吳衛(wèi)民，彭立敏，雷明鋒

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基于BIM的地鐵車站實(shí)時(shí)施工模擬與應(yīng)用研究

吳衛(wèi)民，彭立敏，雷明鋒

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)地鐵車站施工過(guò)程中多方協(xié)調(diào)難度大、施工進(jìn)度和成本控制要求高以及施工安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)響應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題，以BIM三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)，探索BIM與信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，重點(diǎn)研究BIM的自動(dòng)更新技術(shù)，提出基于BIM的實(shí)時(shí)施工模型以及基于模型的地鐵車站實(shí)時(shí)施工模擬流程。實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建可以將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)特征提取、分類匹配形成參數(shù)化構(gòu)件，并實(shí)施更新到BIM模型當(dāng)中，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的施工模擬。結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵實(shí)際工程，將實(shí)時(shí)施工模型應(yīng)用到實(shí)際工程施工階段當(dāng)中。

地鐵車站；BIM技術(shù)；實(shí)時(shí)施工模擬

BIM技術(shù)是我國(guó)工程信息化進(jìn)程中的重要一環(huán)，能夠極大提升行業(yè)整體管理效率，對(duì)促進(jìn)我國(guó)綠色建造、落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有深遠(yuǎn)意義。近年來(lái)，BIM技術(shù)越來(lái)越多的進(jìn)入土建工程領(lǐng)域，其中在以工業(yè)與民用建筑為代表的地上建筑方面已趨于成熟。杭州東站工程作為長(zhǎng)三角重要的樞紐工程，應(yīng)用BIM技術(shù)很好解決了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)難題[1]，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)和施工方案制定方面的優(yōu)越性。與此同時(shí)，以地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通項(xiàng)目發(fā)展迅猛，截止2018年1月，我國(guó)建成地鐵并投入營(yíng)運(yùn)的城市數(shù)量已經(jīng)達(dá)到31個(gè)；2017年新增運(yùn)營(yíng)里程868.9 km，較上一年增幅達(dá)62.5%。劉曉東等[2]在天津某地鐵車站管線設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行了碰撞檢驗(yàn)，為項(xiàng)目建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程提供了有效指導(dǎo)；任志群等[3]使用BIM技術(shù)對(duì)廈門某地鐵車站給排水工程進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，有效解決了設(shè)備協(xié)調(diào)問(wèn)題，縮短了設(shè)計(jì)周期、提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量；李延[4]研究了隧道工程中各專業(yè)BIM三維族庫(kù)的構(gòu)建方法，并應(yīng)用于石鼓山隧道方案設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)了隧道建設(shè)全壽命周期的信息共享。從已有研究中可以看出，BIM在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，起到了優(yōu)化施工成本和進(jìn)度控制方案、提高工程的集成化程度的作用[5?7]。但總體而言，BIM技術(shù)在地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用仍然較少，少量的研究也主要集中在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、線路碰撞檢查等方面[8]，BIM技術(shù)在地鐵施工中也有少量的應(yīng)用，主要集中在車站結(jié)構(gòu)的BIM三維建?？梢暬故镜确矫鎇9?10]。實(shí)時(shí)施工模型作為項(xiàng)目施工過(guò)程控制的有效工具，受目前數(shù)據(jù)自動(dòng)更新技術(shù)的限制，仍未大規(guī)模應(yīng)用于在地下工程領(lǐng)域。王雪青等[11]提出了將BIM實(shí)時(shí)施工模型與進(jìn)度控制相結(jié)合的4D模擬方案，但未將施工模擬的應(yīng)用擴(kuò)展到具體項(xiàng)目施工階段。將實(shí)施施工模型引入快速發(fā)展的城市地鐵工程施工階段，符合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線1期工程湘江新城站，探索基于BIM的施工實(shí)時(shí)模擬技術(shù)在地鐵車站施工中的應(yīng)用方法與前景。

1 BIM技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM(Building Information Modeling)是一種借助特定軟件創(chuàng)建包含工程信息的三維模型并應(yīng)用于項(xiàng)目各個(gè)階段的數(shù)據(jù)化工具[6]。BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目的應(yīng)用為項(xiàng)目各參與方提供了協(xié)同工作的平臺(tái)，能夠有效提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量，其主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1.1.1 信息集成

