京張高鐵八達嶺地下車站BIM設計應用

趙 琳 張 軒 陳鵬飛 楊啟凡

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 項目背景

新建京張高鐵地處北京市西北和河北省北部，是連接北京市和張家口市的高速鐵路，設計速度為250～350 km/h，同時也是2022年北京冬季奧運會的配套基礎設施之一。八達嶺長城站是目前國內埋深及提升高度最大的高速鐵路地下站。車站層次多、洞室數量大、洞型復雜、交叉節點密集；車站兩端渡線段單洞開挖跨度達32.7 m，是目前國內單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道。八達嶺長城站采用了諸多創新設計：采用疊層進出站通道形式，實現了進出站客流完全分離且進出站口均勻布置；首次采用環形救援廊道設計，使其具備了緊急情況下快速無死角救援的條件；采用一次提升長大扶梯及斜行電梯等先進設備，極大地方便了旅客出行；采用精準微損傷控制爆破等先進技術，消除了對文物和環境的不利影響。體現了“古老傳統的歷史長城，包容創新的人文京張”的核心設計理念，達到了“安全、流暢、明確、便捷、關懷、舒適、美觀、文明”的設計目標[1-2]。

為了提高設計效率，本項目采用了BIM協同設計。

2 工程概況

八達嶺長城站(見圖1)為新建北京至張家口鐵路的中間站，位于北京市延慶縣境內八達嶺滾天溝停車場下新八達嶺隧道內。車站中心里程為DK68+050，到發線有效長650 m，車站有效站臺長450 m，車站總長470 m，地下建筑面積約為4.1×104m2。

3 平臺軟件的選擇

目前，市面上主要的軟件平臺有Autodesk、Bentley、Dassault。其中，Autodesk平臺下的Revit主要應用于工民建領域，優點是建筑構件庫較多，相關二次開發內容也比較完善，學習資料也較多，缺點是對于鐵路工程這種長大帶狀工程的支持較差，并且對于三維曲線元素的支持不足。Bentley平臺的優點是對于大體量工程支持比較好，并且支持三維曲線元素，缺點是資料較少，二次開發成果較少，二次開發難度大。Dassault平臺的優勢在于建模能力、參數化及三維仿真能力，缺點主要為缺少鐵路行業相關配套軟件支持，且對大體量模型處理效率低。綜合各方面分析，選擇Bentley軟件作為BIM平臺。協同設計軟件如表1[3]。

圖1 八達嶺長城站效果

表1 BIM應用軟件

4 BIM協同平臺建設

通過Bentley的協同工作管理平臺ProjectWise，對各專業進行實體工程劃分，形成適合信息化管理的單元，配置相關設計人員，設置不同的管理權限。項目內各專業人員同步進行設計，實現模型的實時更新，確保設計工作合理、有序、高效[4]。

4.1 協同平臺工作環境建立

(1)在ProjectWise上建立項目所需的模板庫、族庫、資源及標準配置。

(2)建立項目結構樹，按規范命名并建立關鍵文檔，基于《鐵路工程實體結構分解指南》，對項目模型進行分解及裝配。

(3)建立項目組成員，并按角色設定相應的權限。

4.2 工作流程管理

(1)制定設計階段和施工階段的BIM實施流程。

(2)設定平臺工作流程(如圖2所示)。

圖2 協同平臺工作流程示意

4.3 協同設計

(1)各專業之間資料互用、共用。

(2)BIM設計中各專業的關聯引用與變更。

(3)各專業模型的組裝及層次關系管理。

4.4 模型及文件管理

(1)各專業模型及總裝模型的查看。

(2)模型及構件屬性的查看。

(3)文件查看、查找及版本歷史管理。

4.5 族庫的建立

在建模過程中逐步建立各專業的族庫。

5 BIM模型建立

5.1 建模精度

按照《鐵路工程信息模型交付精度標準》的規定與要求，采用鐵路工程信息模型LOD3.0級精度進行模型設計。單元實體幾何精度等級的劃分應符合《鐵路工程信息模型表達標準》中模型等級的相關要求(見表2)。

