解亞龍,王萬齊,李 琳

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所,北京 100081； 2.中鐵建工集團華北分公司,北京 100070)

隨著我國鐵路設施建設規(guī)模的擴大，建設速度的不斷加快，BIM技術必將成為未來鐵路工程設計建設的主要技術發(fā)展方向[1]。為此，國鐵集團推動了BIM技術在鐵路工程上的應用研究。目前我國大型的鐵路施工項目都在積極推進BIM技術的應用，力圖建立起以BIM為核心的施工管理體系，優(yōu)化工程管理模式，實現(xiàn)工程項目管理的信息化、科學化和精細化。因此，有必要從BIM模型深化研究、施工方案虛擬仿真等方面開展針對鐵路建設項目的BIM關鍵技術研究[2-5]。

目前，BIM技術在國內(nèi)客站建設中得到一定應用，烏魯木齊站、蘭州西站、杭州南站、烏蘭察布站等鐵路站房均采用BIM技術進行了輔助設計和施工，取得了一定成果，但BIM應用的側(cè)重各不相同。杭州南站從管線綜合優(yōu)化、圖紙查詢管理、可視化交底等方面做了應用探索；烏魯木齊站利用BIM模型開展了詳細的綠色設計方面的研究，在光照模擬、能耗分析、空調(diào)荷載計算等方面進行了探索，同時在管線綜合、工程量計算、施工圖出圖等方面進行了應用；烏蘭察布站重點在孔洞預留、三維技術交底方面做了應用[6-11]。清河站工程存在參與專業(yè)多、協(xié)同難度大、結(jié)構(gòu)復雜、內(nèi)外部管線系統(tǒng)繁多等難題，通過BIM技術優(yōu)化設計、指導施工，提升清河站整體的設計施工管理水平。

1 工程概況

清河站在幾百米長的狹長地帶，打造了北京北部全新的綜合性客運交通樞紐，實現(xiàn)了多種交通方式的零換乘。清河站設計為地下兩層，地上兩層，局部三層，其中地下二層為城鐵昌平線南延及19號支線站臺層及設備層，地下一層為城市通廊、國鐵與地鐵換乘空間、地下車庫等，首層為國鐵進站廳、站臺層和新建城鐵13號線站臺，二層為高架候車層，局部三層為商業(yè)服務，分層模型如圖1所示。

圖1 清河站分層模型

主站房依托建筑造型160 m的大跨度屋蓋，采用了鋼管混凝土A形柱、Y形柱及直柱3種柱形作為豎向主要受力構(gòu)件，承托頂部大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，屋蓋最大跨度80 m，最大懸挑長度18 m，使整個候車大廳空間更加通透。

清河站工程規(guī)模大，總體建筑面積達14.6萬m2；其次工程結(jié)構(gòu)復雜，地下空間大，專業(yè)眾多，協(xié)調(diào)困難，且主站房設計方案不穩(wěn)定，變更頻繁，工期緊、任務重，是京張高鐵的控制性工程。

2 BIM實施內(nèi)容

2.1 編制BIM實施大綱及BIM標準

工程開工伊始，現(xiàn)場項目部就成立BIM應用實施小組，保障清河站BIM及信息化應用目標的實現(xiàn)。在BIM實施小組的推進下，編制清河站BIM應用實施大綱，并參照鐵路BIM聯(lián)盟相關BIM標準，制定清河站站房項目信息化及BIM應用流程，建立各專業(yè)族庫模型，開展BIM施工管理應用[13-14]。

2.2 建立站房工程實體結(jié)構(gòu)分解

結(jié)合建筑標準、鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的EBS等標準，采用系統(tǒng)分析方法，對工程結(jié)構(gòu)的分解重新進行優(yōu)化，根據(jù)施工方案添加分區(qū)、流水段等作業(yè)信息，結(jié)合高鐵站房工程特點補充形成高鐵站房工程信息模型分類及編碼標準，實現(xiàn)了建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、機電、給排水、橋梁、電扶梯等專業(yè)的工程實體分解，并在清河站驗證分類及編碼標準，初步形成一套適合高鐵站房的工程實體分解、分類編碼標準[15]。

