京津冀重點客站工程建造信息化智能化技術研究及應用

智 鵬，錢桂楓，林巨鵬

(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.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；3.中鐵建設集團有限公司，北京 100040)

雄安站、豐臺站和北京朝陽站等京津冀地區重點客站具有造型復雜、工程體量大、工藝工法復雜、建設難度大，工程規模大、施工作業面廣、工期緊張，專業施工相互交叉多、專業綜合性強，安全風險點多、安全風險等級高，文明施工及環水保標準要求高，施工質量控制難度大、要求高，本工程創新多、技術含量高，涉及的專業分包多、人員管理協調難度大。

為了貫徹落實國鐵集團提出的“暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷”客站建設新理念[1]，努力將雄安站、豐臺站、北京朝陽站打造成具有國際影響力的精品工程、智能客站。為此，需要積極探索客站建造全生命周期管理創新，創新應用BIM+物聯網、移動互聯網、5G、云計算、大數據等新型技術，與客站工程建造和運營技術深度融合，通過自動感知、智能診斷、協同互動、主動學習、智能決策等手段[2-3]，構建客站全生命周期管理體系，實現客站建造和運營精細化管理、智能化提質[4]。

1 BIM工程化創新應用關鍵技術研究

積極探索客站建造全生命周期管理新模式，研究編制客站BIM相關技術應用和實施標準，創新應用BIM+移動互聯、5G、IOT、傾斜攝影等新技術，開展全專業、全過程采用BIM(建筑信息模型)工程化實施技術，為精品客站全生命周期建造奠定信息基礎。

1.1 客站BIM標準研究

參照鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程信息模型交付精度標準》《鐵路工程信息模型數據存儲標準》《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》等相關BIM技術和實施標準，以及建筑行業發布的《建筑信息模型施工應用標準》《建筑信息模型分類和編碼標準》等BIM技術和實施標準，結合鐵路客站自身專業特點和工程建造本身需求，制定了《鐵路站房信息模型技術標準》《建設管理平臺管理體系標準》《鐵路站房信息模型深化應用標準》《鐵路站房信息模型設計標準》《站房施工階段BIM標準》等京津冀地區客站 BIM實施應用標準，明確了建造階段的模型精度、數據要求、流程等內容，為實現設計向施工交付、施工向運維交付傳遞模型提供統一的BIM標準體系，為BIM的全生命周期應用提供技術支撐[5-7]。

1.2 BIM工程化技術應用

積極探索客站建造全生命周期管理新模式，大膽創新應用BIM+移動互聯、5G、IOT、VR、傾斜攝影等新技術，圍繞土建及施工策劃、結構深化設計、裝修裝飾深化設計、樣板間深化設計、機電深化設計、三維可視化交底六大應用場景，重點開展基于BIM的施工策劃與場地布置應用、重大及專項方案模擬論證、裝飾深化設計應用、裝飾樣板間模型深化、機電管線綜合排布應用、工藝工法交底應用等20項BIM技術核心應用，以及基于BIM的清水混凝土，基于BIM機電設備裝配式、交互式VR虛擬仿真，基于BIM深基坑自動監測，基于BIM高支模自動監測，基于BIM鋼結構自動監測等10項創新應用，為精品智能客站建設打下堅實基礎[8]。客站BIM工程化技術應用示例如圖1所示。

圖1 客站BIM工程化技術應用示例

2 建造安全質量信息化監測技術研究應用

圍繞客站建設施工過程存在的重大風險源和安全風險隱患，廣泛應用信息化、可視化、自動化建造技術，開展客站大體積混凝土溫控、高支模自動監測系統、深基坑實時監測、群塔吊防碰撞監控、環境環保自動監測、無人機全景航拍等關鍵建造技術研究及工程應用，極大地提高了客站工程建造安全風險和生態環保管控能力。

2.1 大體積混凝土溫度數字化實時監測

針對大體積混凝土工程水泥水化過程中由于溫度變化導致混凝土開裂等質量問題，采用自動測溫技術，準確而迅速地檢測出混凝土澆筑體內最高溫升、里表溫差、降溫速率及環境溫度變化情況，基于物聯網實時進行數據傳輸存儲，基于BIM進行專業數據分析、可視化顯示和預警報警預判，實現對保溫保濕養護動態分析卡控，確保各項溫度指標可控，做到混凝土的及時養護，保證混凝土工程施工質量。底板混凝土溫度監測應用如圖2所示。

