2019年11月29-30日，由现代轨道交通网策划，天津市地下铁道集团有限公司联合主办，天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司、天津泰达城市轨道投资发展有限公司、天津市土木工程学会城市轨道交通分会、天津轨道交通产业技术创新联盟、天津大学共同协办，天津市BIM技术创新联盟支持的“2019中国城市轨道交通BIM技术发展大会”在天津市隆重召开。

    会议现场来自众多地铁集团公司、设计院、施工单位、咨询单位、厂商等领导近330位代表参会交流，从实践中总结，以“携手BIM技术，助推智慧城轨”为主题，探讨BIM技术在城市轨道交通应用问题。

    摘要：基于BIM技术在地铁工程中的应用，开发建立了一套自己的族文件，加快了建模的进度与效率。通过建立的地铁族文件数据库，建立地铁车站基坑三维Revit模型，主要针对土方模型进行细致划分，将模型文件导入Autodesk公司中的Navisworks软件中进行虚拟施工建造，通过基坑模型的虚拟施工开挖，与原有的基坑开挖方法进行对比分析，提出一种新的明挖车站基坑的施工方案，即双侧面台阶法。在实际的地铁车站中应用并取得了良好的效果。

    关键词：地铁工程；明挖法；BIM技术；车站模型；数据库

    0引言

    目前，BIM应用于高层和大型复杂工程中较多，在地下工程中应用的较少。地铁作为城市轨道交通最为主流的绿色交通模式，对推动城市的建设发展和社会的进步有重大深远的意义。地铁工程是在地下的重要建造工程，投入经费高，建造周期较长，施工速度较慢，同时需要安全性较高，针对各个方面沟通协调较多，使得城市地铁工程的整个建设过程比较复杂。BIM技术可以在工程建造过程中起很大的作用，加快了建模出图速率，减少图纸重复工作，快速算量等，可以为地铁的建设带来很多益处，各国学者也在不断的研究和探索BIM应用的实际效果，目前还没有良好的测度方法，还没有形成具有统一认可的论证方法，学者也在不断研究探索中[1-8]。

    BIM由于其推广应用模式有弊端、企业与单位支持不高、各软件间兼容性较差、初期应用成本花费较大是阻碍信息化BIM技术应用的主要因素[9-11]。地铁设计是一个快速发展得行业，BIM技术的发展需要在地铁中慢慢渗入，如何能把BIM技术也地铁设计快速融合是急切解决的问题。

    1基于BIM的地铁工程数据库

    数据库是由Revit族建立的一些可用于直接调取与插入建模中的族文件，后缀为rfa文件。在族文件的建立过程中比较复杂，它可以自由的改变插入文件的族类型参数，调整应用的文件大小与几何信息。由于目前在地铁工程中BIM技术应用较少，数据库族文件较少，针对于复杂的地铁模型建模比较困难，地铁数据库的建立可以加快地铁建模与应用的速度，为地铁工程以及其他工程的应用提出了新的选择方案。本文针对地铁中常用的族文件建立数据库，简要列举以下三种：

    1.1车站结构框架

    明挖地铁车站主要结构形式有双层三跨形式与双层双跨形式，针对于常用车站结构形式，建立车站结构框架数据库。

    图1车站结构框架族

    该双层三跨车站结构族文件通过12个族类型参数进行控制，建立时比较复杂，可以根据参数进行调整，进而直接设计出满足设计要求的车站结构形式，减少了许多的建立过程和步骤。如纵向立柱排数，根据车站长度与柱距可以自行计算并生成。

    图2框架族参数调整

    车站结构数据库的主要优势是可以进行数据的实时更新与参数化控制，通过12个参数（中板厚度、侧壁厚度、底板厚度、柱侧距离、柱半径、横向柱距、站厅层高度、站台层高度、纵向柱距、车站宽度、车站长度、顶板厚度）对车站结构框架控制分析。

    1.2钢筋混凝土桩

    钢筋混凝土桩族文件在工程中应用的最为广泛，在建模期可以先建为数据库文件可直接进行调用与调整。

    图3钢筋混凝土柱族

    钢筋混凝土数据库的主要优势是可以进行数据的实时更新与参数化控制，通过8个参数（桩半径、桩头长、桩尖半径、桩身长、箍筋半径、钢筋半径、钢筋距离中心、钢筋长度）对桩控制分析。

    图4柱族参数控制对比

    通过桩内族参数的改变可以控制桩的长度，钢筋的数量与钢筋半径，桩的半径等的变化，来满足工程的需要。

    1.3轨道

    轨道族文件数据库主要针对轨道交通工程建立的快速搜索与参数控制的建模形式。针对不同形式列车可调整参数改变轨道的间距和长度等。

    轨道族的控制参数设置的较少，主要轨道间距与轨道长度参数，下枕木数量应用公式根据轨道长度进行自动计算与自动绘制。

        图5轨道族参数控制对比

    2车站基于数据库的施工方案优化

    BIM数据库只是应用于初期地铁建模快速高效，参数化控制节点，利于后期的修改和补充。基于地铁数据库模型建立整体地铁车站模型，将BIM数据库实际应用到地铁模型中。同时通过BIM虚拟施工技术，模拟现场施工，对车站施工方案提出理论的优化。

    2.1基坑模型

    模拟基坑开挖土方模型是重要的建模部分，根据挖掘机每次开挖的土石方量进行平均估计，所以将模型划分为2m×4m×1m的立方体模型，能更加真实的模拟土方一次挖掘机开挖的量，有利于模拟的真实性。土石方模型直接采用自带楼板单元进行创建，在结构材质中设置为土层。

