BIM技術在銀川火車站工程中的應用

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、空間鋼桁架等體現新時期鐵路站房設計的新思想。站房內除了寬敞明亮的環境,還會有極具伊斯蘭風格的尖璇,為區內外旅客展現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代化水平,方便旅客出行,對銀川市加快建設區域鐵路樞紐和區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。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方式。隨著基于 BIM的可視化技術的出現,空間造型設計和施工方案規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具有很大的難度,而且對于之后施工方案的規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系統,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,同時也可以發現實際施工中存在的問題或可能出現的問題,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.土木工程中虛擬現實技術的發展與展望.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實表現(第二屆工程建設計算機應用創新論壇),2009-9-24.