圖2 大體積混凝土溫度監測應用

2.2 深基坑實時監測與可視化監控

對于超過一定規模的危險性較大的深基坑工程，出于安全考慮，采用BIM+自動監測技術，實現對基坑各類監測數據定時采集、統計匯總、專業數據分析和可視化顯示，并按照標準、規范對超標結果進行預警報警，對監測結果及時反饋并采取相應措施，形象直觀、快速高效地預判深基坑及周邊環境安全態勢。有效預防基坑安全風險，達到防災減災的目的，全面提高深基坑信息化監測管理水平[10]。

深基坑實時監測監控系統如圖3所示。

圖3 深基坑實時監測監控系統

2.3 高支模板自動監測與可視化管理

由于站房為高大支模體系，且跨度大、荷載壓力大，為杜絕安全事故的發生，通過采用BIM+基于互聯網、物聯網和自動采集技術，實現基于BIM的高支模模板體系整體三維虛擬設計和受力分析，確保在現場實際工況下整體的變形、主要構件的應力比等滿足安全需要；基于物聯網技術實現對模板體系的沉降、水平位移、立桿軸力、立桿傾角、支架整體水平位移等監測數據實時采集，有線和無線及時遠程傳輸，基于BIM的專業數據分析、可視化顯示、超限預警和危險報警[9]。

應用高支模體系自動監測信息化系統，提高高支模施工現場安全緊急響應速度，預防高支模安全事故的發生，達到提升高支模安全管理水平的目標。

高支模體系自動監測架構及監控系統如圖4所示。

圖4 高支模體系自動監測架構及監控系統

2.4 群塔吊防碰撞安全監控

為高效組織施工，避免群塔作業出現的安全隱患問題，采用塔吊防碰撞系統，利用BIM進行三維建模，動態模擬塔機和建筑物之間、塔機與塔機之間、塔機與材料堆場之間的位置關系，實現三維空間中塔機布置的合理性，達到整個塔機群作業的安全控制；利用高度、風速、幅度、角度感應器實時采集和監控塔機運行參數，實現塔機運行狀態以及群塔交叉作業情況的實時監控，并對塔機發生碰撞等安全隱患及時報警、制動控制，防止發生重大安全事故。

2.5 環境環保自動監測

針對目前客站工程施工過程中環境監測不到位的問題，采用自動環保監測技術實現對現場PM2.5、PM10、噪聲、溫度、濕度、風速、風向等實時在線監測，當監控值超過報警值時，自動觸發報警裝置和噴淋裝置，對現場環境采取霧化噴淋降塵措施，實現智能化恒流噴淋以及恒壓供水的功能，達到自動控制揚塵治理的目的。

3 智能化裝配式建造技術研究應用

廣泛應用智能化建造技術，開展鋼結構智能加工、機器人智能焊接、三維數字放樣量測，實現客站建造智能化提質，使客站智能建造水平邁上新臺階；積極采用模塊化制造和裝配式集約化施工技術，進行裝配式站臺及吸聲墻、裝配式可回收邊坡支護、深基坑綠色裝配式護坡、裝配式機電機房等建造施工[11]，實現了工廠化生產、提高了施工效率，積極實踐綠色環保降耗建造。

3.1 鋼結構智能化建造技術研究應用

針對鋼結構總用鋼量大，施工穿插管理難度高等特點，通過采用BIM技術、工廠化及數字化技術，進行鋼結構三維深化設計，并將BIM模型數據與數控機床直接對接，減少了人工二次轉換的工作量，并提高了制造準確性；通過激光跟蹤測量，實時掌握桿件加工精度，減小制造誤差，保證鋼結構加工質量。

同步基于BIM技術開展工藝工法模擬、現場虛擬預拼裝、整體自動提升和焊接質量檢查等，提高鋼結構安裝精度、施工質量；采用智能放樣機器人，通過BIM模型中設置現場控制點坐標和建筑物結構點坐標分別作為BIM模型復合對比依據，創建放樣控制點，導入智能放樣機器人進行現場智能定位放樣，實現放樣施工自動化、精細化。

