罗光财¹，罗桂军¹，郭 庶¹ 

(1. 中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 4100042)

摘要：为探索BIM技术在隧道及地下工程领域的应用，本文以湘江新城地铁车站项目为依托，在国内外已有的相关研究基础上，就BIM技术在地铁车站主体结构施工中的典型应用进行了研究。根据工程实例构建BIM三维模型，构建基于模型的数据库组织构架，利用BIM可视化以及可操作性的特点对地铁车站主体结构施工提供科学管理，提高施工质量和施工效率，为BIM技术在隧道及地下工程中的应用提供一定参考。

关键词：BIM技术；地铁车站；可视化；数据管理

中图分类号：U 45     文献标识码：A

1 引言

地铁车站建设是轨道交通项目的核心部分之一，需要在一定的工期约束内消耗大量的人工，材料和机械台班，为了在业主要求的工期内高标准的完成项目，施工方需要采用科学的监控方法对施工现场进行有效管理。目前，我国轨道交通项目主要采用二维图纸和纸质文档对工程项目进行施工管理，这严重地阻碍了各参建方之间进行有效地沟通。一旦前期设计出现问题，各参建方之间沟通不畅很可能会导致重复建设、资源浪费、返工返修等问题。

BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具^[1]，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点，在提高生产效率、建筑质量、节约成本和缩短工期方面有明显效果。BIM 技术的应用起源于美国，2003年美国总务管理局推出了国家 3D－4D－BIM计划，紧接着颁发了一系列BIM 使用指南^[2]。美国斯坦福大学的建筑综合设施工程中心（CIFE）通过对使用BIM技术的32个工程项目进行研究，总结得出了使用BIM技术进行工程建设的一系列优势^[3]。当前的BIM技术在建筑、机械等行业的应用相对成熟，在城市轨道交通的应用还处于初步阶段，但也已经取得一定进展^[4]。天津地铁红旗南路站采用BIM技术进行管线综合设计，有效的解决了设备和管线的协调问题，缩短了设计周期，提高了设计质量，在设计阶段就为保障工程顺利施工创造了有利条件^[5]。杭州东站工程应用BIM三维建模及施工模拟技术，解决了枢纽工程结构的复制空间关系以及施工方案的制定^[6]。厦门某地铁车站给排水设计中应用BIM技术进行了碰撞检验，为施工建设和维护管理提供了便利^[7]。石鼓山隧道利用BIM技术建立隧道工程各专业族库，实现铁路隧道建设全生命周期的信息共享^[8]。随着BIM技术的逐步成熟，更多的工程项目希望充分发挥BIM技术的优势，实现三维方案的模拟、综合管线的碰撞检验，总体设计的检验和优化^[9-13]。BIM技术仍在不断研发当中，在国内的应用仍不普及，在地上建筑结构的应用相对成熟，在隧道和地下工程领域研究和应用比较单薄，其中与地铁车站主体结构施工的结合应用较少，本文结合长沙地铁4号线湘江新城站工程实例，研究BIM技术在地铁车站主体结构施工的应用。

2 BIM技术概况

2.1 BIM建模总体思路

BIM建模的核心是软件平台，本工程选择Autodesk Revit软件建立BIM施工模型，并采用Autodesk Navisworks软件对BIM模型进行施工全过程综合应用。在工程施工准备阶段，根据招投标文件信息进行项目分解并建立BIM模型构架，其中包括：建立结构树、制定标准和确定命名规则。之后根据工程勘察文件、2D设计图纸以及施工组织设计文件的信息建立三维BIM模型，包括：建立参数、信息附加和整体建模。且在施工过程中不断更新并完善该模型。综上，BIM施工模型建立的总体思路如图1所示。

图1  BIM建模总体思路

2.2 BIM三维可视化模型

BIM的可视化技术基于Revit 软件，将二维图纸转换为三维图纸，并在模型上赋予其在整个建筑生产生命周期中的各种信息。通过施工过程中每个阶段不同的信息模拟反馈并指导各阶段的施工，对比确定每个工序的最优方案^[14]。相比于二维图纸的平面、立面、剖面图，施工时需要将施工图纸在脑子里重新加工，应用BIM技术可以将结构模型立体的展现出来，更直观的同时避免了信息的重复传递，提高了施工的精确性，加快了施工效率，有利于施工协调管理。三维模型包含工程的所有数据信息，通过施工现场与模型的实时对比，可以发现施工中的错误以及预测可能出现的问题，进而对施工进度进行有效控制以及风险管理。

利用BIM技术构建三维可视化模型的特点，还体现在其优于以往二维设计的可协调性和优化性，从根本上改变项目信息交流方式，建立起业主、设计单位、施工单位、监控单位、监理单位等项目参与各方协同合作的工作模式。项目各参与方可以根据信息模型共享的相关信息来决策，解决“信息断链”“信息孤岛”问题，提高工作效率。

