王可定1，刘倍2
湖北省工业建筑集团有限公司，湖北 武汉 430000
摘要：随着城市道路的快速发展，尤其地铁轨道交通的建设是缓解城市交通拥堵的有效办法，地下工程出现场地空间有限、资源配资复杂、工期紧、地下管线复杂等工程技术难题。BIM技术的三维可视化、参数化、虚拟模拟等诸多优势能有效地解决这些技术难题。本文结合深圳地铁9号线项目，在现阶段BIM技术很少应用于地铁轨道交通工程领域的背景下，创新性地将BIM技术在其全生命周期进行了应用分析：设计阶段，进行了模型优化，针对地铁工程涉及专业多现象，进行了碰撞检测，确定了地下管线综合方案；施工阶段，将模型信息文件导入至Navisworks中进行4D动画模拟仿真，确定了盾构机最佳施工方案，进行了3D可视化施工；运营维护阶段，基于BIM与私有云技术地铁施工管理应用平台，运用摄像头和传感器实现电子集成化，动态监控地下设施的运营情况并进行了维护。从而应用BIM技术的诸多优势来提高地铁轨道交通工程的工程质量和建设效率及竣工后的运营维护。
关键词：BIM技术；设计变更；私有云；虚拟模拟
引言
随着社会工程建设的不断发展，城市的交通拥堵现象日益严峻，为了解决这现象，全国各省市不断加大对城市轨道交通建设的投入，以此来进一步的提升城市交通运行能力。目前，工程建设过程中尤其是地下交通工程的建设当中，普遍存在地下空间有限、工程量大、工期紧、涉及专业多、资源配置情况复杂等工程技术难点，而传统的设计-施工管理模式在轨道交通建设上经常出现大量的结构设计变更、工程变更、施工交底不明确、工期延误、成本难控制等建筑全生命周期诸多方面的问题。这严重制约了轨道交通工程的建设进程，现场施工管理水平以及成本控制。因此，为了协调解决建筑全生命周期所面临的诸多问题，采用先进的技术显得更具有应用价值。BIM（Building Information Modeling）以建筑工程相关的各项有关信息数据作为模型的基础，通过建模软件建立与信息数据匹配的三维模型，并以此三维模型进行建筑在建设全生命周期各阶段的动画展示，达到施工前“预演”效果，从而指导工程建设的设计、施工和后期维护[1]。
本文结合深圳地铁9号线项目，在现阶段BIM技术仍较少的应用于地下工程领域的背景下，创新性地研究BIM技术在轨道交通建设的全生命周期的应用分析：设计阶段，根据各专业的不同而组建该项目的BIM建模团队，建立了车站模型，并优化了图纸会审流程，基于BIM模型进行了碰撞检测，确定了最优管线布置方案；施工阶段，基于BIM与私有云技术平台，进行了5D施工成本的动态管理以及三位可视化图指导施工；后期维护阶段，提供族的分类管理、条件检索、自动提取族文件预览图、支持族文件参数的提取，通过摄像头取得实际现场的影像情况，具体的摄像机可在BIM模型中访问，登陆，用户验证、根据个人的权限和密码登陆网络云平台，查询审阅相应的模型文件，实时监控地铁结构和管道等设施的实际运营情况并维护管理。综上所述，BIM技术在提高设计效率、缩短建设工期、成本控制、施工管理以及后期维护方面具有重要应用价值。
1深圳地铁项目工程概况及技术难点
深圳地铁9号线项目的建设分车站主体结构和车站间隧道工程两个部分，向西村站、文锦站以及向西村至文锦站区间，本区间线路最大纵坡29‰，最小竖曲线半径3000m。本区间的平面布置图如图1所示，该工程的技术难点如下几个方面：
1）施工现场风险大。本工程地铁长距离穿行在深圳市繁华地带和人口密集区，而地铁施工对周边的建筑物影响很大，这无疑加大了施工人员的施工技术及管理。
2）工期紧，工程量大。工程涉及的专业多达22个，地下空间有限、资源配置协调等问题对工期影响很大，其次施工材料的堆放量大。