2.3 建立BIM模型

根據(jù)清河站BIM應用場景，制定了BIM建模的標準，分別建立了站房主體、鋼結(jié)構(gòu)、機電專業(yè)和幕墻BIM模型，并對各專業(yè)構(gòu)件附加相關編碼，將圖紙中存在的問題和施工期間可能遇的難題，以虛擬施工的方式提前可視化預演和預判，提高每道施工工序施工質(zhì)量，完成裝飾裝修的深化設計，同時要求細部處理做到美觀、實用。

(1)建立清河站結(jié)構(gòu)模型(圖2)，能夠直觀立體的體現(xiàn)該工程結(jié)構(gòu)的設計情況，提取了結(jié)構(gòu)工程量，更快、更準地找到結(jié)構(gòu)沖突，如上下柱不對應、降板不正確、樓梯設計缺項等問題。

圖2 清河站主體結(jié)構(gòu)BIM模型

(2)鋼結(jié)構(gòu)施工從深化詳圖就開展BIM應用，由于設計院的藍圖無法直接指導鋼結(jié)構(gòu)加工制作和現(xiàn)場安裝，需要在專業(yè)的詳圖深化軟件中建模，深化出構(gòu)件詳圖和構(gòu)件布置圖，用于指導加工和場定位拼裝。因此，采用TEKLA軟件對鋼結(jié)構(gòu)進行全方位的深化設計工作(圖3)，將深化設計的鋼結(jié)構(gòu)零件、節(jié)點精細化切分，形成鋼架構(gòu)加工清單，交由工廠加工。構(gòu)件加工制作完成后對其進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)輸入電腦軟件中生成構(gòu)件的實體二維碼，在實體模型基礎上進行虛擬預拼裝，優(yōu)化拼裝方案。

圖3 清河站鋼結(jié)構(gòu)深化模型

(3)建立機電專業(yè)BIM模型(圖4)，通過在三維模型中調(diào)整管線的三維空間位置，預留出施工和檢修空間，形成可指導施工的管綜模型，提前發(fā)現(xiàn)并解決機電施工中可能發(fā)生的錯漏碰缺，提高機電安裝準確度和施工效率。

圖4 清河站機電管線深化模型

(4)通過建立幕墻專業(yè)模型(圖5)，直觀反映設計意圖，展示建筑外立面效果，同時可便捷展示設計施工方案，統(tǒng)計材料用量。

圖5 清河站幕墻專業(yè)模型

2.4 開展BIM施工應用

2.4.1 場地布置優(yōu)化

根據(jù)清河站工程特點，利用BIM技術主要開展基坑工程及綜合辦公區(qū)的場地布置優(yōu)化方案(圖6)，其中，基坑工程面積為37 000 m2?；又ёo形式復雜，為懸臂樁+卸壓放坡、懸臂樁+斜鋼支撐、懸臂樁+混凝土角撐等不同高程，不同形式的復雜組合，采用BIM技術建立基坑階段的支護模型，所有支護形式一目了然，在方案論證和研討中效果顯著。

圖6 基坑場布優(yōu)化模型

為了優(yōu)化辦公區(qū)布局方案，合理規(guī)劃和利用有限的辦公區(qū)域(圖7)，1∶1建立了綜合辦公區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)加工區(qū)、材料倉庫、現(xiàn)場材料堆放場地、現(xiàn)場道路、垂直運輸機械等模型，直觀反映施工現(xiàn)場情況，減少施工用地的浪費，保證現(xiàn)場運輸?shù)缆窌惩?，方便施工人員的管理，有效避免二次搬運及事故的發(fā)生。

圖7 辦公區(qū)場布模型

2.4.2 基于BIM的圖紙會審

基于BIM技術的圖紙會審系統(tǒng)，能夠讓施工技術人員利用BIM模型，快速準確地發(fā)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)圖紙中墻梁錯位的部位，能夠及時糾正，避免施工時返工現(xiàn)象的出現(xiàn)，節(jié)約工期及成本。同時，基于原廠軟件二次開發(fā)審圖插件，實現(xiàn)了BIM模型拼裝后自動檢查識別墻梁偏心問題并形成文本顯示，為圖紙會審形成指導性意見。在本項目中利用BIM模型累計發(fā)現(xiàn)問題200余條，如圖8所示。

