黔張常鐵路張家界西站BIM應用

譚勇峰 李小聰 王 林 楊 韜 孫 勇 余相懿

(中國建筑第五工程局有限公司,長沙 410000)

引言

本工程為公司第一個正式以BIM技術指導施工的高鐵站房項目，在推廣BIM技術在施工項目的應用上有著指導性的意義，本文主要講述了折線形屋蓋鋼網架深化及提升、內外裝深化、管線碰撞及凈高檢查等BIM技術實際應用。

1 工程概況

1.1 項目簡介

張家界西站位于湖南省湘張家界市永定區沙堤鄉，為黔張常鐵路與張吉懷鐵路交匯車站，是兩條鐵路線上最大的客運站房，車站設計為線側平式(如圖1所示)。

站房總建筑面積35 215m2，面寬208m，進深50m，高度31.14m。地下一層，地上兩層，局部四層。站房采用框架結構，屋蓋為焊接球鋼網架，外立面采用玻璃幕墻，屋面為鋁鎂錳金屬板。站場共設置7站臺17線，其中黔張常場設置4站臺10線，張吉懷場3站臺7線。站場設進站天橋、無站臺柱雨棚、旅客地道、行包通道等跨線構筑物，候車站臺風雨棚采用折線形鋼筋混凝土雨棚。

圖1 項目整體

1.2 項目重難點分析

張家界西站作為沿線第一大高鐵站房，業主對項目高度重視，公司將張家界西站定位為“精品站房，魯班獎工程”；項目綜合性強，外部配合協調要求高，且施工場地狹小，與站前單位、線下單位、四電單位交叉施工，施工難度大；專業分包多，包含機電安裝、幕墻、裝飾裝修、鋼結構、金屬屋面、靜態標識等單位[1]；管線分布復雜，可排布空間及標高有限，必須進行深化以滿足凈高要求。

2 BIM技術應用

2.1 鋼結構深化

本工程鋼結構主要包含站房、進站天橋、無站臺柱風雨棚和落客平臺四部分，鋼結構用量約7 500t。其中站房屋蓋鋼網架為正交正放四角錐焊接球網架[2]，網架整體呈折線型分布，空間高差達10.5m(如圖2所示)，項目對于網架部分采用錯層提升方法。

圖2 總體鋼結構概況

鋼結構施工前，根據設計院圖紙，通過軟件進行復雜節點深化設計，自動生成用于施工的構件圖、材料清單等，軟件的智能化可為鋼構件加工設備提供自動識別的文件，實現工廠預制化、自動化加工生產。

通過創建鋼結構模型，深化鋼梁與混凝土結構柱連接、鋼桁架與鋼柱連接等多種鋼節點，提前發現圖紙可能存在的錯誤以及優化原設計，避免現場安裝沖突及與結構沖突問題，避免或減少返工情況發生(如圖3所示)。

圖3 鋼節點深化

在鋼構件生產完成后，在每個構件上粘貼二維碼，在運輸過程中實時跟蹤。通過系統可直觀地看出干鋼構件的編號、件號、數量、類型、長度和重量等。從發運、運輸、驗收、拼裝完成都會進行二維碼掃描，及時更新并錄入信息(如圖4所示)。

圖4 鋼構件二維碼

2.2 鋼網架提升驗算

根據深化施工圖建立三維CAD線性模型，將線性模型導入結構分析軟件，用非線性階段施工分析對提升過程進行驗算，得出結構撓度和最大應力比滿足要求，根據反力進行提升器型號的選擇。同時對提升結構、提升支撐結構、牛腿、埋件、提升節點、柱受力、網架桿件、臨時桿件和臨時球進行初次提升及二次提升驗算(如圖5所示)，根據驗算結果編制鋼網架安全施工專項方案，指導現場鋼網架提升[3]。

(a)提升驗算模型

(b)提升吊點反力

(c)結構豎向位移云圖

(d)豎向位移統計表

(e)應力比云圖

(f)應力比統計圖5 鋼網架提升驗算

本工程中網架結構采用超大型構件液壓同步提升施工技術進行安裝，主要使用的關鍵技術與設備為：超大型構件液壓同步提升施工技術[4]、TJJ-2000型液壓穿心千斤頂、TJV-30型型液壓泵源系統、YT-1型計算機同步控制及傳感檢測系統。

為確保網架提升單元及主體結構提升過程的平穩、安全，根據網架的特性，擬采用“吊點油壓均衡，結構姿態調整，位移同步控制，分級卸載就位”的同步提升和卸載落位控制策略。整體流程包括：同步吊點設置、液壓裝置系統調試及檢查、提升分級加載、結構離地檢查、姿態檢測調整、整體同步提升、提升過程的微調、提升就位、卸載。

