建筑技术丨基于BIM的天津地铁6号线工程计量应用分析

1 工程概况

天津地铁6号线工程（梅林路站~咸水沽西站）线路全长14.17 km，含9站9区间、出入段线、泗水道主变电站及其电缆隧道。本工程线路全长4.45 km，建设范围包括梅林路站（不含）~渌水道站~双港站（含），含2站2区间、泗水道主变电站及其电缆隧道。车站总建筑面积约57 019 m²，正线隧道区间总长度约3.87 km，最大基坑深度约26 m。施工范围为：车站及区间土建工程、二次砌筑及设备区装修工程、人防工程、泗水道主变电站及电缆隧道土建工程。本研究以渌水道站为对象，形成基于BIM技术的工程计量分析方法。

渌水道站为6号线与8号线换乘站，位于渌水道路和微山路交口。6号线车站为地下3层岛式车站，车站长度246.825 m，标准段宽23.1 m，端头井宽27.55 m，标准段基坑深24.12 m，端头井基坑深26.029 m。8号线车站为地下2层岛式车站，车站长度327 m，标准段宽23.1 m，端头井宽27.95 m，标准段基坑深17.47 m，端头井基坑深19.38 m，顶板覆土厚3.56 m，总建筑面积41 473 m²，车站共设5个出入口及5组风亭。其中2号风道与车站主体结构同建。

1.1 工程计量难点

地铁施工工程计量面临着一系列难点，这些难点不仅源于施工技术的复杂性，还受到施工现场环境、物料配送及施工场地布置等多重因素的制约。

（1）施工现场环境。地铁工程涉及地下空间的开挖与支护，施工条件复杂多变，地质条件的不确定性给工程计量带来了极大的困难。

（2）物料配送。地铁施工过程中所需物料种类繁多，数量庞大，物料配送的及时性和准确性直接影响施工进度和成本控制。

（3）施工场地布置。施工场地布置不仅影响物料配送效率，还影响工程造价。一方面，施工场地布置不当可能导致物料在施工现场的堆放混乱，增加物料损耗和二次搬运成本；另一方面，不合理施工场地布置可能引发交通拥堵和安全隐患，影响施工进度和整体工程造价。因此，如何合理规划施工场地布置，以优化物料配送流程，成为地铁施工工程计量优化重点。

为了应对这一难点，施工单位应在项目初期就进行施工场地布置的详细规划，充分考虑物料种类、数量、运输方式以及施工现场的实际情况。通过科学的施工场地布置设计，实现物料的高效配送和有序堆放，减少不必要的损耗和成本。同时，施工单位还应加强施工现场管理，确保施工场地布置的灵活性和适应性，以应对施工过程中的各种不确定性因素。

地铁施工工程计量难点众多，其中施工场地布置对物料配送及工程造价的影响尤为显著。因此，合理规划施工场地布置，优化物料配送流程，是提升地铁施工工程计量准确性和合理性的关键所在。

1.2 BIM技术应用分析

鉴于地铁施工工程计量的复杂性和面临的诸多难点，特别是施工场地布置对物料配送及工程造价的显著影响，BIM技术通过创建数字化、三维化的建筑模型，为地铁施工工程计量提供了一种全新解决方案。

BIM技术能够精准模拟地铁施工现场环境，包括地质条件、建筑结构等，为工程计量提供准确的数据支持。这有助于克服施工条件复杂多变带来的计量困难，提高计量的准确性和科学性。

BIM技术通过模型集成物料信息，实现物料配送流程的可视化和优化。施工单位可以基于BIM模型进行施工场地布置的模拟与优化，确保物料堆放合理、运输路径最优，从而降低物料损耗和二次搬运成本，提升物料配送效率。BIM技术还具有强大的信息共享和协同工作能力，能够实时更新工程信息，确保各参与方对项目状态的准确把握。这有助于施工单位及时应对施工过程中的不确定性因素，优化施工计划，进一步控制工程造价。

2 基于BIM技术的计量分析方法

根据BIM可视化建模工程，建立综合考虑物料调配的优化数学模型。最终给出最佳的场地布置方案，一方面指导施工过程，另一方面降低工程造价。

随着建筑行业信息化、数字化进程的加速，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为一种具备数字信息化特征的技术手段，日益成为工程造价计量分析的重要工具。BIM技术通过精细化族库模型的创建与搭建，使建筑模型具备完整的建筑信息，并通过信息的矛盾性协调处理与信息化连接，实现模型的动态化和可视化。在此基础上，将BIM技术与优化算法相融合，能够显著提高工程造价计量分析的准确性和效率。

BIM技术的核心优势在于其信息化和可视化的模型特点。通过BIM技术，可以构建包含建筑组件、材质特性以及详细构建方案的统一资源库，为工程造价计量提供详尽的数据支持。在工程造价计量分析中，BIM模型不仅包含几何尺寸和物理属性，还集成了成本、时间等多维度信息，使得造价人员能够在设计阶段即开始进行造价控制，实现资金利用率与投资效率的双向提升。

优化算法在工程造价计量分析中的应用，则主要体现在对复杂问题的求解和资源的优化配置上。传统的工程造价计量方法往往依赖于人工经验，难以应对大规模、高复杂度的工程项目。而优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，能够通过迭代计算，在庞大的解空间中搜索最优解或近似最优解，从而实现对工程造价的精细化计量。

将BIM技术与优化算法相融合，可以实现工程造价计量分析的智能化和自动化。一方面，BIM模型提供的详尽数据为优化算法提供了输入基础，使得算法能够在更广阔的范围内进行搜索和计算。另一方面，优化算法的输出结果可以实时反馈到BIM模型中，通过模型的动态更新，实现对工程造价的实时监控和调整。这种融合机理不仅提高了工程造价计量分析的准确性，还显著提升了工作效率。

