BIM与智慧建造技术在装配式地铁工程中应用研究

刘阿锋，郭海洋，吴 宁

(中建三局城建有限公司，吉林 长春 130030)

0 引 言

在以装配式桥梁、装配式管廊为代表的装配式基础设施在城市建设中获得广泛应用的背景下，装配式地铁车站的发展显得较为迟缓，目前仅在长春、青岛等少数城市进行试验性应用[1]。从现有的工程实践来看，装配式地铁车站普遍面临施工过程模块受力不明、预制构件拼装定位精度不高、防水效果不佳、工程管理方法不科学等问题。虽然从技术的角度看，以上问题相互独立，但是从装配式地铁车站整体工程角度看，这些问题从属于系统工程的一部分，需要通过一项系统性的研究，探索系统问题的解决方案。

目前国内外研究主要集中于将智慧建造应用到工程项目建设中，或基于信息手段的智慧建造研究，对全装配式地铁车站施工全过程的深层次智慧建造体系研究甚少。同时，在智慧化管理的研究中，大部分学者都是应用BIM技术或单一的信息技术进行数据处理和分析。而单一的新兴信息化手段无法同时对装配式建筑的生产和运输阶段、现场装配以及质量验收等各个阶段的数据都进行详细、准确的处理。因此，需要借助BIM技术、互联网技术、物联网技术、云计算等多种新型信息化技术进行配合才能达到预期的管理效果[2-4]。

本文依托长春市城市轨道交通6#线工程南溪湿地站工程，整合当前施工技术，融合智慧建造技术，形成系统性、规范化、智能化的装配式地铁应用方案。

1 工程概况

南溪湿地站为长春市城市轨道交通6号线工程第15座车站。该站为两层三跨钢筋混凝土框架结构及预制装配式结构，采用明挖法施工。车站主体基坑长258.6 m，现浇段标准段基坑宽度21.3 m，装配段基坑宽度22.5 m，小里程端头宽24.7 m，大里程端头宽23.7 m，基坑开挖深度约为19.49～22.17 m，基坑采用坑外降水，支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑/锚索的型式。地层自上而下依次为：素填土层、粉质粘土层、中粗砂层、下部为砂岩、泥岩。车站的底板座落在泥岩层，围护桩桩底落在泥岩层。

2 BIM模型建立

该项目根据设计单位提供的设计图纸、设备信息和其他相关数据，利用Revit建模软件在工程开始阶段建立建筑专业、结构专业及机电专业BIM模型，在建模过程中对图纸进行仔细核对和完善。

3 BIM技术应用

该项目施工难度大，施工前对各项施工方案进行提前规划、预演尤为重要。利用BIM模型的可视性进行三维立体的施工方案规划，可以合理安排生活区、钢结构加工区、材料仓库、现场材料堆放场地、现场道路等的布置。

另外，利用BIM模型模拟一些危险性大的专项施工方案，可以直观的反应施工现场情况，辅助专家论证，降低施工危险性。基于BIM的施工周边环境规划，进行吊装设备、施工场地布置及土方开挖方案模拟。

3.1 碰撞检查

使用Navisworks进行碰撞检查[5]，快速找到管线布置不合理的位置，对出现的问题提前进行合理优化，碰撞结果如表1所示。

针对Navisworks检测出的碰撞问题，进行筛选，将存在碰撞问题的地方进行整理，形成碰撞检测报告并给出优化调整建议，从而提供一个具有实时性的虚拟仿真分析应用体系。

表1 碰撞检查表

表1(续)

3.2 净高分析

(1)根据图纸及模型，南溪湿地站站厅层设备间区域净高为6 300 mm，最小梁下净高为5 300 mm，图纸设计要求吊顶高度2 800 mm，由于此区域大尺寸风管较多，所以机电综合管线按照以下标高排布。

①风管板下或梁下敷设，例如1 250 mm×1 000 mm排风管板下200 mm安装，风管底标高为H+5 200 mm。

②纵向风管分系统垂直排布，预留出施工空间与检修空间。

③电缆桥架在风管下方安装，底标高为H+3 900 mm和H+3 415 mm。

④消火栓管道墙边风管下方敷设安装，标高为H+3 240 mm。

⑤各个管线之间存在碰撞时，应根据避让原则合理调整。

(2)根据图纸及模型，南溪湿地站站厅层走廊净高为6 685 mm，图纸设计要求吊顶高度2 800 mm，由于该走廊内空间狭小，需要预留出安装及检修空间，所以机电综合管线按照以下标高排布。

