雙層車場鐵路站房
——豐臺站施工BIM綜合應用

董無窮 武向陽

(中鐵建工集團有限公司，北京 100160)

引言

隨著我國“八縱八橫”高速鐵路網的不斷建設和完善，鐵路站房工程作為直接面對旅客的重要節點，面臨工程規模越來越大，工程結構功能更加復雜的特點[1]。豐臺站作為北京市重點客站之一，其獨特的雙層車場結構形式、巨大的工程體量、極短的施工周期為工程建設帶來的很大的難度。中鐵建工集團從施工生產入手，制定BIM實施方案[2]，確立了12大類應用方向，42項BIM應用點，重點研究BIM技術在工程深化設計、施工上的應用，并加強基于BIM的管理和智慧工地建設，取得了一定的研究成果，為后續同類型工程的智能建造提供了基礎。

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站站房工程位于北京市西南三四環之間，站房建筑總規模為39.88萬m2。地上四層，地下三層，局部設有夾層，在地下二層和三層分別為北京地鐵10號和16號線的站臺層，與站房主體同結構施工。

豐臺站采用雙層車場設計，普速車場位于地面層，采用上進下出的流線方式； 高架車場位于23m標高層，采用下進下出的流線方式，是國內首座將高速車場和普速車場重疊布置的站房工程。

圖1 項目分層介紹圖

2 重難點分析

2.1 工程體量巨大、工期緊張

作為國內首座高普車場重疊布局設計的站房工程，雙層車場結構形式無論從結構體積還是影響關系，都給工程施工組織和工藝流程帶來了極大的挑戰， 近40萬m2的建筑面積、80萬m3混凝土澆筑、20萬t鋼結構用鋼量以及14萬t鋼筋，體量巨大。

分兩期的建設組織給工期帶來極大壓力。一期工程開工日期為2018年12月1日，二期工程在2020年9月1日開工，計劃竣工交付日期2021年12月，目前工程已完成一期結構施工，二期工程開展土石方部分施工。

2.2 工程施工難點多

豐臺站大尺寸結構構件多，節點構造復雜，其中最大勁性鋼結構柱截面尺寸為5.2m×3m、4.55m×2m，勁性鋼結構梁截面尺寸為5.2m×1.0m和3.9m×2.9m，單根鋼結構柱最大重量可達70.2t。

2.3 工程安全施工壓力大

站房施工區域范圍內為深基坑施工，其中東側緊鄰正常運行的地鐵10號線，對地鐵結構累計變形控制要求高，北側一期施工時臨近運營中的京滬、永豐鐵路線，安全要求高，工程周邊同時施工附屬工程、行包通道等，多工程穿插施工頻繁，相互制約，最高峰施工人數達10 000人，同時運行塔吊數量達19臺，多臺履帶吊行走于塔吊之間，施工安全風險極大，給項目的安全管理帶來極大挑戰，疊加上周邊極差的路網通行能力，給工程施工組織、物資運輸、車輛協調帶來極大的挑戰。

由于面臨著諸多的重難點，在項目實施過程中從安全、質量、成本、進度和環保管理目標與需求出發開展BIM技術應用，實現“精品工程、智能客站”的總目標。

3 BIM技術路線

3.1 BIM技術的施工綜合應用

在豐臺站的施工BIM綜合應用過程中制定了可實施的BIM實施方案，細化工程BIM標準、完成工程3D模型、提高設計施工圖質量、優化工程施工部署、動態控制施工進度、全專業BIM深化設計、重點方案、工藝仿真模擬、機電預制化、裝配式施工、工程智能化施工、基于BIM的施工安全管理、基于BIM技術的質量管理、基于BIM技術的成本管控，完成竣工模型并輔助運維開發等多項BIM應用內容。