3）施工机械种类多。地铁施工过程中使用了盾构机、挖掘机、打桩机等大型施工机械，需要检测施工机械的质量以及数量统计，施工强度是否满足施工要求，在地下空间有限的情况下，如何选择最佳吊装方案成为本工程最大的技术难题。
4）地下管线布置复杂。下线管线包括给排水、燃气、光纤、电力、供水等，管线纵横交错，迁改方案确立以及各参与方协商难度大。
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图1.轨道交通平面布置图
在地下空间有限、工期紧、地下管线复杂、成本控制和后期维护等要求共同作用下，对设计方、施工方在效率及管理方面提出了更高的要求，在此基础上，尽可能减少因设计变更而带来的返工、降低工程成本、工期、施工质量等设计-施工-维护等诸多建筑全生命周期的问题，在现阶段，按照传统的设计与施工管理方法很难解决这一问题。因此，考虑到BIM技术具有三维可视性、仿真性、协调性及数据信息的整体性、参数性等诸多优势，通过BIM技术在地铁轨道交通建设全生命周期的应用分析势在必行。
2全生命周期BIM应用策略
BIM在地铁轨道交通全生命周期中的应用按工程的推进进度可分为如下三个阶段：设计阶段、施工阶段、运营维护阶段。如图2所示，具体实施流程：
在设计阶段，首先建立BIM模型所需要的各种族，并按各专业的不同将族分类，在BIM标准的指导下，建族在Revit项目中将各族进行组装生成各专业的设计模型，各专业在设计的平台上协同完成整体模型的组装，并进行碰撞检测，检测各专业模型是否出现交叉碰撞，最终生成设计模型。
由于地铁轨道交通涉及专业多，考虑施工阶段各施工参与方的工艺水平及工序进度安排不同，将设计模型拆分为施工模型，并将重要施工节点的施工模型导入至5DBIM管理平台，进行三维动画展示指导施工和确定最优施工方案[2]，并进行5D成本动态管理，在施工前发现问题，并进行模型参数调整进行优化，然后再导入至5DBIM管理平台，在施工的过程中，不断的优化模型，直到工程竣工生成最终的竣工模型。
在运营维护阶段，基于BIM与私有云技术地铁施工管理应用平台，利用在施工阶段的安装的摄像头和传感器在BIM3D模型中实现对地铁车站主体、地下管线、消防预警以及地下空间设备进行实时监控与维护。
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图2.BIM全生命周期流程
3BIM技术在各阶段的应用
3.1设计阶段的应用
1）BIM图纸会审
首先，依据初步设计图纸，BIM团队会将图纸按专业的不同进行三维模型的建立，最后将各专业建立的模型进行模型组装生成最终的三维模型，然后采用碰撞检测[3]，若各专业间出现了冲突，然后通过BIM技术进行构件的参数调整，直到碰撞检测合格，整个设计图纸才算完成。这个过程也称为BIM图纸会审过程，具体流程如图3所示。
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图3.BIM图纸会审流程
2）设计协同，提高设计效率
对施工企业和设计单位来说，族的应用至关重要，通过建立参数化的族，可以放整个模型与族形成一一对应关系，当修改其中的某一参数，整个模型将自动调整，减少各专业模型之间不协同问题，从而提高建模和修改的效率。
3）确定管线综合方案
BIM技术通过对模型进行碰撞检测，在设计前期阶段对碰撞问题进行修改，减少了后期施工的设计变更和返工，通过三维可视化的BIM模型，设计人员能更直观的检测管线布置的契合度，防止各管线出现碰撞。在碰撞检测前，该工程的通风管道与排水管产生了碰撞，采用BIM技术调整后，将排水管向上绕过通风管使管线布置更为合理，从而确定管线的综合方案，如图4所示，碰撞检测后的地下管线模型。
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图4.碰撞检测后的地下管线模型