2.1 计量分析流程

在地铁施工项目中，计量分析流程的优化对于控制工程造价、提升施工效率具有至关重要的作用。基于BIM技术，提出了一种优化的计量分析流程，该流程强调通过BIM模型进行施工场地布置优化，合理规划物料配送路径，进而降低工程造价。基于BIM技术的计量分析流程如图1所示。

图1 基于BIM技术的计量分析流程

项目初始阶段，构建全面的BIM模型。该模型集成了地铁工程的所有相关信息，包括地质结构、建筑结构、设备布置等，为后续的计量分析提供了准确的数据基础。基于BIM模型，施工人员可以直观地了解施工现场的全貌，为后续的施工场地布置优化提供了先决条件。利用BIM技术进行施工场地布置的模拟与优化。通过BIM模型的虚拟环境，施工人员可以模拟不同场地布置方案对物料配送、交通流线、施工安全等方面的影响。在多次模拟的基础上，选择最优的施工场地布置方案，确保物料堆放合理、运输路径最优，减少不必要的物料损耗和二次搬运成本。

基于优化后的施工场地布置，制订详细的物料配送计划。利用BIM模型中的物料信息，结合施工现场的实际情况，规划出物料从仓库到施工现场的最优配送路径。同时，利用BIM技术的信息共享功能，实现物料配送计划的实时更新和协同管理，确保物料按时、按量、按质送达施工现场。

将优化后的计量分析流程应用于实际施工中，持续监控和优化施工过程。通过BIM模型实时监测施工状态，及时发现和解决施工过程中的问题，确保工程按预定计划顺利进行。同时，利用BIM技术进行工程造价的动态分析，根据施工进度的变化及时调整成本预算，有效控制工程造价。

基于BIM模型的地铁施工工程计量分析流程优化，通过施工场地布置的模拟与优化、物料配送计划的合理规划，以及施工过程的持续监控，实现了工程造价的有效控制，提升了施工效率和质量。随着BIM技术的不断发展和应用，该流程有望为地铁施工项目的成功实施提供更加有力的支持。

2.2 综合考虑物料调配的优化模型

在施工过程中，存在多节点需要配送物料的场景。在每个节点所需的物料类型及质量等参数存在差异。在施工现场的多节点物料配送规划中，要求通过合理布置施工现场和配送路径，使得总成本最小。该问题存在以下基本假设：物料类型不同，对应的配送载具不同，固定成本也不同；选用不同物料堆放方案，引起行驶路线不同，可变成本也不同；一种物料至少可配送到一个节点位置，一个节点可使用多种物料类型。

多节点场景下的物料配送规划问题的目标函数为施工成本的最小化，该成本由固定成本和可变成本两部分构成。选用NSGA–II算法进行方案的求解，该算法是一种启发式算法，结合遗传算法与Pareto最优的概念。NSGA–II算法具有较好的全局搜索能力，适用于计算具有双重目标的组合优化问题的解集。

3 面向施工过程的计量应用

基于施工场地布置的优化，面向施工过程进行了应用。首先建立了优化后的施工场地布置方案，指导施工。在天津地铁6号线实际施工过程中，施工场地布置的合理性直接关系到施工进度、物料配送效率以及工程造价。为此，基于BIM技术的场地布置优化策略显得尤为重要。根据第2节的计量分析流程，首先建立了高保真的BIM模型，如图2所示。

图2 项目的高保真BIM模型示意

通过BIM模型对施工现场进行三维可视化模拟，精确呈现地铁施工环境，包括地质条件、建筑结构、设备布置等。在此基础上，对施工场地布置进行多方案模拟，评估不同方案对物料运输、施工效率、安全风险等方面的影响，从而选出最优场地布置方案。施工过程BIM可视化建模如图3所示。

（a）

（b）

（c）

图3 施工过程BIM可视化模拟

（a）沟槽开挖；（b）安放接头管；（c）起吊钢筋笼

为了降低施工成本，提出了基于BIM模型的方案优化。利用BIM模型三维可视化的优势，做出精准的符合尺寸要求的风机模型，结合模型中的管线情况，优化风机位置，以及优化调整风管排布，可以提前避免风机和风管、风机和风机的冲突，尽量达到问题提前知，施工少拆改、少变更的效果。修正前后的安装效果对比如图4所示。

图4 基于BIM模型的施工方案修正

利用BIM模型中的物料信息，结合施工现场的实际需求，进行物料堆放位置、运输路径的精细化规划。通过BIM技术的协同管理能力，结合优化模型，实现物料配送的实时调度和动态优化，确保物料按需、按时、准确送达施工现场，减少物料损耗和二次搬运成本，合理优化工程造价。以某标段为例，优化后的施工场地布置如图5所示。对比发现基于所提理论方法形成的施工方案相较于传统的方案，施工进度提前了23.5 %，有效地降低了施工成本。

图5 优化后的施工场地布置示意

4 结论

为了有效优化工程造价，本研究以天津地铁6号线为例提出了基于BIM技术的计量分析方法。根据实际工程特点，系统地分析了工程计量的难点。同时发现施工场地布置对物料配送影响较大，进而影响工程造价。基于BIM技术的可视化建模功能，总结了计量分析的应用价值。在BIM技术的驱动下形成了计量分析的流程。根据BIM可视化建模工程，建立综合考虑物料调配的优化数学模型。最终给出最佳的场地布置方案，一方面指导施工过程，另一方面降低工程造价。基于施工场地布置的优化，面向施工过程进行了应用。给出合理的施工场地布置方案，有效地指导了物料配送过程，降低施工工期和工程造价。在BIM模型的驱动下，优化方案和配送路径，有效地降低施工造价成本。