圖2 BIM綜合應用內容

3.2 技術路線保障

3.2.1 BIM團隊建設

為了推進項目BIM順利實施落地，在項目初期成立指揮部級BIM及信息化中心，統籌整個工程的BIM應用，在4個分子公司項目部成立BIM實施小組，由項目經理和總工負責推進BIM應用，形成覆蓋專職和兼職BIM實施力量，保證了BIM技術與項目管理和生產的結合應用落地(圖3)。

圖3 BIM應用組織架構圖

3.2.2 配置BIM軟硬件設施

在中心機房建立了由3臺高性能服務器組成的小型私有云計算中心，覆蓋了50個云桌面的配置資源，并在辦公區、施工現場布置了全域的WIFI網絡覆蓋(圖4)。

圖4 硬件配置圖

接入終端上采用瘦客戶機為主，高性能工作站為輔，便攜設備填充的硬件布局，使BIM成員高效、快速地訪問BIM模型資源。

在BIM軟件配置上，以Autodesk解決方案為主，重點應用各種輕量化平臺，與GIS平臺結合，用于BIM模型及成果的應用、管理等。

4 BIM創新應用

4.1 全網頁端BIM建模與協同

網頁端建模指的是使用人員在本地電腦未安裝建模軟件的情況下，通過打開在網頁端部署的建模軟件進行BIM建模操作與應用的建模手段。同時利用基于域用戶的共享文件夾進行協同，快速訪問內網文件資源，實現多專業的信息共享與協同。

在項目之初規劃了全部在網頁端建模的模式，團隊成員只需3步即可在任何聯網終端進入revit原生環境模式建模和應用，不但方便快捷，而且軟件運行效率與中高端桌面端一致。解決了無需軟件即可在網頁上建模的場景和資源的快速配備。

可由管理人員在后臺配置更新軟件程序，根據權限調整和設置不同程序面向的管理人員，實現需求到實現的快速響應，實現軟件版本的統一。

圖5 網頁端建模架構圖

以往項目在進行BIM建模工作時，在本地電腦上安裝常用的BIM建模軟件，這些軟件的使用對本地電腦的配置有較高要求，如果電腦配置達不到，運行緩慢將會大大降低工作效率，甚至出現卡死等丟失工作成果的狀況發生。通過本項應用，將建模軟件部署于服務器端，可以大大降低對本地終端的硬件配置要求，只需分配賬號和虛擬配置即可使用。同時成果文件留存于項目云端，使得所有團隊成員可以在任何連網終端進入內網環境進行協同工作，安全快捷。

同時通過平臺可以將桌面端程序移植到各移動終端上登錄應用，減少移動端應用軟件開發成本，快速部署。

通過本項應用，可以減少購買高性能電腦的成本和硬件管理成本，并且建模環境與傳統桌面端無異，不存在新平臺所帶來的不熟悉學習成本。同時，在內網環境下進行協同辦公，大大提高了各專業之間的協同工作效率，同時保證了BIM模型的權威性和數據的有效性。

4.2 基于BIM+GIS的鋼結構全生命周期管理平臺應用

針對豐臺站鋼結構總用鋼量大，施工穿插管理難度高等特點，我們開發了基于BIM+GIS的鋼結構全生命周期管理平臺，覆蓋從設計、深化設計、工廠加工[3]、物流運輸、現場安裝、結構交驗等6個階段16個環節的管理，通過在TEKLA模型中對每個構件編碼，以.ifc格式導入平臺作為基礎管理對象單元，點擊模型即可查看不同階段環節的信息，而不同階段的數據完整性也能夠反向驅動相關BIM模型的變化，實現三維交互。

圖6 鋼結構全生命周期管理平臺

其中在深化設計階段管理每個構件的二維深化設計圖紙和三維深化BIM模型，可以方便管理人員快速了解鋼結構深化設計情況。

在工廠加工階段，通過接入兩家分包的ERP系統，能夠管理每個構件的原材料采購、質量證明文件以及統計分析的結果為總包快速了解工廠材料采購進度提供參考。

在工廠下料環節中，應用基于BIM模型的智能套料軟件——SigmaNest代替傳統的人工套料，對每個構件的零件展開圖進行“超級算法”的排布套料，套料結果體現在每張鋼板的切割軌跡圖能夠被平臺自動抓取和分析，提升原材料利用率1%，實現主材利用率96.6%以上。