3.2施工阶段的应用
3.2.1确定最佳施工方案
传统的施工方案是根据施工现场条件、资源配置、施工方法等综合考虑后确定的，但是随着工程进度的推进，难免会遇到工程变更、设计变更等问题导致施工进度推迟。地下工程未知因素多、资源配置有限、空间受限，如何确定最优的盾构机安装方案成了本工程最大的技术难题，通过建立与施工流程一致的三维模型，将模型信息文件导入至Navisworks中进行4D动画模拟仿真[4]，从而确定最佳施工方案。如图5所示。
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图5.盾构机吊装施工方案模拟
3.2.2可视化现场施工
在地铁轨道交通现场施工过程中，地下未知因素多[7]，可能会遇到极其复杂、施工要求很高的施工节点，极小的位移偏差都将导致工程事故的发生，深圳地铁9号线向西村站D出口内支撑施工节点构件种类多、地下空间狭小、施工对周围土体扰动大，这无疑加大了施工难点，其次，传统的二维图纸表达能力有限，施工人员素质参差不齐，很难理解施工意图[5]。为了解决这一难题，使用BIM技术对此施工节点进行三维可视化展示，能够方便施工人员更好的理解图纸，并在保证施工质量的前提下，完成施工[6]。如图6所示，向西村站D出口模型。
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图6.向西村站D出口模型
3.3后期维护阶段的应用
基于BIM与私有云技术地铁施工管理应用平台[8]，可以保证建筑3D模型与施工及管理信息于一体，实现了BIM模型显示以及建筑构件和材料、进度等信息的关联、查看、编辑和扩展功能。因此，可以为工程竣工后期维护提供信息化管理保证，一方面能为后期维修养护提供丰富的信息数据，另一方面借助摄像头和传感器实现电子化集成，从而形成动态监控，BIM技术可实现如下应用：
1）动态监控
通过动态监控实时反馈的数据信息，及时判定地下渗水部分、地下土体位移变形以及地下结构损坏情况，并及时采取措施控制风险源，保证地下轨道交通的正常运营，并对突发事件及时预警。
2）空间管理
地铁轨道交通工程空间空间管理主要应用在照明、消防等各系统和设备空间定位，为了获取各系统和设备的空间位置信息，把原来编号或文字表示变成三维模型位置，可以直观形象且方便查找[9]。如通过RFID获取地铁车站保安人员的位置，消防报警时，在BIM模型上快速定位所在位置，就可快速指明地铁周边疏散通道。
4结论
将BIM技术在地铁轨道交通中进行了应用分析，使用Revit软件对深圳地铁9号线向西村站D出口支护、地下管线、盾构机等进行了三维模型的建立，开创性地基于三维模型进行了盾构机安装工程的施工动画虚拟模拟，并确定了最佳施工方案。利用BIM技术碰对地下管线模型进行了碰撞检测，减少了后期施工的设计变更和返工。可视化的施工展示，让施工人员更好地理解图纸，提高了施工质量，同时，基于BIM与私有云技术地铁施工管理应用平台，运用摄像头和传感器实现电子集成化，动态监控地下设施的运营情况并进行了维护。BIM技术在深圳地铁9号线项目的应用表明，BIM技术在设计效率、施工管理水平方面比传统施工方法更具有优势，在运营维护阶段，利用BIM技术动态监控地下设施的运营情况并进行维护，具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1]戴荣里.BIM技术在兰州西站项目的应用[J].施工技术，2014,43（9）:99-101.
[2]耿维忠. 建筑虚拟实时漫游技术研究及实现基于[D]. 太原:太原理工大学，2007.
[3]黄苗燕，文辰辉.基于BIM技术的地铁工程碰撞检测研究[J].能源与环保，2017，39（7）：45-57.