程馬遙,曾洋

BIM技術(shù)在地鐵工程中的數(shù)據(jù)庫建立及其應(yīng)用

程馬遙,曾洋*

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院, 廣東 佛山 528000

針對(duì)建筑信息模型（BIM）中地鐵工程文件數(shù)據(jù)庫較少的問題，本文基于技術(shù)族文件的建立，在地鐵工程項(xiàng)目領(lǐng)域建立了地鐵族文件數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了車站結(jié)構(gòu)框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用開發(fā)建立了一套自己的族文件，加快了建模的進(jìn)度與效率。通過建立的地鐵族文件數(shù)據(jù)庫，形成科學(xué)的Revit模型（地鐵車站基坑三維模型），旨在細(xì)分原有的土方模型，把Revit模型利用Autodesk公司Navisworks軟件進(jìn)行模擬建筑，通過基坑模型的虛擬施工開挖，與原有的基坑開挖方法進(jìn)行對(duì)比分析，提出一種新的明挖車站基坑的施工方案，即雙側(cè)面臺(tái)階法，在實(shí)際的地鐵車站中應(yīng)用并取得了良好的效果。

地鐵工程; BIM技術(shù); 數(shù)據(jù)庫

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）旨在對(duì)建筑全壽命過程進(jìn)行信息化管理。常見的應(yīng)用手段包括：前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段（建筑概念、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)）、加工階段（項(xiàng)目預(yù)制）、施工階段（項(xiàng)目安裝）、項(xiàng)目運(yùn)營、項(xiàng)目維護(hù)和項(xiàng)目改造（拆遷或者拆除）等。BIM在不同階段可以發(fā)揮相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和特長，可應(yīng)用于高層建筑、橋梁、隧道和地鐵等大型工程建設(shè)項(xiàng)目中，也可以很好地應(yīng)用于安裝工程中的管路線路設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過三維可視化展示和檢查問題線路[1-3]。

現(xiàn)階段，BIM主要應(yīng)用在高層項(xiàng)目中，但很少在地下項(xiàng)目中應(yīng)用。地鐵是城市交通建設(shè)的關(guān)鍵組成部分，旨在打造綠色健康交通模式，是城市和諧發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的有效體現(xiàn)。基于此，BIM不管是從地鐵項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工階段、運(yùn)營階段等，都具備深遠(yuǎn)意義。地鐵項(xiàng)目離不開地下建構(gòu)工程，并且出現(xiàn)投入大、周期常、施工慢、效率低、安全要求高、協(xié)調(diào)部門多等問題，所以地鐵工程整個(gè)施工項(xiàng)目需要面臨十分復(fù)雜的流程。BIM技術(shù)是提升工程項(xiàng)目效率的有效手段，對(duì)地鐵項(xiàng)目建設(shè)有諸多好處，全球范圍內(nèi)學(xué)者們紛紛開始強(qiáng)化關(guān)于BIM應(yīng)用的研究工作，但是迄今為止依然沒有很好的度量手段，也沒有形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的論證手段。各國研究人員開始持續(xù)關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，不斷探索和挖掘新的研究方向[4-8]。

BIM在國內(nèi)各項(xiàng)目的普及程度不高，主要是因?yàn)锽IM在推廣時(shí)模式相對(duì)單一，軟件間兼容性較弱，建設(shè)前期需要投入較高成本，尚未針對(duì)BIM行業(yè)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)建議等。上述種種因素阻礙了BIM技術(shù)的應(yīng)用和普及[9-11]。

本文所研究的虛擬施工項(xiàng)目是針對(duì)地鐵項(xiàng)目所開展的土方基坑工程管理，通過使用Revit軟件形成地鐵基坑三維模型，建立地鐵族文件數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了車站結(jié)構(gòu)框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用開發(fā)建立了一套自己的族文件，加快了建模的進(jìn)度與效率。

1 BIM地鐵工程數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是指以Revit族數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取、插入、建模等需求的文件庫，常規(guī)而言，數(shù)據(jù)庫相關(guān)文件都以“rfa”作為后綴。族文件建立相對(duì)復(fù)雜，并且可以對(duì)插入文件族類型參數(shù)進(jìn)行直接改變，以此控制應(yīng)用文件相關(guān)信息。從現(xiàn)狀來看，BIM技術(shù)并未在地鐵項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，且對(duì)于部分地鐵項(xiàng)目來說，存在一定難度。建立地鐵數(shù)據(jù)庫可有效提高地鐵的建模和應(yīng)用的速度，以此結(jié)合不同工程的應(yīng)用，匹配全新的方案。接下來將詳細(xì)介紹地鐵工程數(shù)據(jù)庫的建立過程。

