BIM技術在高速鐵路施工過程中的綜合應用

霍建利 齊旭燕

中鐵北京工程局集團北京有限公司 北京 100073

本項目目前已經完成相關研究及現場施工，過程中針對工程的特點和難點，從場布、圖紙會審、復雜節點模擬、可視化技術交底、工程量復核、鋼筋下料、4D施工進度模擬、管道數控加工等BIM技術應用開展了研究。本文總結了各項BIM技術在現場實際應用的要點及現場實際效果，可供類似工程參考[1-6]。

1 工程概況

新建北京至雄安新區城際鐵路工程JBSG-2標（圖1）是京雄鐵路的一部分，起自封閉式路塹U形槽DK40＋150，終至北京新機場南側一期建設紅線DK46＋092，線路全長5 942 m。自北向南包含封閉式路塹U形槽（550 m）、機場1#隧道（2 200 m）、新機場站（機場代建結構1 288 m，本標段結構施工773 m）、2#隧道（機場代建結構50 m，本標段結構施工1 131 m）及本標段內無砟軌道板工程。工程總造價為12.5億元，工程開工日期為2017年5月21日，開通日期為2019年9月26日。

圖1 線路示意

本工程路塹、隧道及新機場站地下結構均為明挖工程，基坑深度為1.5～22.0 m。隧道結構形式為拱形明洞，襯砌厚度為850～1 000 mm。新機場站為地下2層車站，總建筑面積115 379 m2。其中，地下1層面積22 875 m2，層高5.7 m；地下2層面積92 504 m2，層高9.2 m（圖2）。主要裝修做法：地面為水泥人造石地面、花崗巖地面；墻面為鋁板＋背漆玻璃墻面；吊頂為蜂窩鋁板＋穿孔不銹鋼鏡面板吊頂。

圖2 線路斷面分布

京雄城際鐵路作為北京至雄安的第一條高速鐵路，根據中國國家鐵路集團及中國鐵路北京局集團建設“精品智能京雄”的總體要求，為實現“信息化、智能化、機械化、工廠化”的目標，大力發展及應用智能化、信息化技術手段，能在全路智能化、信息化建設方面起到較好的引領作用。要將京雄城際鐵路2標工程打造成精品工程，將大興機場站建設成精品智能客站，為此項目部組織開展了智能京雄信息化綜合技術的研究。

2 前期準備

2.1 團隊建設

項目BIM系統管理團隊由項目經理牽頭，與項目總工等領導作為領導指揮層，項目BIM小組為技術設計實施層，負責各專業BIM模型、技術優化等工作，并按照BIM管理制度、實施計劃和設計細則的要求，進行技術信息審報，形成或支持正式施工圖的出圖。

領導指揮層全面負責BIM工作的指揮和決策，調配BIM應用課題的各類資源，確定BIM應用的總體目標、計劃以及各層級職責和權限，協調甲方、監理、設計等對外關系和配合。

技術設計實施層分為土建、裝修、安裝及創新應用這4個小組（圖3）。負責對總平面進行建模和優化，根據平面計劃調整和現場實際布置，調整總平面模型。負責各專業模型、數據的建立和優化，并按計劃要求按時報送BIM應用數據，審核通過后，形成正式施工指導圖，并協調本專業生產管理人員，對BIM數據形成結果在現場加以實施。為組建項目BIM團隊，項目部組織建模及應用類軟件培訓3次，公司組織大型BIM技術專項培訓2次，通過培訓考核的形式提高員工的BIM技術水平。通過多次培訓，團隊4名成員順利通過BIM高級建模師資格考試。

圖3 團隊架構

2.2 軟件配置

BIM各軟件配置詳見表1。

表1 BIM軟件配置

2.3 硬件配置

項目于2017年12月1日成立信息化中心，配備6臺高性能臺式計算機，每臺計算機配備2個液晶顯示器；配備移動工作站及彩色打印設備各1臺；配備放樣機器人及無人機各1臺。

3 方案確定

為更好地開展BIM工作，項目部制定日常的BIM工作管理制度、BIM建模應用規范標準、合理的BIM應用策劃及實施方案。采用歐特克Revit軟件搭建，以LOD400的精度分區域進行監理模型，后期主要利用鏈接方式合模。基于BIM模型的建立，根據項目特點，分為鐵路工程BIM技術應用及房建工程BIM技術應用兩大類開展應用。

