高永剛 李光金 董智力 惠躍榮

(中國建筑科學研究院,北京 100013)

1 項目概況和技術難點

作為中國鐵路中長期路網規(guī)劃重點項目之一的銀川火車站改造工程,總投資 17.86億,建筑面積達 30000平方米。工程按照“客貨分設、客內貨外”的原則,車站設計規(guī)模為 10臺 18線,與北京西客站能力相當(圖1)。

車站采用鋼筋混凝土雙向拱殼、空間鋼桁架等體現(xiàn)新時期鐵路站房設計的新思想。站房內除了寬敞明亮的環(huán)境,還會有極具伊斯蘭風格的尖璇,為區(qū)內外旅客展現(xiàn)濃郁的民族風情畫卷。從外部看去,車站兩端向外懸挑,并被多個連續(xù)圓拱支撐起來的站房主體,舒展的造型仿佛飛騰的鳳凰,突出“鳳城”主題,同時也將成為銀川市經濟、社會發(fā)展的重要標志性建筑。新銀川火車站建成后,將大大提高寧夏鐵路運輸裝備現(xiàn)代化水平,方便旅客出行,對銀川市加快建設區(qū)域鐵路樞紐和區(qū)域中心城市具有十分重要的意義。

圖1 銀川火車站改造工程效果圖

銀川火車站結構主要包括站房樓結構和站臺結構兩部分。站房樓為地上二層,主要為候車大廳,東西向總寬約 63米,南北向總長約 243米。站房樓的大跨度屋蓋分別采用不同的結構體系,中央三跨采用鋼筋混凝土雙向拱殼,其它大跨屋面采用鋼桁架體系。站臺結構的雨棚垂直軌道方向采用張弦梁體系,順張弦梁方向形成排架體系,垂直張弦梁方向形成連續(xù)剛架體系。復雜的三維造型和多樣的大跨度鋼結構體系,給設計和施工都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于整個車站空間形體關系復雜,鋼桁架形式多樣,同時又是混凝土結構和鋼結構組合形式,項目施工方案的制定和選取、施工進度的控制和安排、協(xié)調溝通方案及修改都成為技術難點。

因此最終采用基于 BIM的可視化技術構建空間實體模型,并在此基礎上完成施工方案的制定以及效果展示等。

2 三維空間實體建模

由于受到技術的限制,過去二維圖紙一直是建筑設計和模型構建的主要表現(xiàn)方式。隨著基于 BIM的可視化技術的出現(xiàn),空間造型設計和施工方案規(guī)劃等有了強有力的技術支持,應用也越來越廣泛。

銀川火車站改造項目空間造型復雜多樣,占地面積很大,這類模型如果只用二維圖紙的方式來表現(xiàn)具有很大的難度,而且對于之后施工方案的規(guī)劃和選取也有相當的難度。而基于 BIM技術的三維空間建模,所有的構件都是參數化的,從而構成了完整的三維模型。整個三維模型就是一個包含所有項目中需要數據的數據庫,既可以提取或修改構件實體的幾何參數和空間位置參數,也可以做相關的工程量統(tǒng)計等。同時還可以在此基礎上做三維虛擬漫游設置,將整個項目完整的展示出來。圖2所示即為三維空間建模中的站房樓局部模型。

3 施工方案設計和選擇

建筑施工是復雜大型的動態(tài)系統(tǒng),它通常包括多道工序,而這些工序中涉及的因素繁多,其間關系復雜,直接影響著項目施工的進程。模擬施工過程是為了通過仿真手段,設計和制定施工方案,同時也可以發(fā)現(xiàn)實際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)的問題,這就需要對實際施工進行仿真。

銀川火車站改造項目的站房、雨棚、通廊等都是大型復雜鋼結構體系,施工難度很大。基于 BIM技術完成三維空間建模后,在此基礎上設計和模擬各種施工方案,從而正確選擇合理、有效、安全的方案。如圖3是站房樓鋼結構施工方案的示意圖。站房樓的大跨度屋蓋分別采用不同的結構體系,中央三跨采用鋼筋混凝土雙向拱殼,其它大跨屋面采用鋼桁架體系,利用建筑屋面造型,沿南北方向布置跨度約 60米的兩個大型三角形桁架,在大型桁架東西兩側布置跨度分別為 14米和 21米的次桁架。項目施工方案是采用地面組裝鋼桁架,利用履帶吊組合吊裝方式將單榀鋼桁架放置在臨時支撐上,依次完成站房樓所有鋼桁架吊裝和安裝,最終完成整個站房樓屋蓋鋼結構工程。吊裝方案設計中,履帶吊吊裝范圍、吊裝重量,以及站房鋼結構自身的空間位置制約,都直接影響到方案的選擇,在此過程中的基于 BIM技術構建的三維模型提供了良好的支持。

圖2 銀川火車站站房樓鋼結構模型局部

站臺結構位于站房樓西側,并與老站房樓相連,為地上一層雨棚,中央含 27米寬進站天橋,南北向總長約 493米,東西向總寬約 210米。雨棚在中央被高出的進站天橋分為南北兩部分,東西向柱間距約為 40米,南北向柱間距主要為 21米。雨棚垂直軌道方向采用張弦梁體系,五跨張弦梁的間距為10.5米,跨度分別 在 40米左右。間距 21米的柱子,在柱頂分為兩叉,使張弦梁支承于“枝杈”上。張弦梁順軌道方向采用鋼管梁與柱相連,型鋼檀條支承于張弦梁上。順張弦梁方向形成排架體系;垂直張弦梁方向形成連續(xù)剛架體系。整個站臺鋼結構體系形式復雜,施工難度大。因此,站臺結構的雨棚鋼結構施工方案(圖4)和通廊鋼結構施工方案(圖5)也同樣是在基于 BIM技術的三維模型基礎上設計出來的,此方案安全合理,并大大節(jié)省了時間,縮短了項目的工期。

4 虛擬仿真和施工風險控制

圖5 通廊鋼結構施工方案示意圖

對于建筑施工來說,虛擬仿真的重要作用就是將現(xiàn)實或方案設計模擬出來,為了更方便更形象的感知和體會,對方案的理解和決策都發(fā)揮了重要的作用。在銀川火車站改造項目中就充分利用了虛擬仿真技術,形象直觀的展示工程各階段的情況,從而指導方案的設計。同時,虛擬仿真在車站施工過程中的風險控制方面也有著相當大的作用,比如站房和站臺結構中的鋼構件吊裝過程的風險控制等。而基于 BIM技術構建的三維空間模型是虛擬仿真和風險控制的模型基礎,渲染圖片、漫游動畫等虛擬仿真成果都是在此基礎上完成和實現(xiàn)的。

5 結論

基于 BIM的可視化技術在銀川火車站改造項目中發(fā)揮了非常重要的作用。從站房和站臺復雜鋼結構的三維建模,到鋼結構的施工吊裝方案的設計,以及虛擬仿真和風險控制等,都與基于 BIM的可視化技術有直接的關系。它可以更好的提高數據的利用率,減少重復建模的次數,大大提高了效率。

[1]張躍,張叢哲.土木工程中虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展與展望.計算機世界,1998(5).

[2]傅筱.建筑信息模型帶來的設計思維和方法的轉型.建筑學報,2009(1).

[3]高永剛.建筑工程可視化施工模擬.工程三維模型與虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)(第二屆工程建設計算機應用創(chuàng)新論壇),2009-9-24.