1.1 車站結(jié)構(gòu)框架

明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)可分成“雙層三跨結(jié)構(gòu)”、“雙層雙跨結(jié)構(gòu)”兩種形式（如圖1所示），一般情況下車站結(jié)構(gòu)常用形式是開展地鐵項(xiàng)目的基礎(chǔ)。

圖 1 車站結(jié)構(gòu)框架族

圖 2 車站結(jié)構(gòu)框架族參數(shù)調(diào)整示意圖

族類型參數(shù)是實(shí)現(xiàn)雙層三跨結(jié)構(gòu)族文件控制的核心和基礎(chǔ)，參數(shù)是調(diào)整設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，充分借鑒參數(shù)設(shè)置，能協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)要求，改變車站結(jié)構(gòu)模式，以此簡化建立流程。例如，建立縱向立柱排數(shù)過程中，可根據(jù)長度、柱距等作為參考指標(biāo)（如圖2所示）。

車站結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫最核心的優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)庫相關(guān)信息，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)參數(shù)化控制。常見的參數(shù)有D中板、D側(cè)壁、D底板、D柱側(cè)、R柱、D橫向柱距、H站廳層、H站臺(tái)層、D縱向柱距、D車站寬、L車站、D頂板。

1.2 鋼筋混凝土樁

鋼筋混凝土樁族在工程項(xiàng)目內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，在建模期可優(yōu)先選擇合適的數(shù)據(jù)庫文件，然后為后續(xù)的調(diào)用和調(diào)整提供便利。具體設(shè)置如圖3所示。

圖 3 鋼筋混凝土柱族

圖 4 鋼筋混凝土柱族參數(shù)控制對(duì)比

鋼筋混凝土數(shù)據(jù)庫最核心的優(yōu)勢(shì)是可利用數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行參數(shù)控制，并結(jié)合不同參數(shù)進(jìn)行樁控制分析，例如R鋼筋、R樁、R樁尖、R箍筋、R鋼筋、L樁頭、R樁身、L鋼筋、D鋼筋距離等。如圖4所示。

以樁內(nèi)族參數(shù)為基礎(chǔ)調(diào)整，控制樁長度、鋼筋數(shù)量、樁半徑等信息。

1.3 軌道

軌道族文件數(shù)據(jù)庫屬于項(xiàng)目參數(shù)相關(guān)文件，可用于數(shù)據(jù)快速搜索和調(diào)取。不同鐵路列車類型，可直接調(diào)整軌道長度、間隔等。

軌道族控制參數(shù)并不多，主要用于軌道間隔和長度的處理，具體可根據(jù)軌道長度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和繪制。如圖5所示，為不同軌道族參數(shù)對(duì)比。

圖 5 軌道族參數(shù)對(duì)比示意圖

圖 6 基坑開挖土方模型

2 明挖車站方案優(yōu)化

2.1 基坑模型

建模是建立模擬基坑開挖模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，通過分析挖掘機(jī)單次開挖土石方量可評(píng)估平均數(shù)值。因此，模型可進(jìn)行立體模型切分(2 m×4 m×1 m)，以此評(píng)估每單位挖掘機(jī)開挖土體積，保證數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)。土石方模型方面，可考慮選擇自帶樓板單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將結(jié)構(gòu)材質(zhì)部分定義為“土層”。具體如圖6所示。

本文所研究的虛擬施工項(xiàng)目是針對(duì)地鐵項(xiàng)目所開展的土方基坑工程管理，通過使用Revit軟件建立地鐵基坑三維模型。Navisworks軟件可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開挖場(chǎng)景模擬，并評(píng)估集團(tuán)施工所需的時(shí)間、類型、成本等因素。根據(jù)模擬工作任務(wù)的數(shù)據(jù)，可及時(shí)安排施工現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃，并組成以施工順序?yàn)檫壿嫷?D信息板塊。具體建立過程如圖7、8所示。

圖 7 選擇集附著模型任務(wù)