1）鐵路工程BIM技術應用點：圖紙會審、方案深化、復雜節點模擬、可視化技術交底、工程量復核、鋼筋下料、4D施工進度模擬、施工組織優化。

2）房建工程BIM技術應用點：方案模擬、可視化技術交底、管線優化、疏散模擬、仿真漫游、智能放樣、數控加工、VR虛擬仿真。

4 方案實施

4.1 BIM技術現場應用

4.1.1 施工場布

現場施工縱向跨度大、施工場地狹小，應用廣聯達場布以及Revit軟件進行現場布置模擬，使臨建布置更加優化、合理、緊湊，在滿足工程需求的前提下，提高場地利用率。開工以來，共對7處施工場地進行了場布規劃。

4.1.2 圖紙會審

對建模及碰撞檢測過程中發現的設計問題進行匯總，加快圖紙會審速度，避免因發現圖紙設計問題不及時，導致工程返工、拖延工期、增加成本等現象。自項目開工以來，發現并解決圖紙問題180余項。

4.1.3 方案優化

1）結構方案優化。使用Revit軟件對復雜節點部位進行建模，通過建模→排版→對比分析→優化等提高施工方案的可實施性及施工精度。自項目開工以來，共優化施工方案25項。

2）裝修方案優化。新機場站站廳層地面采用水泥人造石面層，在旅客進站主通道上引入“鳳棲梧桐”設計概念，并設參數級變化的圖案。地面拼花圖案采用BIM設計建模、激光雕刻工藝，確保拼花加工精度，并進行模具化拼花（圖4）。

圖4 裝修施工方案優化

4.1.4 復雜節點模擬

項目部通過對復雜施工區域（如下穿河道、復雜斷面、新工藝等）進行施工方案模擬，使方案更具有直觀性，不但確保了方案的合理性，也提高了現場交底的質量。自開工以來，制作復雜節點模擬220個（圖5）。

圖5 復雜節點模擬

4.1.5 可視化技術交底

通過對精準模型的整合形成動畫，并配以相應解說，形成可視化交底，增強現場施工人員對圖紙的深入理解，自開工以來，針對分項工程制作可視化交底14項（圖6）。

圖6 可視化交底

4.1.6 工程量復核及下料

使用Revit軟件搭建模型，并利用軟件自身明細表功能提取工程量，在BIM應用階段對工程量進行統計分析，為材料加工生產及成本結算提供依據；使用魯班鋼筋軟件對復雜結構節點進行翻樣建模，并導出相應的鋼筋工程量及下料表，提高下料速度及精度。

4.1.7 碰撞檢測

新機場站隨航站樓外形布置，結構復雜，管線間及管線與裝修間交叉頻繁，同時，受凈空限制（其中結構凈空高4.3 m，裝修高度4.0 m）。通過綜合碰撞檢測和放樣機器人優化管線排布及其與裝修間的銜接，加強深化設計與施工聯系，以保證施工精度。自開工以來，共計查找并解決各類碰撞點4 600處（圖7）。

圖7 管線碰撞檢測

4.1.8 地下工程施工交通組織模擬

新機場站內施工工種及工序多，地下空間有限，裝修及安裝工程、無砟軌道交叉頻繁，裝修材料、軌道板、混凝土等運輸組織困難，結合施工組織及進度計劃，制作物料及人員綜合運輸動畫，確保材料倒運高效進行（圖8）。

圖8 無砟軌道交通運輸組織、運輸通道施工模擬

4.1.9 疏散模擬

新機場站為地下站，位于航站樓下方，地下疏散路線復雜，且現場施工人員復雜。為保證及時疏散，利用Parthfinder軟件制作疏散模擬動畫并進行交底，增強作業人員對逃生路線的了解（圖9）。

圖9 地下站疏散模擬

4.1.10 仿真漫游

通過Fuzor軟件進行仿真漫游，動態反映三維建模效果，提前并加快模型審查，避免BIM應用中出現問題，提高BIM應用的實際效果（圖10）。

4.2 BIM技術創新應用

4.2.1 基于BIM的管道預制加工技術

1）風管預制結構模型搭建及機器識別碼轉化。通過Revit軟件按照LOD400標準建立BIM模型，并進行圖紙審核和碰撞檢測。首先，在BIM模型基礎上進行深化，預制標準管段長度為1 410 mm，為匹配機器的生產規格，在軟件中將所有管件預制為1 410 mm（圖11）。

