BIM 技术在地铁车站与暗挖区间土建施工中的集成应用

朱鹏飞 武 猛 薛 攀

近年来，随着经济社会的迅速发展，城市化进程不断加快。然而，交通拥堵成为城市化发展过程中的主要阻碍。为有效缓解交通压力，政府加大对城市轨道交通项目的支持力度。地铁站建设相较于其他工程项目更复杂，因此应积极采用新技术。BIM 技术在地铁车站土建工程中发挥了重要作用，能够实现施工过程的精细化和动态管理，有效确保地铁车站的总体质量，提高地铁站的稳定性和安全性，并实现施工过程中进度、质量和安全管理的一致性。

1 BIM 技术在地铁车站土建施工中的应用

1.1 工程效果设计

通过使用BIM 技术，可以在招投标过程中构建地铁站模型，通过色彩调整和动画制作，使设计成果更直观。随着时间的推移，BIM 技术已广泛应用于地铁建设领域，从最初的单一部分扩展到整个项目和过程，降低了出现错误的可能性，并提高了施工效益。此外，BIM 技术的应用还有助避免因重复施工而导致的资源浪费。

1.2 综合管线设计和安装碰撞检查

在传统地铁建设过程中，碰撞检查需要在所有专业设计图纸汇总之后才能进行，此过程不仅耗费大量的时间和精力，还可能影响工程进度。近年来，BIM 技术引入管线和相关设备的碰撞检测中。在完成碰撞检查后，根据检测结果进行优化调整，可有效地消除碰撞。同时，通过三维建模技术将传统二维图纸转换为更直观的形式，能够提升工作人员的读图和理解图像能力。

此外，在构建三维模型的过程中，工程人员能够及时发现图纸中的不合理和冲突等问题，并在建模过程中与相关方进行沟通并解决这些问题，以避免二次施工。三维建模的过程也可以视为一次图纸审查的过程，能有效缩短工期并降低成本。例如，利用BIM 技术组合各类单独的部件族，构建出一个综合支吊架模型的嵌套族[1]。在拼装过程中，只需参照制造商深度改良后的综合管道图纸的剖面图，并依照制造商提供的配件清单，即可轻松完成整个拼装流程。在完成综合支吊架模型的定位工作后，可以通过剖面视图进行碰撞检测。例如，可以检测支吊架与结构的碰撞情况、支吊架与管线的碰撞情况以及综合支吊架的布局是否合理等。通过采用碰撞检查的方式，能够在施工图中预先找到错误和碰撞点，从而制订更合理的设计策略。

1.3 制订虚拟施工方案

对于地铁车站建设的规范性管理，由于建设现场的使用空间受限且多位于城市中心，因此带来了更大的挑战。通过BIM 技术可以进行三维施工场地规划和立体施工计划，合理设置物资存储、起重、吊车停靠及临时施工区域，充分利用施工现场的空间，实现标准化的建筑施工。同时，利用BIM 技术可以将时间因素融入三维空间模型中，实现4D 模拟施工，优化施工周期。此外，利用BIM 技术还可以进行预先模拟实验，如吊车、盾构机等重型设备如何进入工地以及材料如何科学摆放等。

在地铁车站的建设过程中，盾构隧道在施工过程中可能会遇到与周围岩石地质状态有较大偏离的问题。通过利用BIM 技术创建的三维地理模型以及隧道的主要结构，可以更好地了解岩石地理状态及其埋藏深度，从而为制订施工计划提供支持。

1.4 工程量及成本分析统计

在常规的工程管理过程中，材料成本管理存在两个显著的问题：第1，材料成本控制大多通过设置最大供应量实现，但缺乏统一的供应量规范，会影响材料使用的合理性和准确性评估；第2，人工统计方式的工作量大且容易产生误差，难以与项目实施保持同步。

通过应用BIM 技术进行管理，可以避免上述问题。每日记录各类材料的真实使用量，根据构件同步生成真实使用量与理论使用量的对比图，项目部能够实时分析材料的消耗情况，有助于发现超出正常使用量的建筑区域，并分析材料的损耗原因，为制订节约资源的策略提供数据依据[2]。此外，在后续建设阶段，应用BIM 技术还能够避免出现类似的超出预算的材料浪费，改进工程成本控制方法，为日后工程建设积累经验。

1.5 项目协同管理

借助一体化的平台信息，可以有效监管建筑工地质量、进度及安全管理等工作。技术安全人员在检查工地时，能实时上传安全问题的图像，并立即通知生产区的其他员工，从而迅速解决问题。同时，通过数据的共享与集中分析，能够对现场的建筑安全问题进行追踪管理。利用BIM 技术创建的数据库能帮助现场人员有效监控项目进度，并向非现场人员发送每周的施工进展报告，获取精确的实时进度信息。

2 BIM 技术在暗挖区间土建施工中的集成应用

2.1 工程概况

重庆地铁5 号线隧道位于隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）接收井与大石坝车站之间，左侧线路长度为430.954 m，右侧线路长度为430.639 m，全部采用钻爆法进行建设。区间主要由单洞单线隧道构成，其包含紫红色和暗红色的泥岩以及粉砂岩，同时夹杂青灰色和灰白色的中等到厚度的砂岩。地层从高到低依次为第四系的新覆盖层、残坡积层以及侏罗系中期的沙溪庙组沉积岩层。

