、通信、ISCS、FAS、BAS、AFC、安检、电梯、站台门等，是北京改造量最大的车站之一。如图3所示为车站改造详解图。

图3 车站改造详解

1.3 环境风险高

环境问题严峻，在保证既有建筑管线不受影响的前提下，需要提高施工质量，因此对施工精细度的要求非常高。

各管线排布错综复杂，改建管线与原管线距离非常近，车站下穿DN1500污水管(污水主管，上世纪50年代修建，距离拱顶仅2.5m)如图4所示，对抢修新建的污水管进行建设时，极易对旧污水管产生影响。

图4 D1500污水管与车站位置关系

区间段盾构下穿既有10号线(拱顶距既有站底仅2m)如图5所示。

图5 盾构区间与既有车站位置关系

学西区间盾构密贴下穿小月河桥桥桩。如图6所示。

图6 盾构密贴下穿桥桩

1.4 古建筑保护要求高

地铁车站主体结构紧贴古建筑物(元朝城墙)，其对沉降敏感，保护要求极高。图7为古建筑城墙遗址图。

图7 元大都(城墙)遗址实景图

2 BIM应用整体实施

2.1 BIM技术应用指标

(1)动态管理

选择较为成熟的基于BIM的管理平台，收集整理项目动态管理和信息。

(2)深化设计

利用BIM技术进行各专业深化设计及管线综合。形成全专业的深化设计BIM模型，并进行综合协调检查，提高深化设计工作的质量和效率，减少设计问题对施工的影响。

(3)方案模拟

利用BIM模型的可模拟性，对复杂施工技术方案、节点、施工工序进行模拟。进行可视化交底，提高施工技术、安全、质量、进度管理能力。

(4)商务管理

将BIM模型与施工现场管理紧密结合，实现基于BIM的进度、成本、竣工交付管理，提高对各专业分包及独立承包商的管理水平和现场协调能力。

(5)增强竞争力

以自有BIM团队为主力，实现项目、集团公司两级的BIM应用能力持续增长，增强在施工领域BIM技术应用方面的竞争力。

2.2 BIM组织、实施标准及软硬件配置

根据昌平地铁南延线项目实际施工特点建立BIM团队，团队包括：BIM总负责人、土建BIM负责人、机电BIM负责人、分包BIM负责人、BIM协调工程师、项目BIM应用小组。成员涉及众多专业，如计算机、结构工程、机电、环保、土建等专业。

为确保项目规范化、标准化、精确化施工，本项目编制了BIM模型建模标准、应用标准及成果交付标准，明确组织机构、工作流程及培训机制。

在软件配置方面，采用Revit、SketchUp、Rhino进行建模； Lumion、3DMax、Fuzor进行渲染； Ansys、Midas进行受力分析； Tekla进行钢结构模型深化。硬件配置方面，配有VR设备、绘图仪、3D扫描仪等精密仪器。

3 BIM基础应用

本项目BIM应用涉及4大领域，18个核心应用点。BIM可视化技术领域包括：BIM模型搭建、可视化交底、4D施工模拟、临时设施场地模拟、BIM族构件库、BIM可视化会议、项目管理平台； 深化设计应用领域包括：设计变更、管线碰撞与排布、深化出图； BIM5D技术领域包括：信息录入、5D成本管控、绿色安全文明施工； 新科技技术领域包括：VR展示、Fuzor平台、BIM+三维扫描技术、AR技术应用、二维码扫描技术应用、BIM监测平台[2]。

3.1 模型及族库搭建

根据设计施工图纸，利用建模软件进行基础模型建模，如图8所示，清晰地展现了地铁模型各个模块，使现场施工人员可以更清晰地了解项目情况。

图8 地铁主结构加通道模型

施工现场各专业的设施按照实际尺寸建立族库，如图9所示，合计152个，保证族库的属性与现场实际情况紧密结合，通过对市政道路、市政管线标准化族库、施工现场族库的整理，也充实了公司标准化族库的积累，实现“一次建模、多次使用、标准统一”，为公司其他项目的市政建模、现场布置提供标准。