將工程信息集成到三維模型中是BIM技術(shù)區(qū)別于其他二維設(shè)計(jì)模式的一個(gè)重要特點(diǎn)，也是BIM技術(shù)的生命力所在。通過(guò)創(chuàng)建涵蓋各專業(yè)工程信息的特定族庫(kù)，從而組建一個(gè)完整的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)調(diào)用建筑內(nèi)構(gòu)件的信息，包括材料種類、幾何形狀、空間關(guān)系等，極大的便利了施工信息提取。

1.1.2 工作協(xié)同性

BIM技術(shù)搭建了一個(gè)可供項(xiàng)目參與各方同步工作的平臺(tái)，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和監(jiān)理單位可以通過(guò)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行及時(shí)的信息溝通，有利于項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的把控，提高項(xiàng)目整體效率。同時(shí)BIM三維模型還可以加強(qiáng)各專業(yè)之間的溝通，有效解決不同專業(yè)基于不同布設(shè)原則產(chǎn)生的沖突，及時(shí)進(jìn)行碰撞檢查，避免后期施工進(jìn)度受到影響，有利于縮短施工工期。

1.1.3 工作關(guān)聯(lián)性

BIM的工作關(guān)聯(lián)指三維信息模型在建立或使用過(guò)程中，建筑信息有任意一部分內(nèi)容發(fā)生更改時(shí)，通過(guò)BIM技術(shù)調(diào)整參數(shù)信息或更改模型可以使得三維模型以及模型的平面、立面、剖面發(fā)生同步的變化，不再需要工作人員對(duì)各部分圖紙進(jìn)行逐一修改，同時(shí)也極大的方便的更改的查看。BIM技術(shù)的工作關(guān)聯(lián)性使得各專業(yè)之間聯(lián)系更加緊密，同時(shí)節(jié)約人力成本。

1.1.4 工作可視化

BIM技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它的工作可視化。區(qū)別于傳統(tǒng)CAD二維圖紙，基于Revit等軟件創(chuàng)建的三維立體模型，能用一個(gè)模型來(lái)表達(dá)原本需要多張二維圖紙才能表達(dá)的問(wèn)題。這種立體的展示更為直觀，同時(shí)也減少了信息重復(fù)傳遞的工作量，避免了傳遞信息失真的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)三維渲染技術(shù)將實(shí)際工程在模型中完美呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”，給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊。

1.2 BIM三維模型

利用BIM建模軟件構(gòu)建三維模型是BIM技術(shù)的核心，建立的模型是包含了項(xiàng)目信息的參數(shù)化實(shí)體模型。模型的建立是一個(gè)由點(diǎn)到面的過(guò)程，每一個(gè)構(gòu)件都包含了各自的信息，組成的整個(gè)三維模型就是一個(gè)集成的、參數(shù)化的數(shù)字模型。利用Audodesk Revit建立地鐵車站的三維BIM模型如圖1，鼠標(biāo)點(diǎn)擊樓板構(gòu)件，模型中將自動(dòng)顯示構(gòu)件的名稱、尺寸、材料。此外模型中還可以查看構(gòu)件數(shù)量、構(gòu)件的位置等信息；當(dāng)對(duì)構(gòu)件信息進(jìn)行修改時(shí)，模型中平面、剖面、立面圖等也將同步更改，保證了工程信息的一致性和準(zhǔn)確性。BIM模型的信息包含在各個(gè)組件當(dāng)中，都可以被檢索和利用，為施工和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)均提供了極大的便利。

圖1 BIM三維模型示意圖

2 基于BIM的實(shí)時(shí)施工模擬

2.1 實(shí)時(shí)施工模型

實(shí)時(shí)施工模型是根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新的三維模型[12]。設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建的BIM三維原始模型是實(shí)時(shí)施工模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)，但實(shí)時(shí)模型需要根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)調(diào)整，保證模型能根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度不斷更新，與項(xiàng)目施工實(shí)際進(jìn)度保持同步。實(shí)時(shí)施工模型的最大特點(diǎn)是模型包含的信息隨著施工的進(jìn)行而不斷增加，模型本身也隨之不斷更新，在每一個(gè)階段都能準(zhǔn)確反應(yīng)施工的實(shí)際狀態(tài)，有利于對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

實(shí)時(shí)施工模型創(chuàng)建的核心是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)更新，因此模型創(chuàng)建包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和模型參數(shù)更新兩個(gè)過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集需要對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況進(jìn)行全方面的偵測(cè)，包括施工中不斷更新的建筑物構(gòu)件的幾何尺寸、材料選用、三維坐標(biāo)等。目前在施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象的定位中應(yīng)用比較多主要有GPS及RFID技術(shù)[13]，而施工現(xiàn)場(chǎng)三維坐標(biāo)的采集應(yīng)用比較多的主要是照相測(cè)量技術(shù)和激光掃描技術(shù)[14]。模型參數(shù)的更新是指利用BIM技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、提取、分類匹配等操作，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包含特定工程信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而更新模型構(gòu)件。在原來(lái)三維模型的基礎(chǔ)上完成實(shí)時(shí)參數(shù)構(gòu)件的更新，就完成了實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建。