在現場安裝階段，通過約束兩家鋼結構公司使用統一的APP進行階段環節的施工應用，包括構件吊裝、焊接、探傷和補漆環節等，其中在焊接環節，落實到每一條焊縫和焊工，讓焊工以掃碼、拍照的方式在焊接完成后自動將人員、時間等信息與焊縫關聯，為后續的質量追溯提供原始數據，其施工進度信息也能夠被管理人員實時掌握。

針對現場的安全和質量管理，通過APP以“微信朋友圈”的方式發起，指定責任人，問題和亮點在BIM模型上顯示，在完成整改后驗收，對于優秀做法發布到亮點廣場，供全體人員學習。

4.3 基于BIM的智慧工地應用

打造以BIM和GIS模型為載體的智慧工地集成建設模塊，將高清視頻監控系統、環境在線監測系統、群塔防碰撞與吊鉤可視化系統[4]、深基坑自動監測系統、大體積混凝土在線監測系統和人員管理系統等集成到平臺中，各系統的前端硬件建設采用統一的數據接口，在底層打通各系統之間的數據傳遞和共享，實現了基于BIM環境下的智慧工地體系，提高現場管理能力。

圖7 BIM智慧工地模塊

視頻監控模塊，視頻監控畫面鏈接至BIM三維模型中對應的監控模型上，通過點擊監控模型，調出對應監控畫面。平臺支持對攝像頭云臺進行遠程操控，實現實時控制。基于該應用，實現了對現場施工情況的全覆蓋監控。

環境在線監測模塊，環境在線監測數據鏈接至BIM三維模型中對應的環境監測模型上，通過點擊模型，實時獲取環境在線監測數據，同時可以與塔吊噴淋設備聯動，當超出預警值時自動啟動塔吊噴淋。基于該應用，達到環境保護的目的。

群塔防碰撞模塊，群塔防碰撞模塊內數據鏈接至BIM三維模型中對應的塔吊模型上，點擊模型可以直觀查看每個塔吊的實時運行數據，管理塔司、塔吊入場、吊鉤可視化以及群塔交叉防碰撞報警管理。基于該應用，提高安全管理水平。

深基坑監測模塊，深基坑監測模塊的數據鏈接至BIM三維模型中對應的深基坑監測模型上，可以點擊每個監測點模型直觀顯示該監測點位的運行狀態，查看歷時變化曲線，當有報警產生時能夠第一時間發現報警信息和報警位置，提早做出措施。基于該應用，可以保證基坑安全、穩定。

大體積測溫模塊，大體積測溫模塊數據鏈接至BIM三維模型中的大體積混凝土模型上，點擊該區域的模型，可以查看測溫區域的實時溫度與歷史變化曲線。基于該模塊，管理人員可以實時了解對應區域的溫度值。

5 BIM技術綜合應用

5.1 BIM模型建立

建立深化BIM模型，進行實例化參數添加，集成WBS編碼、圖紙版次、問題說明、圖紙變更等信息，建立模型視口和圖紙視口，確定剪切關系等。

5.2 圖紙問題會審報告

利用深化后的BIM模型檢查人防門與結構梁的碰撞檢查，確保每一道人防門均可無障礙安裝。利用BIM模型進行圖紙會審，出具標準問題報告并下發至各技術負責人，形成問題匯總清單，由設計單位審核后形成相關成果文件，提高設計精準度，減少施工中問題發生[5]。并在實體施工時檢查是否執行，截止目前共發現圖紙問題481項，形成圖紙會審報告9份。