圖6 計算機同步提升控制界面

提升過程中，未發現受力不合理處，無桿件變形及破壞。提升至二次提升位置(通過模型提取位置坐標)，提升器的機械和液壓自鎖裝置進行自鎖固定[5]。補桿后，進行二次提升，提升效果如圖7所示。

圖7 網架提升效果

2.3 內外裝深化

項目在內、外裝優化設計時，對“奇峰疊翠、廊橋百里”設計理念進行擴展，充分提煉張家界奇山異景、土家族民族文化的屬地化元素，將湘西土家族西蘭卡普織錦、天門山等圖案引入，著意體現“千丈絕壁掛金松，萬尺深澗鎖玉龍”山巒起伏的磅礴外觀，以及“久居繁華里，偷閑入山家”山間吊腳樓的室內空間。

在室外裝修細部節點上，利用BIM技術的三維可視化對衛生間、走廊等區域內的潔具、墻地磚等進行裝修排布，優化精裝修圖紙，綜合考慮結構墻、安裝管線、飾面磚等的位置、尺寸關系。通過建立三維BIM模型及實測實量進行前期策劃，準確定位設備及塊材施工，確保了衛生間及走廊內等裝飾裝修的精細化(如圖8所示)。

圖8 衛生間BIM模型

在大面積室內裝修上，候車廳屋頂采用木紋鋁板桁架、燈槽及橫梁共同構建土家族吊腳樓屋頂，將整個候車廳打造成具有土家族名族特色的吊腳樓空間，給旅客賓至如歸的感覺。售票廳吊頂白色鋁板錯拼與鋁方通相間，錯拼鋁板采用山巒式不規則化處理，增加吊頂的靈動，減輕旅客的心理承重感(如圖9、圖10所示)。

圖9 售票廳效果圖

圖10 候車廳效果圖

在外立面優化上，項目從張家界建筑特色化及土家族民族化角度出發，結合土家族西蘭卡普織錦圖案以及吊腳樓建筑外觀，與廣場相接的柱頭增加張家界土司城九重樓上白龍吐水造型，門斗柱身優化成土家族吊腳樓八角柱的形式，柱腳增加實心柱墩，寓意迎接四方友人(如圖11所示)。同時對檐口鋁板分縫、主入口處玻璃幕墻、站房外地面鋪貼、站房外立面鋁窗花、玻璃幕墻、吊頂、橫梁、棱形檐口等部位進行優化，以BIM技術為輔導，出具大樣圖、工藝做法表、排版圖，弱化分隔縫對外立面的影響，確保外立面的整體性以及立挺感(如圖12所示)。

圖11 效果圖及優化參考

圖12 檐口鋁板分縫

2.4 凈高檢查及碰撞檢查

在站房管線模型建立完成后，依據業主及裝飾單位給出的標高要求對標高進行檢查。由于管線數量多，跨度大，逐一核對所消耗的時間大，且容易出現遺漏。利用Revit軟件進行凈高檢測，設置風管顏色方案，以“底部高程”為參數對風管標高進行篩選(如圖13所示)，查看所標注區域風管對應顏色，篩選出不滿足標高的風管并進行優化(如圖14所示)。

圖13 設置風管配色方案及篩選條件

圖14 根據顏色屬性查看風管標高

在完成區域標高確認后，由于各個區域管線交錯排布，會出現不同專業管線之間的碰撞問題(如圖15所示)。為了保證管線在實際施工中的可操作性，利用Revit對不同專業之間進行碰撞檢測。根據軟件生成的碰撞檢測報告逐一核查碰撞點，對模型進行優化(如圖16所示)。

圖15 碰撞檢查報告

圖16 碰撞檢查完成

2.5 質量樣板

為規范項目質量管理，明確項目質量標準，根據相關標準及規范要求，BIM小組繪制建立BIM質量標準虛擬模型，用于對工人可視化交底(如圖17所示)，項目共購置5個質量實體樣板，指導現場質量標準化施工。項目爭創魯班獎，幕墻、內裝修均制作樣板，顏色、工藝均經業主確認后才大面積施工(如圖18所示)。機電工藝樣板不單獨實施，主要展示機電末端安裝方式、與裝飾材料匹配度、機電末端與裝飾墻地磚及吊頂排版對磚對縫等問題。