模型單元屬性的信息深度應符合表3的要求。屬性信息包括幾何信息和非幾何信息：幾何信息包含構件長度，體積等信息；非幾何信息宜根據實際應用需求進行分解，部分數據可采用非結構化方式存儲，并附加到鐵路工程信息模型中(如環境評價、經濟參數等)。

表2 幾何精度等級

表3 信息深度等級

如模型以輕量化方式進行項目建設管理，允許模型單元以低幾何精度和高信息深度存在。

5.2 建模工作

項目各專業可以具有不同的技術實施路線，但所有專業BIM模型的建模坐標應與實際工程坐標保持一致，如采用軸網坐標系建模時，應提供軸網坐標系與實際工程坐標的轉換關系信息。模型單元應以模型中心點或者特征點為原點，可基于工程坐標實現在協同平臺的整體拼裝。

(1) 隧道專業

首先將單個隧道拆分為多個工點，建立隧道專業單元庫及模型，并組裝全隧道模型。

隧道工點的拆分：依據設計工區的劃分，從模型規模及計算機承載能力的角度出發，將長度及復雜程度較大的模型分解為長度較小的模型，形成較小的工點。單元庫包含隧道斷面、輔助措施、初期支護、特殊構件。依據設計圖紙，利用單元庫形成各工點模型，最后形成全隧道模型。

①洞身模型

使用PowerCivil，建立正線線路、斜井線路的三維曲線模型。

將線路三維空間模型參考進隧道模型文件，從單元庫中選定參數化斷面，使用二次開發工具，利用參數化驅動形成斷面并沿線路敷設，最終生成隧道洞身模型(如圖3、圖4所示)。通過BIM建模，可以精細化描述隧道支護措施間的相互關系。

圖3 完整隧道洞身模型

圖4 隧道剖切模型

以八達嶺長城站結構斷面底板頂中線為基準點，先在模型上繪制出結構中線線位，將車站斷面沿中線拉伸形成車站結構，然后使用替換面，對結構連接處進行擬合，并進行開洞操作，以形成地下車站模型(如圖5、圖6所示)。

圖5 八達嶺長城站結構模型

圖6 八達嶺長城站長大扶梯模型

②大跨段模型

在隧道設計中，提出了關于剛柔并濟、多重防護的圍巖自承載體系理論。該理論改變了基于塌落拱理論的結構荷載，從而可實現設計使用超越100年的目標。通過BIM，形象直觀地展示了支護體系的構成及相互關系，驗證了支護理論的完備性(如圖7所示)。

圖7 八達嶺隧道大胯段4.0級模型

③洞門模型

由于八達嶺隧道采用特殊洞門結構，故未將洞門列入族庫，而是直接使用bentley的實體建立和編輯工具，建立特殊洞門結構模型(如圖8所示)。

圖8 八達嶺隧道出口洞門

④模型屬性附加

作為BIM模型中的重要一環，信息對于BIM模型的使用起著決定性的作用，除了模型本身體現出的幾何信息外，還有一部分非幾何信息需要手動附加到模型上(如圖9所示)[5]。

圖9 明洞拱墻襯砌附加屬性

(2)建筑專業

因當前裝修方案還未穩定，車站建筑專業現階段工作為車站軸線定位及內隔墻建立。八達嶺長城站洞室布置和排水坡度復雜，建筑專業需對各部分隧道接口處軸線進行準確定位，以便于隧道專業進行多洞室模型拼裝。

①軸網建立：參照隧道專業，建立八達嶺長城站建筑軸網。充分利用MicroStation軟件的功能，將隧道專業模型及dwg圖紙參考進模型，結合樓層管理器功能控制高程，保證樓板空間位置的準確性。繪制時，可同時打開平面、立面和軸側面三個視窗，隨時檢查空間位置的準確性(如圖10所示)。