圖8 基于BIM的圖紙會審

2.4.3 管線綜合優(yōu)化

在已經(jīng)完成的二維圖紙的基礎上，深化站房三維管線模型，不僅可以完整解決設備管線之間、管線與結(jié)構(gòu)專業(yè)的碰撞，為后期施工工作提供保證，而且建立的設備管線信息模型為后期運營維護提供技術支持。應用BIM技術開展管線綜合，主要完成了以下優(yōu)化內(nèi)容。

(1)優(yōu)化管線凈高。利用BIM模型對不同區(qū)域凈高進行綜合排查，找出凈高不利點，及時調(diào)整管線路由路徑[16]。地下一層換乘空間設計管線最低點為4.2 m，無法滿足吊頂高程要求。經(jīng)過BIM優(yōu)化調(diào)整后，采用增加桁架結(jié)構(gòu)將機電管線放置于桁架內(nèi)，整體空間提升800 mm，增加了空間利用率，滿足設計要求，最終利用BIM輸出施工圖提交設計進行審核后用于指導現(xiàn)場施工，見圖9。

圖9 管線凈高計算與分析

(2)優(yōu)化管線排布。二維CAD圖紙上管線往往表現(xiàn)為線條和符號，無法真實的表現(xiàn)管徑、管壁、閥門等真實尺寸，三維BIM模型的優(yōu)勢是能夠多專業(yè)集成形象展示，真實全面觀察管線排布，為管線優(yōu)化提供切實可行的工具。地下一層B區(qū)風道夾層下管線密集，通過模型優(yōu)化管線排布，并出具圖紙指導現(xiàn)場施工，避免各專業(yè)現(xiàn)場安裝發(fā)生碰撞；如圖10展示管線密集區(qū)深化模型和實際施工的效果對比，方便檢查驗收。

圖10 優(yōu)化后的BIM模型和現(xiàn)場安裝的實景對比

(3)優(yōu)化孔洞預留。利用管線模型和結(jié)構(gòu)模型的組合，可直觀求解出所需預留的孔洞，復核孔洞的合理性。通過BIM技術將機電管線預留洞預先進行排版，利用二次開發(fā)的出圖功能，直接輸出CAD施工圖紙(圖11)，BIM軟件直接出具CAD圖紙。

圖11 BIM軟件出具孔洞預留的CAD圖紙

(4)形成可視化交底方案。利用BIM技術具有的三維可視化和動態(tài)模擬功能，進行圖紙會審，并將主要工藝做法以模型和視頻形式集成于平臺中，輔助管理人員進行可視化交底，并對前期施工情況進行反饋，形成實際施工工藝、樣板內(nèi)容庫，提高工程施工質(zhì)量和精度。

(5)優(yōu)化清河站老站房平移方案。通過超聲波掃描及人挖探溝等多種形式尋找出清河站老站地下遺留的管線排布與走向，制作站房三維模型和管線BIM模型，對站房遷移施工方案進行施工碰撞檢測及影響分析，優(yōu)化平移方案的每一個細節(jié)，避免意外事故發(fā)生，達到保護歷史遺跡的目的。

2.4.4 基于BIM的裝修及幕墻深化

清河站裝修裝飾BIM模型進行深化應用主要包括碰撞檢查、渲染漫游和生成相應材料明細表等深化應用。通過清河站BIM模型進行室內(nèi)墻面、地面、吊頂、隔斷等裝修材料選樣，將圖紙問題解決在BIM模型中，切實提高了深化效率，節(jié)省了工期和成本。同時，利用BIM裝飾模型，對站房所需的裝飾材料進行更加明確的梳理，結(jié)合Navisworks等軟件提供的進度模擬及工程量預算報表，提前做好材料采購，減少因各專業(yè)之間施工沖突而導致的材料浪費、工期延誤等問題，為日后運維階段的維修提供詳細的節(jié)點說明，便于維修。生成材料明細清單如圖12所示。