圖17 砌體BIM模型

圖18 天橋窗花樣板

2.6 砌體排布

站房砌體結合四電單位、機電安裝專業預留洞口，以及構造柱排版要求，項目部積極組織BIM工作小組、裝飾、四電及機電安裝單位開會對接，以洞口周圍保持整磚、減少裝飾切割面為原則，通過BIM模型三維可視化核對標高、CAD二維平面化核對位置，出具最終排版圖，指導現場施工，同時安排專人跟蹤，確保施工無誤。

通過將Revit建筑模型導入排磚軟件，根據現場條件、設計要求與施工條件對建筑墻墻體精細排布，并詳細計算與統計每面墻的磚砌體數量，對物資采購起到一定的參考價值，同時合理地將碎磚進行再利用，管控項目成本，減少磚砌體的浪費，最終將砌體精細排布模型以CAD圖紙的格式導出來用于方案編制，指導現場施工(如圖19所示)。

圖19 砌體精細排布

2.7 幕墻下料指導

在多次調整立面分格后，基于幕墻深化Revit三維模型，通過提取模型材質導出對應的明細表， 包含名稱、寬度、材質、數量等信息，并輸出為Excel表格，用于指導幕墻材料采購(如圖20所示)。

將Revit生成的參數化的三維模型與機械設計軟件Inventor進行關聯，自動生成幕墻板塊部件組裝圖、零件加工工藝圖以及材料下料單等，將最終生成的幕墻板塊部件組裝圖、零件加工工藝圖等轉化成DWG文件，以方便工廠生產加工使用[6](如圖21所示)。

圖20 幕墻下料單

圖21 幕墻零件加工詳圖

2.8 場地布置及3D打印

結合現場實際情況，將Revit模型導入、分解、切片導入打印機中，通過3D打印BIM沙盤，用于現場施工部署、臨建及施工場地布置與調整(如圖22所示)。同時，在沙盤上可進行規劃道路出口、材料周轉、資源調配、優化混凝土罐車及天泵澆筑位置等操作，并形象反映現場CI設計情況，找出最優方案，優化資源配置，有效節約成本，提升項目品質。同時，BIM沙盤模型可用于輔助QC發布、專利申報、工法申報、科技創效等[7](如圖23所示)。

圖22 場地布置局部

圖23 3D打印BIM沙盤

2.9 可視化交底

針對于機電管線復雜區域(如機房、設備層)，宜采用可視化交底技術。機房的管線層次多、相對位置傳統三視圖難以體現，如用Revit對機房進行單獨建模，再利用其他輔助軟件渲染，可以完成一個高精度的三維模型。利用該模型對現場作業人員直接交底(如圖24所示)。

圖24 可視化機房交底模型

2.10 BIM其他應用2.10.1 三維坐標定位及施工模擬

由于鋸齒形站臺坡屋面空間變化較大，常規的二維坐標定位難以滿足精度要求，采用BIM技術對梁柱節點三維絕對坐標進行計算，利用三維坐標進行放樣及復核；以BIM技術為輔助對站臺各專業模型進行綜合排版，保證既滿足相關功能的要求，又滿足建筑審美的需要，避免后期返工。利用BIM技術對站臺雨棚進行建模，涵蓋并統籌各個專業，先在模型中將各專業外露設備體現出來，模型效果得到各方認可后并進行工序模擬后再進行施工，避免后期重復。

2.10.2 VR體驗館

項目通過合作引入智慧工地安全體驗館，為每個管理人員及工人提供了安全體驗的機會。體驗項目包括墻體倒塌、電擊、高空墜落、火災體驗等，直觀有效地了解到現場違規操作所帶來的嚴重后果。

新興的科技使得安全培訓不再受場地限制，相比傳統的培訓，VR體驗讓人身臨其境，記憶更為深刻[8]。通過VR體驗進一步完善現場安全文明施工及防護和項目安全文明生產制度與規章，推進了項目的安全文明建設，為打造精品項目、創建“魯班獎”工程提供了保障[9](如圖25所示)。

圖25 VR體驗館局部

3 BIM總結

BIM為我們展現了三維視覺化效果，提供了新的工作思路。通過BIM進行深化，在部分工作中用BIM三維可視化取代二維平面化，有效地解決了諸如網架拼裝、提升、管線凈高、內外裝效果等問題，同時為有效解決各專業接口，深化細部節點做法，控制項目成本，輔助科技工法申報等提供了有力的支持[10]。

經過項目前階段的實際應用，我們積累了大量的經驗，為項目后期及公司進一步推進BIM在施工中的應用打下了堅實的基礎。