②模型建立：參照隧道專業，根據軸網定位及設計圖紙，采用ABD(AECOsim Building Designer)進行車站內隔墻及樓梯建模。

圖10 車站軸線定位及隔墻模型建立

③管線綜合：配合環控專業，協調各系統(專業)的管線布置，合理利用管線布置的有限空間，避免施工過程中各專業管線“打架”。

④附加信息：對地下建筑專業BIM模型中隔墻的非幾何屬性和IFD編碼進行添加。

(3) 環控通風專業

建模內容包括出站層通風系統、進站層通風系統、設備區通風系統以及設備區空調系統。八達嶺隧道建模內容還包括隧道通風系統。

①構件庫建立：根據專業系統架構并結合工程的實際需要，建立本專業的構件庫(如圖11所示)。

②構件組裝：根據站前及建筑專業提供的模型，按照圖紙設計方案進行布放和組裝(如圖12所示)。

③附加信息：對專業BIM模型中每一個構件的非幾何屬性和IFD編碼進行添加。

④模型優化：利用設備廠家提供的中標設備構件模型，優化專業總裝的BIM模型。

5.3 模型碰撞檢查

(1)單專業模型檢查

①文件名、文件編碼檢查：按照《文件命名及編碼規則》，檢查本地文件名和編碼是否符合規則要求。

②無用構件檢查：分別在平面、三維等主要視圖中確定文件是否有遠離設計內容的無用構件；如發現此類構件，必須及時清除。

③坐標檢查：對將要上傳(檢入)的文件與主文件進行坐標一致性檢查。

名稱圖示附非幾何屬性軸流風機風機類型、是否變頻、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速、額定風量、風機全壓、噪聲、質量、生產廠家、設備型號各類風閥公稱直徑、公稱壓力、防火等級、閥門類型、連續方式、傳動方式、閥體材質、質量、生產廠家、設備型號多聯機室內機是否變頻、額定風量、額定功率、額定容量、工作壓力、水量、噪聲、重量、生產廠家、設備型號多聯機室外機是否變頻、額定風量、額定功率、額定容量、工作壓力、水量、噪聲、質量、生產廠家、設備型號機房專用空調室內機匹數、是否變頻、額定容量、額定功率、風扇風量、冷媒、質量、生產廠家、設備型號

圖11 環控通風專業構建庫

圖12 車站設備區環控通風BIM模型

④構造線隱藏：應在視圖控制中關閉 “構造”內容。

⑤重疊模型檢查：在三維視圖和光滑模式下旋轉模型，檢查是否有閃爍的部分，即常說的“破面”情況。如發現此類情況，需將多余模型刪除或對模型進行修改。

⑥材質檢查：在能夠顯示材質紋理的視圖中檢查材質是否有缺失和錯誤現象。

⑦文件內容報備：如果是上傳文件，將文件名與文件內容提交專業負責人進行報備。

⑧IFD編碼檢查：對所有構件進行IFD編碼檢查。

(2)多專業碰撞檢查

對碰撞點進行分析，排除合理碰撞，在施工前解決問題，減少因碰撞發生的設計變更與廢棄工程(如圖13所示)。

圖13 多專業碰撞檢測示意

5.4 模型展示

使用LumenRT對模型進行渲染，創建關鍵視角，形成整體的漫游動畫，可進行隧道、車站內部模型的漫游展示(如圖14、圖15所示)。

圖14 車站內部模型漫游

圖15 環形救援廊道救援路線展示

5.5 變更設計

在八達嶺隧道施工過程中，出現了站臺板寬度變更設計的情況。根據工程的實際情況，對原BIM模型進行了修改(如圖16所示)，為下一階段的使用者提供了真實的模型文件[6]。