圖12 利用BIM模型生成材料明細

2.4.5 模板設計優(yōu)化

墩身及上部蓋梁模板設計采用BIM技術進行模板放樣配置，細化墩身、蓋梁曲線設計，確認曲線半徑、交點位置等曲線要素。通過模板陰陽角處理、模板板面拼縫錯臺的控制、對拉螺栓設計、模板預拼裝及打磨除銹、支撐架體預壓、保護層墊塊、混凝土工作性能控制等細節(jié)措施，圖13為模板總裝的BIM模型。

圖13 模板總裝BIM模型

2.4.6 基于VR的安全教育

針對清河站工期緊、人員入場相對集中、數(shù)量大的實際情況，項目部特地在生活區(qū)建立集中式教育基地，項目部通過各種信息化手段，對勞務人員實行準入式管理，形成清河特色“一站式”安全教育培訓模式。通過將BIM模型導入VR引擎中，利用VR設備的視覺沉浸感功能，對工程人員進行安全技術教育、施工方案沉浸體驗，提高施工人員的安全防范意識和安全技能。

2.5 基于BIM的客站建設管理平臺

通過BIM+GIS技術搭建清河站智能建造一體化平臺，改善目前建設單位項目管理工作界面復雜、項目參與方信息不對稱、建設進度管控困難等一系列問題，為建設單位多方位、多角度、多層次的項目管理提供平臺和手段，提高建設管理水平?；贐IM的建設管理平臺主要包括領導駕駛艙、設計成果管理、技術管理、進度管理、安全管理、質(zhì)量管理和系統(tǒng)設置等功能[17-18]。

(1)通過建立領導駕駛艙，充分發(fā)掘站房應用點，實時、全面、準確服務于現(xiàn)場作業(yè)與管理。管理人員可以通過領導駕駛艙對施工作業(yè)進度、安全質(zhì)量問題、環(huán)保等問題進行一站式管理。通過實景沙盤、三維GIS電子沙盤及VR等技術實現(xiàn)虛實結(jié)合和交互體驗，使管理者能夠進行站房工程重難點展示論證，動態(tài)關注工程總體進度、質(zhì)量、安全等情況。

(2)技術管理模塊通過創(chuàng)建BIM應用成果管理系統(tǒng)，基于工程實體分解目錄結(jié)構(gòu)樹，實現(xiàn)對視頻、模型、文檔的有序管理，為現(xiàn)場作業(yè)提供快捷有效指導，主要包括對虛擬樣板間、BIM放線、模型構(gòu)件庫、模擬建造、BIM圖紙會審資料、工廠化加工、碰撞檢查等深化成果的信息化管理和共享，指導現(xiàn)場作業(yè)人員。

(3)進度管理模塊利用BIM技術、無人機航拍技術、手機APP技術等，研發(fā)站房BIM管理系統(tǒng)、電子施工日志、站房施組、進度簡報、項目動態(tài)、無人機航拍錄像等功能模塊，以BIM模型為載體，全方位地掌握清河站施工作業(yè)進度信息，并通過手機APP實時采集上傳進度數(shù)據(jù)，三維可視化驅(qū)動BIM模型，實現(xiàn)基于BIM模型的形象展示和監(jiān)督管理，如圖14基于BIM技術展示工程進度。

圖14 基于BIM的建設管理平臺(進度管理模塊)

(4)安全管理模塊集成基坑監(jiān)測系統(tǒng)、塔吊防碰撞系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，實現(xiàn)對安全的全面監(jiān)控。其中基坑監(jiān)測系統(tǒng)通過創(chuàng)建基坑BIM模型，搭建協(xié)同管理平臺，融合地表沉降、樁頂豎向位移、樁頂水平位移、錨索拉力和建筑物沉降等多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于BIM模型的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和預警管控，達到“風險感知與預報警同步、風險形象展現(xiàn)與管控統(tǒng)一”的目標。塔吊防碰撞系統(tǒng)主要利用BIM+RFID進行群塔作業(yè)防碰撞，主要包括高度感應器、風速感應器、幅度感應器和角度感應器等設備。利用三維建模查看塔機和擬建建筑物之間、塔機與塔機之間、塔機與材料堆場之間的位置關系，通過動態(tài)模擬，實現(xiàn)三維空間中塔機布置的合理性，降低整個群塔作業(yè)的安全風險。視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于BIM技術對施工現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭虛擬布置，并將每個攝像頭記錄的實時情況與BIM模型關聯(lián)，實現(xiàn)現(xiàn)場視頻可視化動態(tài)監(jiān)控，通過本地語音喊話警示和遠程無線視頻監(jiān)測功能，保障工人的人身安全。

