BIM技術在成都天府國際機場大鐵T2航站樓段弧形拱頂施工中的應用研究

摘要 以成都天府國際機場大鐵T2航站樓段弧形拱頂施工作為案例，分析變截面拱頂施工的技術難點，探討BIM技術與變截面拱頂施工的融合，以及如何發揮BIM技術的優勢來彌補傳統施工的不足。重點針對變截面拱頂支模，立桿高度難以控制的問題進行詳細分析，討論BIM解決方案的可行性以及落地實施性，為同類型的結構施工提供一項新思路。

關鍵詞 弧形拱頂；BIM技術；解決方案；技術融合；精細化

中圖分類號 TP317.4 文獻標志碼 A

0引言

成都天府國際機場建設項目，是國家重點工程、是國家“十三五”期間規劃建設的最大民用運輸樞紐機場項目。項目體量大、結構復雜，由于受大鐵和APM捷運系統共穿航站樓正下方的原因，地下部分的施工，成為了T2航站樓施工最大的難點。另外，該項目建設周期短，地下大鐵施工成為了該項目工期關鍵線路上不可回避的重點。想要在有限的工期內完成如此復雜的結構，傳統施工方式儼然受到了拷問，BIM技術的輔助性應用成為了關注的重點。BIM技術具有模擬性，能夠快速驗證方案的可行性，同時靈活地調整實施方案，并導出施工圖，為加快大鐵弧形拱頂施工，降低施工成本創造可能性。

1大鐵概況及難點研究

1.1大鐵概況

大鐵線路正線北起成都東站，經成都天府站，天府機場站、資陽西、資中西、威遠，終點接擬建川南城際鐵路自貢東站，通過川南城際自貢至宜賓段接規劃渝昆鐵路線路全長176km［1-2］。本期先建設天府機場段工程（DK56+250～DK64+090），新建正線長度7.84km，以及配套的相關土建預留工程。

成都天府國際機場航站區土建工程施工總承包二標段施工范圍為站后咽喉DK60+176～DK60+640，共464m，主體結構為6線變雙線（其中到發線4條，正線2條）的拱形現澆鋼筋混凝土框架結構，大鐵工程在DK60+109.474～DK60+502.315段下穿T2航站樓［3］（圖1）。

1.2難點簡介

大鐵基坑開挖深度到達25m，頂部為拱形結構，變截面多，拱頂局部位置厚度高達3m，高度達14m（圖2）。意味著拱頂施工全部為高支模，高含量的鋼筋和超大體積的混凝土將帶給架體巨大的負荷，對架體的強度、剛度、穩定性和抗側傾能力要求極高。同時大鐵設計時速350km/h，為目前國內時速最高、最復雜的大鐵車站段，大鐵頂部將裝配高精度的減震基礎，緩解列車高速通行時給航站樓帶來的沖擊，所以對于結構施工有著很高的標準和要求。且工期僅11個月，施工難度大，管理要求高。

1.3BIM技術的優勢與大鐵難點的切合

在隧道工程中，趙連平［4］對BIM技術應用的現狀進行了分析，BIM技術在隧道工程建設中的優勢著重體現在具有可視化、信息化、集成性的特點，能夠在項目建設全過程中發揮精細化管理、多維度協調的作用。大鐵咽喉段施工的難點在于底板和頂板施工，而由于頂板為異形變截面結構，將涉及到龐大的支撐體系以及模板施工，精確的施工措施體系搭建也將是BIM技術切入的關鍵點。經過分析，將借助BIM技術在幾個方面的優勢解決大鐵咽喉段施工的難點。

（1）數據信息集成化：BIM技術應用是基于三維信息模型開展的各項工作，模型包含工程的各項組成信息，同時也將不同專業、不同類型、不同區域的內容整合到了一起，從而解決不同環境對于工程的影響。其中，大鐵在進行施工的時候，需要將施工措施與結構合并到一起，從而解決異形體施工對于施工措施的高度要求。另外也要與外部環境結合，保證各項措施安全有效。