圖11 建立模型管段分節

預制以區域為單位，在模型中篩選預制管段進行數據導出，在Revit軟件中以MEG格式導出異形管段模型至轉換軟件。以最大化利用鋼板為原則，在軟件中對加工模型進行自動排料，選擇寫入五線風管生產機器可以識別的NC碼，導出文件格式為TXT。通過U盤與設備連接后，五線風管生產機器便可自動批量生產預制風管。

2）機器批量加工過程。選擇合適厚度的鐵皮，并裁剪成需要的規格尺寸，將裁剪好的鐵皮輸送至工作臺，工作臺對鐵皮進行深度加工，形成風管管段（圖12）。

圖12 管段加工

4.2.2 BIM＋放樣機器人智能定位放線

1）模型繪制及放線基點設置。在Revit軟件中，按照施工藍圖在模型中繪制綜合支吊架及管線，通過插件選擇放線的族和放線的點位后，便可對所有相同族進行點位設置，同時在模型中對固定的結構柱設置放線基準點，通常距離為300 mm（圖13）。

圖13 模型建立放線基點設置

2）現場放線準備。將已建立模型轉換為DWG格式，導入天寶機器人手持平板中，在現場找到設站結構柱，按照與模型相同位置設置的基準點進行設站。對棱鏡桿、RTS設備及手持平板中的氣泡進行調平，手持平板中顯示設站誤差范圍小于0.005 mm為最佳（圖14）。

圖14 基準點設站儀器調平

3）放樣測量。天寶機器人車站內采用激光模式，在手持平板中選擇放線點位進行自動放線，RTS771設備測距誤差為1 mm，滿足現場放線及測量要求。

4.2.3 BIM＋VR虛擬樣板技術

1）模型繪制及信息添加。在Revit軟件中，按照設計方案對大興機場站裝修方案進行模型建立，根據不同方案將不同的材質、尺寸、功能等信息添加至模型。

由于每個構件以及構件的分解單元都含有與現實相符的材質屬性，因此為方便VR平臺讀取且保證可編輯性，BIM模型建立時需保證每個構件與現實材質名稱一一對應，不同材質構件的材質參數名稱不可混淆，也不可用系統默認材質參數。現實中，相同材質的構件用同一種材質名稱。

2）格式轉換并導入VR平臺。采用中間格式導出器將模型轉換成VR處理平臺可讀取的FBX格式文件，并導入VR處理平臺。

3）樣板選型。工程師利用VR設備進入虛擬樣板場景，根據不同樣板方案的效果以及信息展示，初步確定樣板方案，細化后進行現場樣板實施（圖15）。

圖15 樣板選型

4.2.4 BIM＋GIS

1）BIM模型與3DGIS系統數據轉換。將IFC中與GIS模型相關的語義類型進行分析、篩選，利用形態學算法和布爾運算提取出了模型的外殼，并賦之以正確的語義，將IFC模型轉換為GIS數據中定義的多個細節層次（LODs）的建筑模型，實現不同比例下各LOD等級模型轉換，為鐵路管理平臺可視化和空間分析提供了有利條件。

2）京雄建設管理“一張圖”研究。運用BIM、GIS圖層分類、逐級展示、統一編碼、數據權限控制技術，實現GIS數據與BIM數據統一存儲管理和多源多主題異構時空數據在“一張圖”上的集成展示，實現時空對象的多角度、多維度、多尺度、多時相的綜合可視化描述和分析（圖16）。

5 結語

通過BIM技術對施工場地進行三維布置，確保施工場地規劃的合理性，保證施工順利進行；使用4D施工進度模擬，提高了進度計劃的可行性及合理性，通過對進度計劃與實際進度進行對比，及時發現施工中存在的問題并加以解決，保證施工進度；對機場2#隧道襯砌結構、拱形結構、新機場站矩形結構滿堂支架及模板方案、施工方案進行模擬，以此確保施工方案的可行性；對隧道分體臺車與整體臺車2種方案、分體臺車與“側墻定型模板＋滿堂支架”2種方案進行比選，選用最科學的施工方案；通過碰撞檢測及時發現圖紙中存在的管線與結構、管線與管線產生的碰撞，及時調整優化，保證施工順利進行。