①风管板下敷设，三层风管标高分别为H+5 600 mm、H+4 400 mm、H+3 800 mm。

②电缆桥架在风管下方安装，底标高为H+3 480 mm和H+3 150 mm。

③给排水管道墙边电缆桥架下方敷设安装，标高为H+2 940 mm。

④各个管线之间存在碰撞时，应根据避让原则合理调整。

3.3 管线综合排布

对关键部位和关键管道进行初步规划及讨论后进行预排布，然后经专业工程师审查出最优方案，根据最优方案，创建实体三维模型。

4 智慧建造

4.1 预制构件工业化智能建造

结合智能生产的理念，充分融合和利用物联网、BIM技术等，建立一套以新兴的信息技术为基础，BIM技术为核心，适用于地铁建造的智能生产系统，利用RFID技术BIM技术相结合，生产过程中预制构件的安装部位和用途的信息嵌入含量等构件信息的RFID芯片，实现对建造过程中的预制构件的生产和施工的智能化，有效解决传统建筑施工中的高消耗、高浪费、信息不对称和构件不兼容等问题，大大缩短装配式地铁的建造周期，提高施生产效率，进一步促进我国建筑工业化的进程[6,7]。将建筑工业的“制造”推向“智造”，利用移动互联网实现对客户的服务对接，依托BIM模型的深度挖掘与大数据应用实现企业外部的服务设计、内部的管理协同与精益管理，借助BIM技术让构件实体得以三维展示，依靠物联网技术实现信息传递。把智能化融入建筑行业，加快地铁施工效率，降低施工成本，以智能化的生产方式，输出智能化、绿色化的产品与服务。

4.2 工艺工序虚拟仿真分析体系

地铁施工过程中，受周围环境影响大、不确定因素多、施工方案选取局限性大等因素的影响，利用BIM技术进行三维场景建模，通过现场数据驱动，结合虚拟现实，实现对施工全套工艺工序的场景再现，并通过对三维场景高速碰撞算法的研究，对施工过程中构件吊装、施工机械调配和结构碰撞等进行虚拟仿真分析并进行三维技术交底，针对出现的问题提前进行合理优化，提供一个具有实时性的虚拟仿真分析体系，并在此基础上实现可视化与操作性功能，实现人员、机械调动、场景布局等碰撞分析与合理布置，保证在施工过程中提前发现并有效合理解决施工过程中的问题，避免返工、窝工现象，保证施工过程的安全性。

4.3 体系建设与应用研究

在建立项目整体化BIM模型的基础上，打造多端协同管理平台，线上完成项目的档案、质量、安全和进度等管理工作。引入GIS的空间数据图层，还原项目的地形、地貌特征。在此基础上，进行施工方案预演，通过动态演示的方式，预测工程的高危风险、以及对周边环境的影响，为方案比选、优化提供依据。针对不同结构建立参数化构件库，实现结构模型的快速建立，编制临时结构快速计算程序，预制常用参数，并与手动输入相结合，满足一线施工技术人员快速计算需求。以BIM智慧平台为基础，通过计算机网络技术与信息数据库对接，集成多种数据模块，实现“BIM+”技术的应用和推广。

4.4 技术应用效果

(1)缩减工期：平均装配速度2环/天(4 m)土建工期节省4～6个月(约20%～30%)，装修设计简约，工期也大幅缩减。

(2)节省临时占地：围挡宽度缩减5 m，节省施工临时占地至少1 000 m2，对道路交通导改组织更为有利。

(3)节材环保：节省钢筋约800 t，轻量化设计混凝土量也减少很多；现场施工木材消耗减少800 m3，其他建筑垃圾也大幅减少。

(4)利于管理：施工高峰期作业人员由130～180人减少至15～20人，更易于安全质量管理。

(5)综合效益：综合效益大幅度提高，包括道路交通，噪音粉尘，绿色节能环保等方面。

5 总 结

项目管理落后是影响行业进步的最重要原因之一，借助BIM技术，通过现场管理人员使用易懂端实时上传问题至相关责任人进行高效协同，使问题能够快速高效的得到解决。在此背景下，为实现基于BIM技术的精细化管理、精益化建造，本项目在项目管理全过程、各方面都开展了基于BIM技术的应用探索。

将BIM在施工阶段的应用延伸到生产和运营等多个阶段，使装配式地铁建造过程中信息能够高效创建、整合、共享、交换，从而实现对项目施工全过程的智慧建造管理。通过对智慧建造进行概念辨析及范畴界定，深入发掘装配式建设项目系统要素和系统环境，将BIM和智慧建造理念应用到装配式地铁车站施工全过程中，实现各专业、各阶段和项目参建各方的信息得到高度集成，提升BIM在装配式建筑产业化中的应用度，从而提高装配式地铁车站智慧建造的效率。

在经济效益上，图纸审查、土建模型问题、深化设计等方面节约了成本；管理上各专业提高了交底效率，降低了安全风险，缩短了工期；在技术上积累了BIM建模规则、BIM应用流程、标准方法，为后期BIM推广形成技术支持。