（2）三維可視化：對于鐵路軌道建設規劃來說，BIM技術帶來的首要優勢在于其可視化的3D技術［5］?？梢暬奶攸c是解決復雜結構體施工的重要手段，大鐵的設計圖是按里程進行的二維設計，通過里程剖面和平面來闡述大鐵的異形漸變顯然是不夠清晰的，BIM的可視化特點恰好可以彌補這一缺陷。通過深化設計和虛擬建造過程來解決設計可能給施工帶來的阻礙，提前發現和解決設計問題，優化施工方案。在施工過程中利用三維可視化的模型來作為技術和施工的輔助，能夠較大程度幫助理解設計圖。

（3）可出圖性：BIM的靈活出圖能夠較好地解決大鐵弧形漸變拱頂在各個里程點上識圖難的問題，不必再利用整數里程剖面圖來分析中間位置的結構剖面，而直接切取模型該位置的剖面，從而更好地控制結構的準確性以及支模架和模板的精度。

（4）信息傳遞的便捷性：基于互聯網的高速信息傳輸通道效率是遠大過于人為信息傳輸的。大鐵施工過程中，會多次組織技術會議，而參會人員就包含了工程管理人員、設計人員、地勘人員、監理單位、建設單位等，多方面的溝通會產生很大的溝通成本，同時技術交底、樣板引路、過程協調、技術修改等都會產生龐大的溝通成本。信息模型相對于藍圖能夠包含更多的信息量在各個網絡端口間傳遞，同時可視化的特點又能夠保證參建各方高效率進行溝通，大大降低了工程信息的溝通成本。

2BIM技術在大鐵拱頂施工中的應用

2.1拱頂深化設計

在大鐵基礎開挖階段，需要建立中心文件對大鐵進行深化設計，主要分為結構建模和施工措施建模，結構建模及施工措施建模需要基于同一個確定的項目基點開展工作，結構建模首先完成大鐵1段的整體模型創建（大鐵分段見圖3），施工措施建模在此基礎上進行措施深化。

深化設計的建模過程也是虛擬建造的過程，是論證設計建造可行性的過程。所以建模的順序需要依據施工順序進行，保證各道工序的體現在模型中是順暢的，這樣也映射出在實體施工過程中是不受工序穿插影響的。對于結構體本身來說，構造層次是否有問題，也是深化設計檢查的重點。其中弧形拱頂參數的校核是保證拱頂施工最重要的一步，由于大鐵在T2航站樓下部為2孔漸分到5孔的結構形式，所以拱頂的弧度也是逐漸變化的，也就是說大鐵在該段里程上面每一個里程點的拱頂弧度都是不同的，需要精確建模才能夠保證方案設計以及方案施工圖的準確性。建立的BIM模型具備LOD400級別精度，能夠滿足隧道施工高精度建模、數字化管理的需求［6］。以里程作為參照平面是控制里程斷面最好的手段，按照里程進行體量融合能夠精確地還原設計。再通過參數換算來進行弧度確定，找到弧半徑來確定該里程上的拱頂弧度，從而精確繪制出該段的拱頂。由于大鐵拱頂弧度漸變，假設某一斷面上的弧頂如圖4所示，擬定單孔隧道側墻間距為L（里程段可知，L可根據設計圖紙確定），拱頂設計矢高為h（已知），可根據下列公式計算不同部位的拱頂弧半徑R，以此來確定模板及支撐體系在該斷面上的精確定位。

（R-h）²+（L/2）²=R²

R=h/2+L²/8h

根據上述公式可知，里程段截面上的拱頂可能存在3種情況（圖5），隨著矢高h的增加，當h大于R時拱頂的圓弧直徑開始大于隧道側墻間距L，弧形拱頂將無法滿足設計要求。所以在弧頂的BIM深化設計過程中，首先要排除αgt;90°的情況，當出現此類情況時，采取的措施是提高該里程點上側墻高度，壓低矢高h。那么在一個里程段上就會出現側墻高度不斷變化的情況，頂板弧度和側墻高度的雙向變化讓頂板施工變的更加困難，利用BIM技術進行模板和支撐體系的精確定位變的更加有必要性。