    图6基坑开挖土方模型

    本次虚拟施工建造只针对于地铁车站明挖法施工的土方基坑及支护工程，通过Revit建立地铁基坑三维实体模型。利用navisworks软件中提供的TimeLiner模块根据现场开挖施工进度为选择集中图元定义施工具体持续时间、任务类型及各个构件费用等，根据安排的每个虚拟工作任务，按照现场实际开挖及支撑的施工工序，生成一个具有施工顺序时间信息的的5D信息模块。

    图7基坑开挖虚拟建造模型

    2.2双侧面台阶法

    本文通过BIM技术手段，进行的放坡开挖与双侧面台阶法进行综合的对比分析，明确了一次土方开挖量及整体施工进度在两种方法之间的关系。综合得出双侧面台阶法在宽大基坑的运用优势。

    （1）基坑放坡开挖方法

    基坑放坡开挖方法是基于传统的基坑开挖模式的一种明挖法施工的方法，在基坑及边坡开挖过程中的最常见的一种方法，是在基坑两侧进行约45度角坡度开挖，工作平台宽度大约4m，用于第一层钢支撑的铺设提供工作平台，施工断面示意图如下图所示：

    图8基坑开挖示意图

    通过虚拟施工模拟分析每延米基坑出土量为88.5m3，根据初次开挖量和钢支撑施工及后续开挖量的工作时间进行虚拟施工组织安排，虚拟施工文件得出本方法的总体施工时间大约在7.5天左右。

    （2）双侧面台阶法

    双侧面台阶法是通过Navisworks软件虚拟施工建造，提出一种新的明挖车站基坑的施工方法。在Navisworks模拟施工进行优化过程中，发现双侧面台阶法在基坑明挖法中有很大的优势，在同等的工程造价中，可以加快施工进度，同时在施工过程中也是较为合理和优化的施工过程。

    图9双侧面台阶法示意图

    该方法主要适用于宽度较大的深基坑开挖，与现有的基坑开挖施工方法进行对比分析，该方法显然在现场的施工技术控制上有一定的要求，但是双侧面台阶法的应用可以为基坑开挖整体施工带来施工高效较快进度的施工方法[12]。

    通过虚拟施工模拟分析每延米基坑出土量为118.5m3，根据初次开挖量和钢支撑施工及后续开挖量的工作时间进行虚拟施工组织安排，虚拟施工文件得出本方法的总体施工时间大约在7天左右。

    经虚拟施工结果分析，在宽大的深基坑明挖法施工中，双侧面台阶法在理论有一定的优势和价值，在施工过程中可能需要严格的控制台阶以免造成台阶的失稳及滑落[13]。具体对比如下表1所示：

    2.3方法优化意义

    双侧面台阶法即是在基坑中间进行拉槽开挖，两侧一次开挖成台阶形式。这样可以增加一次开挖分层厚度，提高初次土方的开挖量，减少后续因钢支撑而增加土方挖掘和运输的难度，加快了整体的施工进度，针对沈阳地区砂性土层有良好的效果。

    4结语

    （1）由于BIM系统在族文件中缺少必要地铁族文件数据库，限制了BIM在地铁工程中推广应用。本研究针对系统族文件较少的地铁工程结构特殊性，利用REVIT技术建立地铁族文件数据库，开发研制出包含地铁车站结构框架族、钢筋混凝土桩族、地下连续墙族、钢支撑族、地铁轨道族、彩板房族及龙门吊族等，并嵌入到BIM系统中，实现了快速建模与应用的功能。

    （2）利用BIM技术软件Revit和Navisworks的无缝对接结合，对地铁车站明挖方法提出改善，通过虚拟施工技术提出一种“双侧面台阶法”的车站施工技术，该方法可提高初次土方的开挖量33%，同时加快了整体的施工速度约6.25%，为基坑或地铁明挖提供一种新的参考施工方案。

    参考文献：

    [1]路工程管理平台建设与展望[J].铁路技术创新，2015(3):8-13.

    [2]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设，2015,32(2):95-107.

    [3]方海龙，曾亚武.基于Revit的BIM技术在地下结构设计中的应用研究[J].建筑技术，2016,47(4)：353-356.

    [4]杨德磊.国外BIM应用现状综述[J].土木建筑工程信息技术，2013,5(6)：89-94.

    [5]李强.BIM技术在地铁机电系统施工中应用初探[J].黑龙江科技信息，2016(9)：35-36.

    [6]路耀邦.BIM在车站设计施工一体化中的应用[J].低温建筑技术，2016(6)：143-145.

    [7]常建军.BIM技术在地铁隧道工程施工中的应用[J].甘肃科技纵横，2016,45(6)：35-42.

    [8]张志永.BIM技术在轨道交通工程设计中的应用探究[J].山东工业技术，2016(13)：126.

    [9]李祥伟，孙剑.建筑信息模型在中国建筑业的发展思考[J].建筑经济，2011(4)：25-28.

    [10]DariusMigilinskas，VladimirPopov，LeonasUstinovichius.Thebenefits，obstaclesandproblemsofpracticalBIMimplementation[J].ProcediaEngineering,2013(57)：767-774.

    [11]邢民，苏米亚.BIM在地铁车站工程中的应用价值与障碍分析[J].工程经济，2016,26(1)：41-44.

    [12]邢民，崔磊，王述红等.沈阳地区明挖车站主要影响因素及其施工新方法[J].施工技术，2016,45(11):65-68.

    [13]邢民，王述红，侯文帅等.基于BIM技术地铁车站模型建立与应用及明挖法施工方案优化[J].土木建筑工程信息技术，2016，8(3)：39-43.

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