(5)質(zhì)量管理模塊集成檢驗批系統(tǒng)、質(zhì)量追溯系統(tǒng)等，實現(xiàn)對質(zhì)量風險的全面監(jiān)控。其中質(zhì)量追溯系統(tǒng)主要通過手機端APP采集每個施工部位的施工過程信息，包括施工部位、設計強度、澆筑時間、施工人員、質(zhì)檢人員、監(jiān)理人員、記錄相關表格，包括樓層實測實量、通用模板、物資進場記錄、現(xiàn)場照片等，并自動生成二維碼，上傳時自動與BIM模型關聯(lián)，跟蹤施工對象在其生命周期中流轉(zhuǎn)運動的全過程，實現(xiàn)高效、準確、可靠的質(zhì)量管理。

3 實施效果

結(jié)合清河站工程特點，形成清河站BIM施工應用的具體方案，建立了站房主體模型、鋼結(jié)構(gòu)模型、幕墻模型、管線綜合模型、場地布置模型，提前解決圖紙問題325項；分別從站房工程實體結(jié)構(gòu)分解、鋼結(jié)構(gòu)施工、裝飾裝修方案深化、基于BIM的圖紙會審、管線綜合、深基坑監(jiān)測及三維電子施工日志等關鍵技術進行研究和突破，建立了清河站BIM應用管理平臺，開展施工模擬和虛擬建造，提高了施工效率，節(jié)省返工時間超過80 d，提高鋼結(jié)構(gòu)吊裝及拼裝效率25%，效果顯著。同時，綜合利用實景沙盤、三維GIS電子沙盤及VR虛擬現(xiàn)實等先進技術，建立領導駕駛艙等管理平臺，匯總統(tǒng)計進度、安全、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，通過各類圖表為管理層提供“一站式”決策服務，實現(xiàn)對清河站的綜合管控。有效提高了管理效率，讓管理有的放矢，促進鐵路建設從“經(jīng)驗管理”向基于數(shù)據(jù)的“科學管理”轉(zhuǎn)變，最終形成一套具有普適性的研究成果，為其他高鐵站房的BIM應用提供借鑒[19-20]。

4 結(jié)語

通過分析國內(nèi)外客站BIM應用和標準研究情況，結(jié)合清河站工程特點，開展了BIM技術的應用實踐，取得了以下成果。

(1)結(jié)合建筑標準和鐵路BIM聯(lián)盟相關技術標準，編制了清河站BIM實施大綱，制定了建模標準和編碼規(guī)范，為BIM建模和施工應用奠定了基礎。

(2)根據(jù)BIM工程化應用的場景，建立了清河站辦公區(qū)域、主體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、機電管線等專業(yè)BIM模型，優(yōu)化設計、指導施工。

(3)利用場布模型開展場地優(yōu)化布置，優(yōu)化基坑支護方案；利用“BIM模型+二次開發(fā)插件”開展圖紙會審，取得較好效果；在管線優(yōu)化方面，優(yōu)化乘客換乘空間管線凈高，最大限度節(jié)約空間利用，優(yōu)化管線密集區(qū)域的管線排布，指導施工，方便后期檢修運維；通過管線模型與結(jié)構(gòu)模型的組裝，優(yōu)化孔洞預留，并直接生成二維圖紙；利用超聲波等手段探明老站房地下遺留管線，形成完整全面的BIM模型，優(yōu)化站房平移方案；優(yōu)化了模型設計，開展了基于VR的安全教育應用，在裝飾裝修方面利用BIM模型生成材料清單，優(yōu)化材料采購。

(4)建立了基于BIM的客站建設管理平臺，實現(xiàn)了BIM成果管理，實時動態(tài)掌握現(xiàn)場進度、質(zhì)量、安全等情況，有效提高管理能力。

(5)未來在站房BIM應用上需進一步深化站房景觀設計、站房能耗管理、裝配式機房、站房運維管理方面的研究，進一步深化BIM技術在站房全壽命周期管理方面的應用。