图9 BIM族库模型

3.2 基于模型的深化设计

(1)图纸检查

BIM建模过程就是图纸检查的过程，可以直观地发现图纸中存在的“错、漏、碰、缺”等问题。

(2)图纸问题报告

通过BIM模型与二维图纸对照，形成图纸问题报告，与传统模式“二维图纸+文字描述”相比更为直观，提高沟通效率。

(3)设计变更评审与管理

提前发现图纸问题及时反馈给设计，缩短签证变更时间。

(4)基于BIM模型出施工图

利用深化好的BIM模型出施工图纸，创建包括图框、标注、图例等在内的族，同时创建平面图、剖面图、立面图等视图样板文件，保证出图的一致性和准确性。

3.3 三维技术交底

基于BIM的三维技术和可视化交流，实现辅助图纸会审、专家论证和三维技术交底，借助于BIM手段形成各个施工工序三维技术交底视频文件，达到了现场管理人员和工人交底清晰，有效地避免施工过程中存在的安全、质量隐患，减少施工错误的目的。

3.4 施工场地布置

运用BIM建模来模拟建筑施工场地与周围环境之间的关系，尺寸大小，以及结构布局等其他相关信息，更加清晰、直观地避免一些重复性操作，通过BIM技术使得项目在建设期更加便捷、直观，以达到节省成本，节省时间的目的[3]。如图10所示。

图10 场地围挡布置图

3.5 辅助进度管理

利用建立好的BIM模型，与项目施工进度计划相结合，并进行模型4D进度计划展示，可以与实际进度做对比，及时调整进度计划，优化施工中遇到的进度问题[4]。如图11所示。

图11 施工进度管理图

3.6 BIM辅助安全质量管理

通过移动端实时在线记录问题，解决传统管理模式流程不规范、数据不留痕、责任归属不明确、决策无依据的问题，如图12所示。针对责任区域通知相关施工员与整改分包班组，并形成检查记录。

图12 移动端安全质安管理展示

4 BIM创新应用

4.1 BIM技术辅助古遗址保护措施监测

元大都遗址是元世祖至元四年(1267)以金代大宁宫为中心创建的。它紧邻北三环，2006年被列为北京市级以及国家级重点文物保护单位。其三重城垣、前朝后市、左祖右社，有九经九纬的街道和标准的纵街横巷制的街网布局，在中国都城发展史上占有重要地位，对北京市文化历史的探源与发展有重要意义。地铁车站主体结构紧贴古建筑物，因此在施工中对古遗址的保护工作是至关重要的。

本项目采用BIM+MIDAS的综合模拟分析指导古文物的保护。通过实地采集数据进行古遗址模型的精准建立，同时结合MIDAS应用，对在地下工程各种施工环节下对古遗址的影响进行综合性模拟分析[5]。如图13、14所示。

图13 三维“结构”模型

图14 三维“地层—结构”模型

第一次：常规措施下模拟分析，最大沉降量为8.221 mm，不满足古文物5 mm变形要求。

第二次：在古文物与结构之间增加微型复合式锚杆桩，形成地下隔离墙，经过模拟分析，最大沉降量为0.038 mm，满足古文物保护要求。施工结束后，古文物沉降监测数据为0 mm，真正实现了“零”沉降。如图15所示。

图15 第一、二次施工模拟沉降云图

4.2 BIM辅助异形延伸钢环三维设计及仿真验算

异形延伸钢环为本项目自主研发的新型盾构始发方式，为全国首例，尚无类似设计可供参考。异形延伸钢环始发工况如图16所示。

图16 异形延伸钢环始发工况

通过BIM技术进行模型搭建解决异形结构衔接与功能需求问题，再结合“ZSOIL”有限元软件对异形钢环进行有限元仿真模拟分析，如图17所示，确保在盾构前进产生的顶推力下钢环的变形、应力满足安全始发需求。该工法已通过专家分析论证，已进入实施阶段。