雄安站鋼結構智能化建造如圖5所示。

圖5 雄安站鋼結構智能建造

3.2 鋼筋數字化加工與智能焊接技術研究應用

針對客站主體結構鋼筋用量大，加工強度大，工作效率低下等施工問題。首先，基于BIM技術進行鋼筋數字化建模，完成對鋼筋碰撞檢測、優化調整、深化設計和綁扎模擬等，提前規避影響鋼筋加工的成品質量和加工生產效率。

其次，研究鋼筋數字化模型與工廠加工設備接口技術，通過將可識別的鋼筋加工單導入鋼筋加工設備，結合研制的數控鋼筋鋸切套絲生產線、數控鋼筋剪切彎曲中心、數控鋼筋彎箍機等自動化設備，完成從鋼筋調直、切斷、彎鉤和彎箍等自動化加工；同時成功解決了結構梁、柱截面中部均設凹縫造型所需的連續小尺寸彎折和框架柱陽角處造型由下向上逐漸收分、豎向鋼筋無法直通到頂等要求。

進一步研究應用鋼筋網片焊接機、鋼筋骨架自動焊接設備，提高鋼筋網片和骨架焊接質量和加工效率。

最終實現節約現場的臨時用地，達到節約投資、綠色環保。

3.3 站臺及吸聲墻集約裝配式技術研究應用

在現階段鐵路客站建設中，裝配式技術尤其是混凝土裝配式建造技術尚處于起步階段。雄安站站臺吸聲墻采用預制拼裝裝配式技術，利用具有吸聲功能的裝配式復合構件取代傳統現澆擋砟墻，在不改變原有擋砟墻整體造型的前提下，將離心玻璃棉復合于墻體中部，通過整體正立面預留密排孔洞將列車通過時產生的噪聲聲波引入中間離心玻璃棉內，實現吸聲降噪的目標；在安裝方面利用正面平口耳板和背面鍍鋅角鋼與現澆結構固定，可拆性強，便于后期養護維修；采用定制加長膨脹螺栓將角鋼連接件端部與頂部穿孔鎖死，最大限度消除由于列車振動引起的墻板松動，從而提高裝配式站臺吸聲墻的整體穩定性。

雄安站9～11站臺承軌層至站臺層裝配式站臺主體結構和8～11站臺預制吸聲站臺墻站臺結構形式為框架結構進行施工，通過預制疊合梁、復合吸聲墻板、桁架鋼筋疊合板、SPD預應力空心板、預制帽檐等打造了國內首個預制裝配式站臺及吸聲板，預制率達到80%，實現“綠色、環保、節能”的建設理念，在客站混凝土裝配式建造方面取得了突破。

雄安站裝配式站臺及吸聲墻施工效果如圖6所示。

圖6 雄安站裝配式站臺及吸聲墻

3.4 深基坑綠色裝配式支護技術研究應用

傳統的深基坑采用土釘墻支護，存在對施工現場環境造成污染、施工周期長、全隱患大等弊病。為此，研究采用了綠色裝配式支護技術，有效解決了上述問題，并且材料可以周轉使用，符合綠色可持續發展理念。

在土釘墻支護機理的基礎上，面層采用由輕質高強新型混凝土、人工聚合高分子材料、高強度鋼材、生物材料和其他組合型材料等形成的綠色裝配式可回收面層取代噴混面層，經過在工廠預制成標準塊件運輸至現場，通過熱軋帶肋固定坡頂及坡腳處綠色裝配式面板，起固定支座作用，與面板表面的鋼絲繩共同固定坡面處綠色裝配式面板，用鋼筋連接構件將錨釘(土釘)連接成一個整體的綠色裝配式土釘墻支護結構。實現能耗低、污染小、節省材料、綠色節能環保，有效防止膨脹土膨脹的目標，克服了因傳統土釘墻支護剛性連接的局限性。

北京朝陽站深基坑綠色裝配式支護如圖7所示。

圖7 北京朝陽站深基坑綠色裝配式支護

3.5 機電設備及管線數字化建造技術研究應用

機電設備及管線安裝工程是客站工程的重要組成部分，所牽扯的范圍十分寬泛，錯綜復雜，子系統眾多，對人工勞動力嚴重依賴，施工作業效率普遍低下，原材料消耗大，環境污染嚴重；采用數字化、可視化和虛擬仿真技術提升整體機電建造的技術水平和工程質量具有重要意義。