2.2 實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建方法

由于實(shí)時(shí)施工模型需要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新變化的，采取人工創(chuàng)建需要耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間，實(shí)用性較低。實(shí)時(shí)參數(shù)模型的自動(dòng)創(chuàng)建技術(shù)通過(guò)圖像自動(dòng)識(shí)別和匹配技術(shù)完成數(shù)據(jù)自動(dòng)更新，并自動(dòng)向含有對(duì)象屬性的實(shí)體構(gòu)件轉(zhuǎn)換[15]，極大的提高模型自動(dòng)化程度。運(yùn)用于實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建包括六個(gè)狀態(tài)(如圖2矩形框所示)，并且每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)其特定的輸入和輸出內(nèi)容。模型自動(dòng)創(chuàng)建的整個(gè)過(guò)程從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集開(kāi)始，最終產(chǎn)品為基于BIM的實(shí)時(shí)施工模型。

圖2 實(shí)時(shí)施工模型自動(dòng)創(chuàng)建框架

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與空間關(guān)聯(lián)

視覺(jué)和空間數(shù)據(jù)的采集采用3D激光掃描儀和照相設(shè)備來(lái)捕捉現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物，從而輸出由圖像和3D點(diǎn)云呈現(xiàn)的三維表面輪廓。施工現(xiàn)場(chǎng)需要多臺(tái)照相設(shè)備和3D激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物進(jìn)行多角度的圖像采集和掃描，從而保證采集的數(shù)據(jù)能覆蓋到全部施工現(xiàn)場(chǎng)，最后將所有數(shù)據(jù)匯集并生成單一的三維表面?？臻g位置關(guān)聯(lián)是將經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)和校正的3D點(diǎn)云和圖像輸出為一個(gè)可以描述被掃描構(gòu)筑物的表面模型。這樣一個(gè)三維模型表面具有于實(shí)際構(gòu)件或構(gòu)筑物相應(yīng)的材質(zhì)紋理，且形成互相關(guān)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用三角形網(wǎng)格劃分3D點(diǎn)云生成的三維表面模型，以便于簡(jiǎn)化幾何模型同時(shí)為計(jì)算機(jī)計(jì)算提供算法基礎(chǔ)。

2.2.2 特征提取、分類和匹配

特征提取是源于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的一個(gè)概念，使用圖像加工工具提取圖像信息，決定每個(gè)圖像上的點(diǎn)是否屬于一個(gè)圖像特征[16]。在空間關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，將具有材質(zhì)紋理的三維表面模型作為提取對(duì)象，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)視覺(jué)特征和空間特征信息進(jìn)行提取，輸出結(jié)果為包含潛在對(duì)象和背景空間特征的三維表面。在此基礎(chǔ)上以包含潛在對(duì)象和背景空間特征的三維表面的對(duì)象，將對(duì)象特征逐一與樣本中的對(duì)象特征進(jìn)行對(duì)比，判定對(duì)象所屬的類別。通過(guò)計(jì)算一個(gè)對(duì)象和樣本的距離，判斷將對(duì)象歸入到某一預(yù)先定義好的類別的可能性大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象和樣本的距離匹配。這個(gè)過(guò)程可認(rèn)為是將一個(gè)抽象定義的對(duì)象指向一個(gè)更為現(xiàn)實(shí)的對(duì)象。

2.2.3 人工修正

目前的技術(shù)水平下還無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的模型創(chuàng)建，因此在過(guò)程中需要人工修正一些錯(cuò)誤或進(jìn)行參數(shù)修改。需要進(jìn)行人工修正主要包括以下幾種類型：對(duì)象不識(shí)別、對(duì)象識(shí)別錯(cuò)誤、對(duì)象的集成和分離。利用計(jì)算機(jī)算法自動(dòng)識(shí)別過(guò)程中發(fā)生個(gè)別對(duì)象未識(shí)別的情況，建模人員需要將未識(shí)別的對(duì)象進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置并插入到正確的位置；當(dāng)一個(gè)對(duì)象被錯(cuò)誤的識(shí)別時(shí)，建模人員需要將錯(cuò)誤的對(duì)象替換或刪除；當(dāng)多個(gè)對(duì)象被聚集成一個(gè)單一對(duì)象時(shí)，建模人員需要進(jìn)行分離對(duì)象；反之當(dāng)一個(gè)單一對(duì)象被識(shí)別為多個(gè)分解對(duì)象時(shí)，則需要將這些分散對(duì)象聚集成一個(gè)單一對(duì)象。