圖 8 基坑開挖虛擬建造模型示意圖

2.2 雙側(cè)面臺(tái)階法

通過BIM技術(shù)研究基坑放坡開挖法與雙側(cè)面臺(tái)階法的差異，確定單次土方開挖量與整體施工進(jìn)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析不同手段在項(xiàng)目中的表現(xiàn)，如下所示：

2.2.1 基坑放坡開挖法基坑放坡開挖法需要在基坑兩端開挖45°坡，保持4 m左右的工作平臺(tái)寬度，旨在為首層鋼提供支持，并滿足工作平臺(tái)的使用需要，具體施工斷面如圖9所示。

結(jié)合虛擬施工模擬的分析結(jié)果顯示，基坑單位出土量是88.5 m3，以單位開挖量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展后續(xù)的虛擬施工工作，從虛擬文件再到本次方法的建立，整體施工周期。

2.2.2 雙側(cè)面臺(tái)階法雙側(cè)面臺(tái)階法以Navisworks軟件開展虛擬施工相關(guān)操作。Navisworks軟件是一種解決明挖車站基坑施工手段的新方法（如圖10所示）。通過利用Navisworks軟件進(jìn)行施工優(yōu)化時(shí)，能及時(shí)挖掘關(guān)于雙側(cè)面臺(tái)階法在項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)。在針對(duì)同等工程造價(jià)施工時(shí)，能有效提升施工效率，并保證施工過程的合理性、科學(xué)性、系統(tǒng)性。

圖 9 基坑開挖圖形

圖 10 雙側(cè)面臺(tái)階法示意圖

雙側(cè)面臺(tái)階法可用作開挖寬度大的深基坑工程，通過與傳統(tǒng)基坑開挖方式進(jìn)行比較，雙側(cè)面臺(tái)階法顯然對(duì)施工技術(shù)有更嚴(yán)格的要求，但是通過使用雙側(cè)面臺(tái)階法，可以有效提升基坑開挖施工效率[12]。就虛擬施工分析數(shù)據(jù)而言，基坑出土量應(yīng)保持在118.5 m3/延米水平，并可通過協(xié)調(diào)鋼支撐施工、單次開挖量等數(shù)據(jù)，為后續(xù)施工安排奠定基礎(chǔ)，虛擬施工設(shè)計(jì)的施工周期大約為7 d。在開展虛擬施工時(shí)，應(yīng)確保深基坑明挖法的有效執(zhí)行，雙側(cè)面臺(tái)階法本身具備很強(qiáng)的理論價(jià)值。施工階段應(yīng)保證臺(tái)階的穩(wěn)定性，避免臺(tái)階失穩(wěn)、滑落現(xiàn)象的發(fā)生。具體對(duì)比如下表1所示：

表 1 兩種開挖方法對(duì)比

2.3 方法優(yōu)化意義

雙側(cè)面臺(tái)階法是指在開展基坑開挖項(xiàng)目時(shí)，以兩側(cè)為基礎(chǔ)，一次性將此轉(zhuǎn)變成臺(tái)階形式。通過這樣的手段提升單次開挖厚度，提升首次開挖數(shù)量，降低因鋼支撐而造成的不利影響，以此推動(dòng)施工進(jìn)度的執(zhí)行，保證項(xiàng)目土層結(jié)構(gòu)的完好。

3 BIM技術(shù)在地鐵項(xiàng)目的應(yīng)用

現(xiàn)階段部分城市紛紛建設(shè)大型地下空間結(jié)構(gòu)，但是依然存在諸多不合理的地方，例如人性化因素、人防設(shè)計(jì)、節(jié)能環(huán)保等方面。鑒于BIM技術(shù)本身的特征，其在建筑領(lǐng)域備受重視，通過利用BIM技術(shù)能夠解決地下大型空間設(shè)計(jì)及施工等方面的問題，是后續(xù)建筑工程發(fā)展的重要方向之一[15]。

3.1 建立車站三維模型

從地鐵車站結(jié)構(gòu)的角度看，地鐵數(shù)據(jù)庫是建設(shè)車站結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)。結(jié)合沈蘇西路車站實(shí)際結(jié)構(gòu)幾何圖形，匹配相關(guān)尺寸，建立科學(xué)完善的車站結(jié)構(gòu)模型圖。Revit建模能客觀反映建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，并且從“材料”、“三位數(shù)據(jù)”、“大小”、“尺寸”等維度進(jìn)行匹配，利用Revit對(duì)車站外結(jié)構(gòu)建模（圖11）。