2.2 模型构建

通过使用计算机辅助三维交互应用（Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application，CATIA） 的 建模平台，创建区域性的三维地质模型、隧道模型、开挖模型以及与隧道施工相关的配套辅助设备模型。基于现有的建设计划，使用数字化企业的互动制造应用软件（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，DELMIA），将CATIA 创建的三维模型进行分解，并在电脑上进行虚拟展示，如图1 所示。此外，在执行过程中，还发现了一些关键问题，工作人员及时对现场的施工组织和计划进行了相应的改进。

图1 车站整体模型（来源：网络）

2.2.1 三维地质模型

构建区间隧道模型的基础是地质模型，包括场地设计、开掘位置与方向以及前进路线。在经过初步地质勘查和规划设计后，将计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD） 图纸中的区域地形等高线数据转化为美国标准码（American Standard Code，ASC）格式，然后在CATIA的“Digitized Shape Editor”模块中处理初始点云数据，并使用Mesh 面创建命令创建地形网格面。最后，利用拉伸技术，可以将地质的纵向剖面、各个岩石层的形态以及其他的构造数据通过智能化的推理，创建出与地质勘查相同精确度的三维地质模型。

2.2.2 隧道模型

隧道建模任务主要包括继承骨架、绘制草图以及构建开挖支护模型步骤为：第1，在初步构建三维地质模型的基础之上，依据地质状况、断面尺寸、开挖技术等，对三维线路进行继承并截取区间线路，从而获得隧道的二级骨架。第2，为满足CATIA部件的设计需求，根据隧道的净空、列车规格和速度等因素，创作对应的轮廓草图。第3，在创建模型的初步草图之后，在三维环境中运用CATIA的多种功能命令，如拉伸、旋转、开槽、倾斜和偏移等创造隧道三维实体。

2.2.3 隧道开挖模型

根据TBM 接收井至大石坝站的钻爆法建筑策略，以区域地质模型为基础，参照设计方案进行仿真模拟开挖。在道岔区间的施工过程中，首先开挖左侧的导洞（该过程分为上下两个阶段进行），然后再挖右侧的导洞。上阶段的开挖高度约为8.4 m，并且需要立即进行初期支撑和临时支撑结构的施工。在初期支撑和临时支撑的保护下，逐层挖掘核心土台阶直至基底，然后进行仰拱和二衬的施工[3]。二次衬砌紧随核心土开挖及初期支护施工，拱墙衬砌与核心土步距一般情况下不超过30 m。

依据先进行右侧单洞双线，后进行左侧单洞单线的施工策略，将在区间的左右两侧建立开挖模型。对于右边的单洞和双线段，首先在右边挖掘出导洞，然后再在左边挖掘。根据正台阶法建造这些导洞，同时尽快建设初期支护结构。在初期支护结构的保障下，逐渐将模型台阶推向地面，最终完成对于仰拱和底板的建设。在左洞的单洞单线上，使用微台阶并加大了支护力度。同时，采取超前支护措施，确保挖掘的台阶长度不超过5 m；左右线之间的掌子面间隔应该保持在15 m 以上。

2.2.4 隧道施工机械及相关辅助设备模型

构建隧道施工设备模型，该模型包括挖掘机、装载机、渣土车以及其他相应的辅助装置，如通风器、供排水管和电源箱。此外，将该模型与后续的施工模拟相结合，模拟步骤包括爆破、挖掘和清理废物等，以满足对各种工序的虚拟施工技术需求。通过这种方式提高隧道施工计划的真实性，并使模拟结果更准确。

2.3 仿真模拟技术在不同施工阶段中的应用

根据当前的施工组织设计规范，利用DELMIA 软件细化隧道模型，并添加时间特征，以更准确地模拟隧道的施工过程、主要区域和复杂环节。在项目启动之前，全面了解施工过程中的困难和挑战，并找出潜在问题，以便优化施工策略，同时对现场的人力、设备和物资进行调配。

2.3.1 施工组织设计阶段

在施工设计阶段，仿真模拟技术主要用于模拟方案，为全面施工管理提供支持。首先需要评估初步规划的适应性，为后续项目顺利实施提供指导，并实现总体设计的最优化。

2.3.2 现场实施阶段

建设隧道是一个复杂且连续的过程，包括爆破、通风、排渣等多个环节，每个环节的作业时间都可能存在波动。因此，在实际开挖过程中，难免会出现停工情况，发生停工将导致部分区域建设进度推迟，并可能影响其他区域的建设进度，从而延长整体建设周期。如果仅依赖设计人员使用传统计算手段，很难基于实际工作状况制订合理的施工策略[4]。

通过DELMIA 软件能够将预先设定的建设规划与三维静态隧道模型相结合，将其融入时间维度，转化为四维动态模型。此模型能够展示每个环节的作业流程。例如，能够模拟钻孔爆破、通风排烟、装载出渣、围岩支护等作业的时间和空间关联性[5]。道岔区间段的初级和二级衬砌作业流程如图2 所示，单洞双线段的初级和二级衬砌建设流程如图3 所示。通过细分并实时展示各施工环节，能够在计算机上呈现施工计划和组织策略，从而发现施工过程中的时间和空间问题，并不断优化区间隧道的初步建设和二次衬砌的工作流程。

图2 道岔区间段的初级和二级衬砌作业流程（来源：网络）

图3 单洞双线段的初级和二级衬砌建设流程（来源：网络）

3 结语

将BIM 技术应用于我国地铁站的土建项目中，不仅可以显著提高土建项目的施工效率，还可以借助BIM 技术构建三维立体模型，使技术人员能够全面研究影响土建项目顺利推进的各种因素，并以科学、合理的手段进行处理，从而确保施工计划的有效性。本文探讨了BIM 技术在地铁车站与暗挖区间土建施工中的集成应用，以期能够为相关研究提供借鉴。