2.2.4 參數(shù)化構(gòu)件生成

在前面的步驟中生成了一系列經(jīng)過(guò)歸類的三維對(duì)象，其中所涉及到的參數(shù)都需要被計(jì)算。由于BIM模型中對(duì)構(gòu)件類型設(shè)定的參數(shù)和對(duì)象的實(shí)體類型都是已知的，且對(duì)于不同對(duì)象有各自不同的內(nèi)部表示規(guī)則，因此可以利用這些規(guī)則來(lái)匹配每個(gè)對(duì)象內(nèi)部的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)過(guò)分類匹配以及人工修正后的表面模型可以完整生成構(gòu)筑物所需的所有參數(shù)化構(gòu)件。

2.3 基于實(shí)時(shí)施工模型的地鐵車站施工模擬

將BIM實(shí)時(shí)施工模型應(yīng)用于地鐵車站施工模擬的基本流程如圖3。施工前按照設(shè)計(jì)資料建立地鐵車站的BIM三維模型，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)施工模型。數(shù)據(jù)采集利用BIM模型自動(dòng)更新技術(shù)，將3D激光掃描儀等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)添加到模型當(dāng)中。針對(duì)明挖地鐵車站施工主要施工工序，將實(shí)時(shí)模擬分成了臨建工程、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開(kāi)挖與支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)以及其他非土建部分工程。通過(guò)BIM實(shí)時(shí)施工模型可視化界面，能夠更加直觀的進(jìn)行基于實(shí)時(shí)施工模型的地鐵深基坑施工模擬時(shí)的進(jìn)度、成本以及安全控制。

圖3 基于實(shí)時(shí)施工模型的地鐵車站施工模擬

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線一期工程(月亮島路～桂花大道)線路全長(zhǎng)33.6 km，設(shè)24座車站，其中湘江新城車站為島式地下2層明挖車站，兩端接盾構(gòu)區(qū)間，車站覆土2.7 m。車站北端為盾構(gòu)始發(fā)井，車站南端為盾構(gòu)吊出井。車站外包全長(zhǎng)208.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬20.7 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.13 m，盾構(gòu)井段基坑深約17.7 m。

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用地下連續(xù)墻，鉆孔樁直徑1.0 m，間距1.2 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)采用鋼(鋼筋混凝土)內(nèi)支撐，其第1道采用700 mm×900 mm的混凝土支撐，第3道采用直徑=609 mm厚度=16 mm的鋼支撐，第2道采用混凝土支撐和鋼支撐水平雙拼?；影踩捅Ｗo(hù)等級(jí)均為一級(jí)。

3.2 湘江新城站BIM初始建模

湘江新城站首先根據(jù)設(shè)計(jì)資料創(chuàng)建BIM三維模型，建模軟件采用Audodesk Revit 2015。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先創(chuàng)建針對(duì)地鐵車站的特點(diǎn)族模型，每一個(gè)族庫(kù)都是帶有特定信息的參數(shù)化構(gòu)件，從而構(gòu)成車站模型所需要的構(gòu)件族庫(kù)(圖4所示為鋼支撐族模型)。通過(guò)Revit軟件建立了湘江新城站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和車站主體結(jié)構(gòu)的三維模型如圖5和圖6。

圖4 湘江新城站鋼支撐族模型

圖5 湘江新城站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

3.3 湘江新城站實(shí)時(shí)施工模擬

3.3.1 模型創(chuàng)建

車站實(shí)時(shí)施工模型的創(chuàng)建首先需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，施工中根據(jù)實(shí)際進(jìn)度情況定期采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而更新實(shí)時(shí)施工模型。本項(xiàng)目中三維數(shù)據(jù)采集使用多臺(tái)不同測(cè)程的FARO X130掃描儀，從不同位置對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行覆蓋掃描，保證信息的完整性。采集到視覺(jué)和空間數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，將得到的三維點(diǎn)云利用Trimble Realworks軟件建立三維點(diǎn)云模型(圖7為車站主體結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云模型)。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)云構(gòu)件表面模型進(jìn)行特征提取以及分類匹配工作，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的參數(shù)化構(gòu)件。將所有參數(shù)化構(gòu)件添加到車站BIM初始模型中，就完成了基于BIM的實(shí)時(shí)施工模型的 構(gòu)建。