圖8 標準的圖紙會審報告

5.3 基于BIM的圖紙、模型、問題管理

利用BIM軟件的信息賦予功能，以時間軸將圖紙的設計優化信息、圖紙變更信息、問題交流信息等集成到模型內，管理人員在使用時依據位置等空間信息檢索是否存在變化，達到了“以時間換空間”的效果，提高管理人員工作效率、減少施工成本。

5.4 BIM群塔布置及方案驗證

建立群塔布置模型[6]，檢查塔吊基礎、塔吊大臂之間和塔身與結構之間的位置關系，確保塔吊基礎及位置符合要求。

5.5 BIM復雜節點技術交底

針對站房復雜節點多的特點，建立47個復雜節點BIM模型，細化表達鋼筋、鋼結構和模板等內容，驗證鋼筋施工的可行性，優化節點連接方案等，出具節點施工詳圖，對作業隊伍進行三維可視化交底[7]，保證了混凝土結構的順利實施。

5.6 施工方案模擬及驗證

結構施工期間對跨既有線鋼棧橋和混凝土灌注樁施工等重大方案精細模擬，建立跨接既有線鋼棧橋模型，對鋼棧橋的組拼方案進行動畫模擬，用于方案審查與施工前交底，嚴格落實方案要求施工[8]。對其它一般性方案，實行100%方案BIM化，提高了方案編制水平，易于工人理解。

5.7 施工部署BIM優化

利用BIM模型對豐臺站東站房基礎、雨棚基礎、普速站臺及地下行包通道等多專業交叉施工進行施工優化部署，為項目部節約大量工期，使施工組織更加合理有序。

對站臺下空間的利用優化，建立每個站臺的BIM模型，通過對中空站臺的優化，使施工現場土方開挖難度降低，結構形式在滿足功能要求的同時便于施工，大大提高了施工效率，節省工期。

5.8 二次結構深化設計

對建筑專業中的砌筑墻體開展深化設計，包括構造柱、圈梁、水平系梁、過梁等內容，將墻體預留洞口尺寸、標高和砌體排磚等出圖標注，并將深化砌筑模型導入至輕量化平臺中，以二維碼形式供管理人員掃碼查看精細模型。為了快速區分不同類型墻體，對墻體類型進行分析標注，針對大于4m的高墻單獨注釋標記，方便管理人員快速定位相應墻體。為了最大化保證建筑空間，通過BIM可視化手段在管線綜合模型排布基礎上進行房間凈高分析，并使用BIM軟件做出凈高分析圖，配合裝飾專業進行吊頂設計，保證美觀高效。

圖9 建筑BIM深化

使用BIM方式建立1： 1的樓地面模型透析每一步工藝，再通過軟件工具“一鍵定位”方便現場施工應用，建立好鋪裝模型，再通過軟件自身的分析功能，能夠統計不同類型地面的面積，便于物資提料，有效控制現場材料使用情況。

5.9 機電BIM 模型深化優化

在機電BIM應用上，根據不同施工階段內容對機電的要求不同，我們明確了三次管線綜合標準，用于不同階段的施工深化，提高了BIM在機電安裝應用的響應能力。

對機電管線密集區域應用BIM管線綜合，整體確保有限空間管線合理布局，優化管線最終路由，保證現場施工順利[9]。以BIM模型管理機電預留點位，做到不落一處的閉合管理。

圖10 管線綜合結果

針對土建風道變更為機電管線風道，通過優化風道空間位置，明確合理尺寸，解決了土建施工困難的難題。針對10m層下吊平臺內機電管線進行深化，在原有標高基礎上抬高30cm，可節省鋼構件3t。

5.10 機房裝配式施工

在豐臺站所有機房和主要管線中應用基于BIM預制裝配式施工技術[10]，建立所有管線的LOD400深化模型，將模型的管道分段，與管道、風管等自動加工設備數據接口打通，實現主要機電管線、全部機房管線的工廠內后臺預制化加工，運送至施工場地進行現場安裝。可以有效減少現場的切割、焊接作業，提升綠色、文明施工水平，保證安裝質量，降低施工風險，為工程節約成本，節省工期。