3 BIM技术在地铁车站施工中的应用

3.1 工程概况

长沙市轨道交通 4号线一期工程为串联主城区主要客流集散点并对外辐射的骨干线路，线路起自普瑞大道站，止于长沙县桂花大道站。

其中湘江新城站位于银星路与银杉路现状道路L字路口的南侧，支护结构采用地下连续墙+内支撑的形式。车站有效站台中心里程为YDK16+236.000，全长208.8m。车站有效站台中心里程处轨面高程（绝对值）为33.204m，标准段线间距15m，标准段基坑宽度20.7m，车站主体结构顶板覆土厚度为2.7m，标准段基坑深约16.13m。

由于地铁车站工程施工难度大，施工不当引发的各种灾害后果严重，对社会环境影响大，在施工过程中迫切需要根据施工现场情况提供实时的安全状态分析结果，并能及时有效地采取施工控制和应急措施，因此结合BIM技术的对项目进程建立三维可视化、可操作性模型，对施工过程进行实时监控尤为迫切。

3.2 车站主体结构三维建模

为了三维可视地铁车站施工管理的要求，在构建主体结构的BIM模型过程中，将主体结构划分成基本零件，并将这些零件事先制作成 BIM 模型形成子模型库。湘江新城站主体结构采用Autodesk Revit软件建模，对于Revit系列软件来说，它的目的是实现信息化模型，其精髓就体现在“族”上面。“族”作为软件里面的一个基本单元，承载了某个构件的基本信息和外置信息，而各种族组成的建筑物就是信息的整合体，称之为：“建筑信息模型”^[15]。由于Revit软件本身携带的构件族较少，不能满足建模的需要，特别是涉及到特殊截面的梁、柱或墙。因此，首先创建需要的构件族，如图2所示为钢支撑族模型的建立。

图2 湘江新城站钢支撑族模型的建立

其次，选择指定的项目样板文件创建新的项目，使用创建的族文件和系统族文件创建车站3D模型。在使用结构族创建三维模型的过程中，Revit 也创建了用于结构分析的三维分析模型，双击项目浏览器的分析模型可以进行查看；最后，根据地质条件设置边界约束以及定义荷载组合。

BIM模型是车站施工、人员监控、构件质量跟踪、周边环境监控等相关信息的集中展示平台。为达到这个目的，以 CAD 图纸为基本平台，利用参数化设计，通过地铁车站主体结构BIM模型动态生成，得到相关BIM模型，如图3所示。

构建完成的施工BIM模型的重要实际意义在于其可视化的技术特点，可实现全过程信息交互。通过施工过程中每个阶段不同的信息模拟反馈并指导各阶段的施工，对比确定每个工序的最优方案^[13]。相比于二维图纸的平面、立面、剖面图，施工时需要将施工图纸在脑子里重新加工，应用BIM技术可以将结构模型立体的展现出来，更直观的同时避免了信息的重复传递，提高了施工的精确性，加快了施工效率，有利于施工协调管理。如图4所示为湘江新城站主体结构的分层效果示意图，在Revit中可以从各个角度查看三维模型，并根据实际施工需要出图，对提高施工管理水平具有现实意义。

图3 湘江新城站主体结构模型的建立

图4 湘江新城站主体结构分层效果图

3.3 基于BIM的车站施工过程数据组织与管理

由于施工过程的数据来源多样，形式复杂，格式不一，因此数据收集与整理、存储必须统一规划、分步实施。根据数据类型及其在施工过程的不同用途，可划分为结构信息数据库、监测数据库、管养检查数据库、预警事件数据库、人员数据库、盾构施工数据库等6类。这些数据以BIM模型为核心，通过数据转换接口适配及数据融合技术，在BIM模型实现无缝集成，其结构关系如图4所示。以BIM为核心的数据集成存储方案大大提高了系统的效率；通过BIM模型友好的、可视化程度高的人机交互界面，方便多用户访问与施工过程相关的地铁车站勘察、设计、施工记录信息，超过标准值的质量缺陷数据，地铁车站的各监测项目的初始值以及随时间的趋势进化，管养检查数据等；可对盾构隧道工程在空间、时间维度上实现超标准值事件进行重点记录、分析和评估；可对施工过程产生的风险及预警事件进行完整记录跟踪，弥补了传统地铁车站施工工程记录过于离散的不足，同时还可将施工现场的物资信息进行存储。

图5 基于BIM模型的数据库构架

4 结语

BIM技术的引入为地铁车站主体结构施工注入了新鲜血液，促进车站施工信息化发展。通过BIM三维数字技术在地铁工程项目各专业的应用，可以充分发挥BIM技术的优势，使BIM 技术在地铁项目中发挥积极作用，有效提高数据的准确性，缩短工程周期，提升管理效率，提高项目质量，节约投资和缩短工期。通过BIM可视化技术在模型查看，可以在不增加人力的情况下提升施工管理水平。但BIM作为一种新技术，在隧道与地下工程领域的施工应用是一个新方向，尚处于初级阶段，软、硬件购置及资料培训费用高，投资回报周期长，经济效益不明显，如何挖掘其在施工阶段的潜在价值，仍需要不断实践和探索。

参考文献

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