圖6 湘江新城站主體結(jié)構(gòu)模型

圖7 Realworks中生成的車站點(diǎn)云模型

3.3.2 施工模擬

實(shí)時(shí)施工模型是進(jìn)行實(shí)時(shí)施工模擬的依據(jù)，地鐵車站施工不同階段均可進(jìn)行施工模擬。模擬中將湘江新城站施工劃分為臨建工程施工、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開(kāi)挖及支護(hù)、主體結(jié)構(gòu)施工四大塊，將實(shí)時(shí)采集的施工數(shù)據(jù)反饋到模型當(dāng)中，與計(jì)劃模型實(shí)時(shí)匹配，從而指導(dǎo)施工計(jì)劃調(diào)整。

1) 臨建工程施工模擬

在施工準(zhǔn)備階段，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃施工場(chǎng)地，模擬臨建設(shè)施施工以及現(xiàn)場(chǎng)交通疏導(dǎo)，如圖8所示。

圖8 臨建工程施工模擬

2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工模擬

本車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻加3道內(nèi)支撐的圍護(hù)體系。地連墻平均成槽深度22 m，模擬中按照一天一幅的進(jìn)度連續(xù)施工80 d，完成主體地連墻施工模擬，如圖9所示。

圖9 地連墻施工模擬

3) 基坑開(kāi)挖及支護(hù)模擬

模擬基坑開(kāi)挖順序與實(shí)際工序一致，分段開(kāi)挖長(zhǎng)度為20 m，模擬工期120 d，單段開(kāi)挖53 d。模擬基坑開(kāi)挖作業(yè)時(shí)間表見(jiàn)表1和圖10。

表1 基坑開(kāi)挖作業(yè)時(shí)間表

圖10 基坑開(kāi)挖及支護(hù)施工模擬

4) 主體結(jié)構(gòu)施工模擬

主體結(jié)構(gòu)施工工期長(zhǎng)，模擬標(biāo)準(zhǔn)段單段施工工期60 d，總工期210 d。施工過(guò)程工期延誤風(fēng)險(xiǎn)較大，中將標(biāo)準(zhǔn)單段長(zhǎng)度按18 m考慮，單段施工作業(yè)時(shí)間分配見(jiàn)表2和圖11。

表2 主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)時(shí)間表

圖11 主體結(jié)構(gòu)施工模擬分層效果圖

3.3.3 數(shù)據(jù)輸出與協(xié)同管理

基于BIM的實(shí)時(shí)施工模型可以在施工全過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出：模型中每一個(gè)參數(shù)化構(gòu)件對(duì)應(yīng)實(shí)體構(gòu)件，實(shí)時(shí)將實(shí)體構(gòu)件信息反饋到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，將實(shí)時(shí)模擬結(jié)果與計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，提前控制可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)輸出的過(guò)程是基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行操作的。協(xié)同管理平臺(tái)以BIM模型為數(shù)據(jù)載體，實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并應(yīng)用起來(lái)，作為施工模擬數(shù)據(jù)輸出和處理的統(tǒng)一平臺(tái)(如圖12)。一方面通過(guò)該平臺(tái)可以直觀的跟蹤到已完成施工的部分和已執(zhí)行的進(jìn)度計(jì)劃，從而比較實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度，便于施工任務(wù)的及時(shí)調(diào)整。另一方面基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)模擬將風(fēng)險(xiǎn)信息反饋在協(xié)同管理平臺(tái)中，從而對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行宏觀的調(diào)控。

圖12 基于BIM的協(xié)同管理平臺(tái)

3.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.4.1 進(jìn)度控制效果

湘江新城站施工從2015年9月29日開(kāi)工，計(jì)劃完成時(shí)間為2017年5月12日，總計(jì)劃工期591 d，完成基坑開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工計(jì)劃工期分別為265 d和471 d。采取BIM實(shí)時(shí)模擬方案后調(diào)整了施工工期計(jì)劃，3個(gè)節(jié)點(diǎn)工期分別縮短至536，432和249 d。湘江新城站施工各主要節(jié)點(diǎn)采用施工實(shí)時(shí)模擬前后計(jì)劃工期、實(shí)際工期情況如圖13。