圖 11 車站整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 三維模型優(yōu)化分析

Navisworks軟件可進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，旨在挖掘設(shè)計(jì)過程中的失誤和缺陷，并對(duì)管線交叉部分進(jìn)行總結(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線與結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)產(chǎn)生的問題。通過科學(xué)全面的碰撞檢驗(yàn)，能快速找到設(shè)計(jì)所出現(xiàn)的問題。模型基于虛擬漫游，立足于第三方視角，直接觀察模型設(shè)計(jì)端出現(xiàn)的問題，可充分利用第三方視角的實(shí)際體驗(yàn)進(jìn)行碰撞測(cè)試，以此深入挖掘設(shè)計(jì)中不合理的部分，并不斷改善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。電梯井漫游檢查如圖12所示。

圖 12 電梯井漫游檢查示意圖

圖 13 地鐵車站虛擬施工

從BIM技術(shù)本身來看，一方面Navisworks軟件具備模擬漫游功能，并快速發(fā)現(xiàn)工程項(xiàng)目內(nèi)的異常位置，并提示標(biāo)注；另一方面在模擬施工基礎(chǔ)上進(jìn)行5D施工模擬，通過三維的立體空間搭建以“施工時(shí)間”、“施工資金造價(jià)”為主導(dǎo)的模擬施工，以此優(yōu)化原有的3D模擬和4D模擬模式，以此幫助決策者及時(shí)把握施工現(xiàn)狀。

3.3 車站模型虛擬施工

車站結(jié)構(gòu)主體根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬施工，根據(jù)建立好的Revit模型文件在Navisworks中進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)與附著，完成模型的初步配置。

本次地鐵車站虛擬施工分為了9個(gè)施工段數(shù)，首先每個(gè)施工段進(jìn)行底板的澆筑施工，然后進(jìn)行底柱、側(cè)墻、中板，最后進(jìn)行頂柱及頂板的施工，完成一個(gè)施工段的工程。在施工過程中按照合理的施工工序進(jìn)行地鐵車站的虛擬施工過程模擬，可以對(duì)施工過程、材料需求和進(jìn)度信息進(jìn)行虛擬分析，并對(duì)地鐵車站的施工進(jìn)行施工組織管理與協(xié)調(diào)。虛擬施工如圖13所示。

4 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)族文件的建立，建立了地鐵族文件數(shù)據(jù)庫，包含了車站結(jié)構(gòu)框架、鋼筋混凝土柱、軌道等，為BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用開發(fā)建立了一套自己的族文件，加快了建模的進(jìn)度與效率。利用Autodesk公司Navisworks軟件進(jìn)行模擬建筑，通過基坑模型的虛擬施工開挖，與原有的基坑開挖方法進(jìn)行對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

（1）通過Revit技術(shù)健全地鐵族文件數(shù)據(jù)庫，分析地鐵族文件庫的結(jié)構(gòu)問題，深入研究和開發(fā)框架結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容，并利用BIM系統(tǒng)的嵌入作用，實(shí)現(xiàn)高效建模，合理應(yīng)用BIM技術(shù)和功能；

（2）通過Revit軟件、Navisworks軟件間的對(duì)接，并根據(jù)地鐵項(xiàng)目現(xiàn)狀提出可行性建議。立足于虛擬施工技術(shù)，并以雙側(cè)面臺(tái)階法為核心優(yōu)化施工技術(shù)。旨在有效提升33%的初次土方開挖量，并對(duì)施工產(chǎn)生12.5%的效率提升，以此為地鐵明挖、基坑等提出新的參考思路和方向；

（3）通過列舉沈陽地鐵九號(hào)的案例進(jìn)行研究，對(duì)項(xiàng)目建模分析。分別通過“碰撞檢測(cè)”、“虛擬漫游”等方式發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目工程存在的問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)模型的缺陷，為后續(xù)的模型優(yōu)化打下基礎(chǔ)。通過不斷優(yōu)化和改良設(shè)計(jì)方案，以此發(fā)揮組文件數(shù)據(jù)庫在項(xiàng)目管理的核心作用。

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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

佛山市科技創(chuàng)新項(xiàng)目:穿越富水粉砂層盾構(gòu)開挖注漿加固對(duì)策研究(N.1920001001673)

程馬遙(1988-),女,博士,講師,研究方向:巖土工程與地下工程. E-mail:chengmayao@163.com

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

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