圖16 站臺板變更設計模型

6 IFC/IFD標準驗證

6.1 驗證鐵路IFC標準

對隧道工程進行工程分解，創建基于鐵路1.0標準的隧道構件庫，完成現階段《鐵路工程信息模型數據存儲標準》的驗證工作。

(1)隧道工程分類

根據《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(1.0版)和《鐵路工程信息模型交付精度標準》的要求，以隧道正洞為例，將隧道進行分解，其中隧道構件(IfcTunnelElement)組成中包含系統錨桿(IfcSystem AncherBolt)、系統鋼架(IfcSystemSteelFrame)、初支噴混(IfcPrimarySupportShotcrete)、襯砌結構(IfcTunnel LiningStructure)、仰拱填充(IfcTunnelInvertFilling)、超前支護(IfcTunnelAdvanceSupport)。

(2)屬性信息

將鐵路IFC中定義的屬性集作為屬性信息添加到模型中，實現模型和信息的綁定(見圖17)。

圖17 模型上附加屬性信息

6.2 驗證鐵路IFD標準(以隧道專業為例)

“隧道基本信息”中，幾何信息基本都包含在模型自帶屬性中(bentley軟件)，個別幾何信息需要間接量取，如小導管的間距等，若用表格表示，則失去三維模型直觀的特點。此信息在二維圖紙中表示更加直觀、準確。建議在模型交付標準中，探討三維模型結合二維圖紙的可行性。

“隧道基本信息”中，個別構件劃分不夠準確。如型鋼鋼架包含多個單元，在施工中鋼架制作也以鋼架單元為最小單位。建議對鋼架單元進行單獨編碼。

“隧道基本信息”中，只列出了個別隧道常見構件的IFD編碼。為保證構件IFD編碼的唯一性及完備性，應探討一種可實時申請IFD編碼的方式，比如通過網絡進行申請，并提供IFD信息的實時更新。

“隧道基本信息”中，缺少斜井相關要求。

7 隧道正向設計探索

目前，還很難做到完全意義上的BIM正向設計。應用BIM進行正向設計的目標是能夠直接在三維環境下進行設計，即模塊化參數設計、方案優化、圖紙與模型相互關聯以及同步優化等。本項目隧道專業基于BIM技術的正向設計步驟如下。

(1)在Microstation中繪制出標準斷面，根據斷面的設計原則建立斷面內部構件間的二維約束，在約束關系中設定“變量”、“變化”，使斷面形成參數化模型(如圖18所示)。

圖18 構建斷面參數化模型

(2)根據適用的圍巖等級，通過參數調整，直接形成不同圍巖等級的斷面形式(如圖19所示)。

圖19 建立不同圍巖等級下的隧道

(3)根據地質模型確定的圍巖等級設定隧道襯砌里程，通過修改變量L(襯砌長度變量)與襯砌斷面類型形成隧道模型(如圖20所示)。

圖20 生成隧道模型

在正向設計的研究過程中，同樣發現了許多問題需要解決：①使用參數化模型建立隧道時，如遇到與輔助洞室連接，則需要對正洞模型進行開洞(將參數化單元轉換為實體模型)，但失去了通過參數調整控制模型的條件。②在修改襯砌長度變量時，目前還不能選取一段三維曲線模型進行敷設，故在曲線地段時這種方法無法使用。③襯砌斷面的選取還不能和地質模型相結合，在之后的研究中可嘗試通過二次開發，使襯砌斷面能自動接收地質模型的信息，從而自動調整為適合該地段的斷面[7-8]。

8 結論

從三維協同設計入手，逐步在協同平臺上實現以階段性結果為導向的模型文件狀態流轉；在上下序專業的模型內部實現深層次的信息傳遞和數據交換。通過加強二次開發力度，提高建模的自動化程度，實現參數化設計。促使設計從二維向三維轉變，由粗放向精細轉型，提升了傳統設計的精細度，實現了設計成果的方案優化[9-11]。