從圖13可以看出，實(shí)際施工工期在3個(gè)主要施工節(jié)點(diǎn)都比未采取模擬時(shí)計(jì)劃工期更少，總工期縮短55 d，說(shuō)明在地鐵車站中應(yīng)用實(shí)時(shí)施工模擬施在工工期縮減方面取得效果良好；采取施工模擬后計(jì)劃工期和實(shí)際工期基本一致，體現(xiàn)了基于BIM的實(shí)時(shí)施工模擬在實(shí)時(shí)進(jìn)度過(guò)程控制的優(yōu)勢(shì)。

3.4.2 風(fēng)險(xiǎn)控制效果

結(jié)合湘江新城站施工實(shí)際特點(diǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象包括坑外地下水位降深、坑周地表沉降、支撐軸力變化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移以及地下管線沉降幾個(gè)方面。施工中分別定義圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、3道支撐施工以及主體結(jié)構(gòu)施工為工序1至工序5，采集各工序完成的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)數(shù)據(jù)(詳見(jiàn)表3)，進(jìn)而分析各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)情況(詳見(jiàn)表4)。

圖13 車站主要施工節(jié)點(diǎn)工期累計(jì)曲線

表3 主要風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

表4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)情況

根據(jù)表4的結(jié)果可以得出，湘江新城站施工過(guò)程各階段風(fēng)險(xiǎn)均控制在安全范圍內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)控制在中度以下，無(wú)需增加保護(hù)措施。由此說(shuō)明利用實(shí)時(shí)施工模擬指導(dǎo)地鐵車站實(shí)際施工，地鐵車站風(fēng)險(xiǎn)控制效果良好。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn)，提出了BIM技術(shù)在地鐵車站實(shí)時(shí)施工模擬中的應(yīng)用價(jià)值：信息集成和工作協(xié)同的特點(diǎn)為數(shù)量龐大而零散的地鐵工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息提供了一個(gè)集中處理的平臺(tái)；工作關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)為實(shí)時(shí)施工模型中各參數(shù)化構(gòu)件的生成以及信息更新提供了技術(shù)基礎(chǔ)；BIM的三維可視化為各方操作人員提供了直觀的查看平臺(tái)，大大便利了施工模擬的進(jìn)行。

2) 論述了BIM實(shí)時(shí)施工模型的自動(dòng)創(chuàng)建方法，提出了基于模型的地鐵車站施工模擬思路，并應(yīng)用于湘江新城車站施工中。通過(guò)對(duì)車站施工全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，管理人員可以在第一時(shí)間將施工實(shí)際狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃、針對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)采取控制措施，有效保障項(xiàng)目質(zhì)量、進(jìn)度和安全目標(biāo)。

3) 通過(guò)對(duì)湘江新城站的BIM建模，豐富了復(fù)雜地下空間巖土地質(zhì)BIM族庫(kù)；施工模擬在進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)控制上取得的良好效果說(shuō)明了BIM技術(shù)在地下空間應(yīng)用的合理性。BIM作為一種全新的工程信息化協(xié)同管理方式，實(shí)現(xiàn)施工建造全過(guò)程一體化，使地鐵工程在整個(gè)進(jìn)程中效率顯著提高、大量減少工程風(fēng)險(xiǎn)和浪費(fèi)，很好的相應(yīng)了綠色施工的號(hào)召。隨著BIM實(shí)時(shí)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，綠色施工和施工信息化將更多應(yīng)用于地鐵工程及其他地下工程實(shí)踐當(dāng)中，發(fā)揮更多的效益。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Real-time construction simulation and application research of subway station based on BIM

WU Weimin, PENG Limin, LEI Mingfeng

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Difficult for metro station construction in the process of multilateral coordination, construction schedule and cost control requirements and construction safety risk problem such as real-time response is not timely, the paper is based on BIM 3D modeling technology, and explore the BIM and information technology of computer image technology combining site. The paper focus on BIM model automatically update technology, real-time construction based on BIM model and the construction process based on the model of subway station real-time simulation was put forward. Real-time construction model can be automatically created to automatically identify the data collected in the field to the computer system, through feature extraction, classification, matching, to form parametric components, and implement updates to the BIM model for real-time construction simulation. At the same time, the application of real-time construction simulation based on BIM in Changsha metro project were studied.

subway station; BIM technology; real-time construction simulation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.018

TU 712

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1244 ? 08

2018?07?31

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018JJ3657)；中建五局科技研發(fā)資助項(xiàng)目

雷明鋒(1982?)，男，湖南祁東人，副教授，博士，從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作；E?mail：124520238@qq.com