图17 有限元仿真分析

4.3 BIM辅助盾构拆解优化工序

利用BIM技术对盾构拆解、机洞内平移及转体进行提前模拟，计算出最小转体空间及转体曲线曲率，优化结构尺寸，优化拆解工序和步骤，节省时间提高效率[6]。如图18所示。

根据地勘及现场补勘情况，模拟施工确定现场掘进速度及注浆参数，保证盾构掘进施工质量及进度。

4.4 BIM辅助多点多专业交叉作业

现场施工过程中面临“三多一少”，即工种专业多，作业面多，受力转换多，作业时间点少，施工管理难度大等问题。利用BIM5D协同管理技术，通过施工模拟，直观反映改造施工情况，明确各专业的施工顺序及作业时间点，提前安排好人员，机械设备与材料，确保各专业施工衔接的顺利、安全、高效。如图19所示。

利用BIM管理平台，通过信息分析，协调各专业问题，提高各专业协调管理能力和信息沟通效率，进行任务派分，明确各专业的施工顺序及作业时间点，提前筹划人、材、机，确保施工衔接的顺利、安全、高效[7]。

4.5 BIM辅助盾构密贴下穿小月河桥安全措施优化

本工程在盾构经过桥桩的时候大几率会对桥桩产生形变影响，所以，事先利用BIM与ANSYS进行桥桩变化分析，如图20所示，之后根据分析经过，结合实际，对此进行预防措施[8]。

对盾构密贴小月河桥桩工况下进行模型搭建，结合软件分析小月河桥桩及桥梁的变形情况，评估现有措施能否满足安全下穿要求。按照原桩基托换措施进行模拟，发现下穿过程中被托换桩由于未进行物理隔离，将施工振动传递到桥梁上部结构，不满足桥梁运营安全要求，如图21所示。

图21 未增加物理隔离措施与竖向沉降云图

在现有桩基托换的基础上，增加桥梁支顶措施后，再将被托换的桩截断达到隔离效果，经模拟分析，桥梁变形满足运营安全要求，如图22所示。

图22 增加物理隔离措施与采取措施后竖向沉降云图

4.6 BIM辅助智能化监测平台

由于建筑位置的特殊性，对古文物保护提出了硬性的要求，为控制施工对古建筑的影响，应用BIM建立智能化监测平台[9]。

平台主要包括云采集数据平台和实时监测可视化平台两部分。云采集平台利用物联网、大数据的思路，在古建筑关键位置布置无线传感器，通过5G传输手段，与平台建立链接，数据经过基本处理后，在平台上进行展示，管理者通过平台对数据进行审核，从而实现数据的基本采集。

图23 云采集平台

实时监测可视化平台以数据采集平台为基础，内部嵌入人工智能机器学习算法，可以将数据平台的数据进行人工智能计算，自动生成预测结果。同时，平台内部存储有BIM模型，以BIM模型作为一个可视化交互窗口，对古文物的风险在BIM模型上进行标识，通过平台便可实时智能查看古文物遗址的风险情况，从而实现了智能监测、智能预警、智能保护的功能[6]。

图24 三维实时监测平台

5 结论

本文依托大型地铁昌平线南延工程，重点提炼出施工中遇到的古建筑保护要求高、改造体量大、技术难度大、环境风险高等重难点问题。

针对重难点问题创新性地提出基于项目重难点的应用方法。该方法包括六项具体举措，主要包括：BIM+MIDAS的综合模拟分析指导古文物的保护、BIM辅助异形延伸钢环三维设计及仿真验算、BIM辅助盾构拆解优化工序、BIM辅助多点多专业交叉作业、BIM辅助盾构密贴下穿小月河桥桩安全措施优化、BIM辅助智能化监测平台。

通过以上措施对重难点问题进行解决，同时在保证施工质量安全的前提下，提高了施工效率，为BIM在大型地铁施工以及古建筑保护方面的应用提供指导和借鉴。