充分結合BIM技術，對機電設備及管線進行深化設計，開展機電各專業間及與結構間的碰撞檢查和安裝工序模擬優化，科學、合理布置設備及管線，預防工序沖突，避免出現返工等問題；運用 BIM 技術生產機電系統單元預制加工清單和可識別的加工圖紙信息列表，通過研究完善預制加工軟件提高機電系統單元工廠數字化預制加工能力。

基于二維碼等物聯網技術進行設備及管線生產、運輸、堆場、安裝的數字化分揀，實現精準智能、簡便有效的數字化裝配管理模式[12]。

研究運用BIM與三維激光掃描融合技術進行機電設備及管線數字化現場結構數據復測，通過實際測繪數據與BIM模型數據的精確對比，確保模型與現場實物的一致；并結合施工組織、施工方案和安裝工序進行工廠機電單元虛擬預拼裝、重點區域安裝運輸路線及施工工序仿真模擬和機電系統調試虛擬仿真及數字化安裝；運用數字化實現機電設備安裝精細化進度管理、在線數字化質量控制、可視化安全監控管理。

最終實現降低建造成本、提高工作效率、提升工程質量和整體建筑品質等，最大程度地提高建筑使用空間和滿足用戶的使用要求，達到降本增效的目的。

機電設備及管線裝配式安裝如圖8所示。

圖8 機電設備及管線數字化加工及裝配式安裝

4 數字化建設施工管理關鍵技術研究應用

首次研發應用了客站GIS+BIM建造一體化管理平臺和數字化綜合監控中心，打造施工透明、數據真實、過程可控、質量可溯的“智慧工地”，實現客站建造過程中進度、質量、安全、物資、投資的數字化、精細化管理。

4.1 建造一體化管理平臺關鍵技術研究應用

針對客站樞紐建設單位項目管理工作界面復雜、與項目參與方信息不對稱、建設進度管控困難等一系列問題，首次研發京津冀客站工程建設管理BIM平臺。

基于GIS一張圖多方位、多角度、多層次建設信息綜合管理，實現建設輔助決策支持；以施組管理和關鍵線路的節點控制為目標，基于電子施工日志、施組計劃實現客站工程三維形象進度管理；實現對客站工程危大風險源識別、過程管控、處理閉環的“一圖四表”進行全方位風險管理，工程特殊部位安全管理關鍵風險點實時監控量測；基于實驗室、拌合站等原材料質量控制，檢驗批的質量檢驗管理，工程影像資料的隱蔽工程質量管控。客站建設管理一體化平臺主界面如圖9所示。

圖9 客站建設管理一體化平臺

最終積極探索實現客站建造過程中進度、質量、安全、投資的精細化管理水平和智能化建造提質，提高管理效率和降低管理成本。

4.2 綠色智慧工地系統關鍵技術研究應用

整合物聯監測和項目智慧化管理，圍繞客站“進度、勞務、物料、設備、監控、調度”六大應用場景，依托客站工程施工過程，進行空間數據和時間維度信息的多方位一體化整合，構建施工信息管理系統。

實現客站施工三級節點三維進度精細管理，基于人臉識別實名制考勤管理和現場人員動態監控，基于RFID和二維碼等物聯網技術實現混凝土、鋼筋、周轉料等主要物資準確管理，基于自動監測監控技術實現塔吊監控、基坑監測、電子巡更、能耗監測等監控預警管控，基于信息化技術實現對實驗室、拌合站等關鍵原材料的質量動態監控，施工大型設備集中監控管理和統一調度，工程進度質量及時遠程掌握，資料圖紙有序便捷等。

最終，實現各參與方協同高效工作，實現對客站施工人、機、料、法、環的全方位監控，變被動“監督”為主動“監控”，有效彌補傳統方法和技術在監管中的缺陷[13]。

5 運營維護智能化技術研究應用

創新應用信息化、智能化技術，開展電子客票、站內導航、綜合顯示、語音廣播、求助查詢、綜合換乘、站臺安全門防護等系統關鍵技術研究應用，為旅客提供出行及安全通行智能便捷；研發智能大腦、結構健康監測、機電設備與能源管理等智能化系統，實現車站智能管理、建筑機電設備節能管控和車站結構物服役狀態綜合預判。