6 BIM與智能設備結合應用

6.1 BIM+三維掃描儀應用

考慮豐臺站工程施工工期緊張、工程場地占地面積大、整體土方開挖與內倒量大、工程鋼結構總量大、單根鋼柱尺寸界面大及拼裝焊接難度高等特點，同時因為施工組織安排，需兩階段將鋼結構柱由-13.3m施工至20m層，軌道間豎向構件偏差要求高等難點，計劃應用BIM+三維掃描儀用于現場土方量開挖測算、鋼結構虛擬預拼裝、鋼結構實體安裝質量驗收、安裝預制化基礎環境采集等。實現基于理論模型與實際模型的差值對比分析，計算空間實體工程量，精準校驗鋼結構、混凝土結構的施工質量偏差，以虛擬環境的預拼裝代替物理環境的預拼裝，提高施工質量，加快施工效率，節約施工成本等。

圖11 三維掃描儀應用

6.2 BIM+放線機器人應用

在豐臺站站房工程施工中利用BIM技術與智能機器人集成應用，通過對軟件、硬件進行整合，放線機器人是通過平板電腦選取BIM模型中所需放樣點，指揮機器人發射紅外激光自動照準現實點位。

6.3 BIM+3D打印機應用

通過3D打印機將模型進行縮放比例打印，將打印出來的模型在交底會進行展示，同時，與技術人員針對模型進行施工工藝的討論，幫助施工作業人員充分理解施工完成后的節點形式，加快作業人員對施工工藝的熟悉。通過3D打印機，在一定程度上節約實際樣板所需要的材料和人工費用，優化施工工藝，合理調整施工作業流程。

7 效益分析

7.1 經濟效益分析

自豐臺站開展施工BIM應用以來取得了顯著的經濟效益。在BIM創新應用中，通過云計算中心建設減少重復布線、重復購置硬件等費用50余萬元。基于研發的鋼結構全生命周期管理平臺，通過對構件的物流管理和現場堆場管理，減少現場構件占地面積，節約租費700萬元，充分介入構件的生產環節，在配備了基于BIM的自動套料軟件后，整體提高原材料利用率1個百分點，單獨鋼板原材料和切割能源節約成本1 000萬元，并且在推進基于云、大、智、物、移等智慧工地建設過程中，采用智能系統和設備輔助人工管理操作，減少人員投入約200萬元，在保證安全的前提下提高塔吊等吊裝設備滿載運行效率，減少設備租賃費用70萬元。

在BIM技術綜合應用過程中，通過對站房專業的建模與深化，提前發現并解決各類有可能傳導至施工中的問題480余項，減少實際施工返工損失400余萬元，并在深化BIM模型的基礎上開展節點優化和施工組織優化，節省材料和人工成本185萬。采用放線機器人、三維掃描儀等加快放線效率，節省人工投入30萬元。

7.2 社會效益分析

通過全方位應用BIM技術，豎立了央企在建筑業不斷變化浪潮中永爭潮頭的良好形象，為新時代下施工總包企業如何構建基于BIM的信息化平臺提供了路線參考，開創了融合、集成創新發展的新模式，建設過程中得到了國鐵集團、北京市各級領導的認可，以及央視、北京日報等媒體廣泛宣傳和報道，有力地提升了企業的社會影響力。

8 總結

豐臺站基于BIM+GIS的鋼結構全生命周期管理平臺研發經驗和成果，為新時代下施工總包企業如何構建基于BIM的信息化平臺提供了路線參考； 豐臺站的BIM技術應用，尤其是圖紙會審報告、復雜節點深化設計、以及BIM+智能化設備結合應用，極大地提高了工程的建造質量，不僅取得一定的經濟和環境效益，更加樹立了央企的良好形象，對于推動相關行業不斷發展有很大的示范引領作用。