5.1 車站智能大腦關鍵技術研究應用

圍繞客運乘降組織，客運、行包及高鐵快運作業等業務，提供人員自動排班、任務分發、到崗監控、作業卡控、執行反饋和客運工作量統計等功能，提升客站作業管控能力，保證服務質量和安全生產。

利用5G、物聯網、語音廣播、標識引導、綜合顯示等技術構建智能旅客服務系統，提供全面、及時、準確的旅行信息服務，為旅客提供安全、溫馨、便捷的旅行服務[16]。采用智能視頻監控分析技術，實現客站越界入侵檢測、人群密度估計、人流態勢檢測等分析功能，提升了車站管理的智能性和便捷性。

5.2 電子客票關鍵技術研究應用

利用圖像識別、人機工程等技術構建電子客票系統，為旅客提供購票、進站、檢票、退票全程電子客票服務，改善售取票、進出站體驗，為旅客提供無紙化、自助化的出行服務；將檢票乘車功能和實名核驗功能整合，實現人證票一致性核驗和開檢車次、票種等驗檢融合服務，節約服務人員，減少核驗環節，提升服務質量，減少車站運營成本；實現客票收入管理、值班監控、計劃統計、綜合查詢等車站客票綜合管理功能[14-15]。

5.3 機電設備監控與能源管理關鍵技術研究應用

利用建筑智能化技術構建建筑設備與能源管理系統，依據環境參數及各類傳感器采集的數據，實現對車站空調通風、室內給排水、電扶梯、能源管理、智能照明等的集中管理；通過能源數據采集子系統，實現能耗的動態監測、能耗分析、報表統計、措施建議及圖形展示等功能[17]；最終通過數據的積累，運用大數據、人工智能等新技術，依托客站大腦對列車到發、人流密度、氣候環境、作業時間等信息實時分析，對照明、電梯、空調通風等進行合理控制，實現對雄安站、北京朝陽站高大空間、候車廳、車站交換層、站臺層等區域節能優化和能效科學管理，降低建筑總體能耗，提升旅客候乘環境。

機電設備監控與能源管理系統應用效果如圖10所示。

圖10 機電設備監控與能源管理系統

5.4 客站結構健康監測關鍵技術研究應用

針對雄安站和北京朝陽站承軌層、屋蓋、高架層、幕墻結構等不同區域結構風險，構建結構健康監測系統，對站房重要結構部位進行實時監測，積累原始數據，輔助了解施工后的結構變化；實時獲取結構當前環境下相關結構信息的變化，實時監控結構的整體行為，對結構的內力變化、損傷位置和程度進行診斷，預測站房結構的性能變化，實時掌握結構的工作狀態與健康狀況；通過累計監測，核實復雜結構設計內力與實際情況的一致程度，對結構的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行評估，為結構的日常保養和管理提供參考；為結構在突發事件下或結構使用狀況嚴重異常時積累歷史數據，當結構狀態存在安全隱患時及時提供預警[18-20]。

最終實現對結構的使用情況、可靠性和承載能力進行評估，為站房投入運維階段提供必要的安全運維的保障。

6 結論

在國鐵集團提出的“暢通融合、綠色溫馨、經濟藝術、智能便捷”客站建設新理念的指引下，針對京津冀地區重點客站建造過程存在的一些管理難題和技術應用難點，深入研究BIM、移動互聯、物聯網、云計算、5G等新技術與客站工程建造技術深度融合，開展客站建造BIM工程化應用標準和關鍵創新應用點、施工重大危險源和安全風險信息化監控監測、鋼結構智能加工、機器人智能焊接、三維數字放樣量測、裝配式站臺及吸聲墻、建造一體化數字化管理平臺、綠色智慧工地系統以及運營維護數字化智能化等關鍵技術研究，并結合雄安站、北京朝陽站、清河站等進行工程全面試點應用和應用效果總結，全面提升京津冀地區重點客站建設和運營信息化、智能化、精益化水平，為將雄安站、北京朝陽站等京津冀重點客站打造成具有國際影響力的精品工程、智能客站奠定了基礎。

下一步將繼續圍繞客站建造全生命周期管理理念，積極創新客站建造管理新模式和新方法，深入研究應用5G、數字孿生、區塊鏈等新技術，全面承載客站勘察設計信息，持續集成工程建設數據，通過數字化交付貫穿運維管理，實現客站建造全生命周期信息化、數字化和智能化提質，積極推動鐵路客站高質量發展。