基于以上情況分析，施工措施布置需要借助BIM技術確定頂部模板的切面變化以及立桿的高度，并且在模型中進行方案模擬以及方案優化，導出最終的方案施工圖指導現場施工。并且借助模型提取措施工程量，以便于更好地制定材料籌備及周轉計劃，同時也能夠更好地進行成本控制。

2.2弧形拱頂施工措施方案分析

由于弧形頂板的澆筑面為曲面，無法像一般樓板面板澆筑一樣自然成形，弧形頂板的澆筑和定形需要頂部模板來限制混凝土的流動，若在頂面鋪滿模板對頂板進行定形澆筑，則無法隨時監控頂板的澆筑情況和進度，也無法保證頂板的澆筑質量［7］。大鐵工程拱板結構厚度2.5～6.5m不等，拱板矢高相同，但弦長與曲率沿隧道縱向漸變，隧道凈空高、凈跨大，頂板厚度厚、自重大，現場施工難度極大，按照傳統方法需要較長時間［8］。所以經過分析最終確定大鐵咽喉段分為4個施工段進行施工，弧形拱頂采用分層澆筑法，分3次進行澆筑，一方面緩解支撐體系的荷載壓力，同時確保澆筑質量。再借助BIM技術進行方案分析和實施輔助，以解決大鐵弧形拱頂施工的各項難題。方案樣板模型如圖6所示。

弧形頂板在澆筑時，頂板與側墻的節點處會承受絕大部分頂板的自重荷載和澆筑荷載［7］。所以在考慮整體措施時，還需要考慮到局部集中荷載對這些區域進行加固。支撐方案確定以后，通過品茗受力計算軟件對支撐體系進行安全性驗算，驗算通過以后建立精確的BIM模型以備方案模擬和方案實施討論，最終支撐體系的主要材料以及布置方式如表1所示。

2.3BIM技術應用切入點分析

BIM技術是建筑設計從二維到三維的轉變，彌補了平面設計在空間上的不足，能夠精確反映模板以及支撐立桿在空間上的變化。所以在措施方案確定以后也就確定了BIM技術應用的切入點，由于受弧度漸變的影響，立桿在中心平行線上的高度都不一樣，BIM技術要重點解決支模架立桿在不同點位的高度控制，這樣就能夠精確提取支撐體系的材料用量，指導模板裁切以及不同高度立桿的定位了。

2.4實施方案對比

相比結構建模來講，措施建模工作更為復雜，技術要求高、信息含量大、精度控制難。為保證快速有效完成工作，實施的方案需要結合施工、技術進行深入思考，并從工期計劃、質量控制、成本控制、以及可實施性等多個方面進行分析。

經過反復的分析和驗證，基本可以確立2套不同的BIM技術切入思路。方案一為基于精確的模型，完全構建一套模板及支撐體系模型，用以指導施工。方案二為借助精確的模型，通過平面等高線原理，利用BIM技術進行里程切圖，分析不同情況下的誤差，選擇合適模數的立桿。將對2種方案思路進行對比分析（表2）。

根據以上方案對比分析，可以發現方案二對于施工措施方案落地具有更高的操作性。但是需要仔細驗證誤差是否在可調范圍內，如果存在的估算誤差能夠通過調節頂托高度進行彌補，那么方案二便可在實際施工中進行應用。

2.5誤差驗證

誤差驗證需要通過BIM模型在不同里程段進行切圖，考慮各種不利因素條件下存在的誤差情況，并進行誤差分析。誤差驗證分析按照幾個步驟進行。

2.5.1BIM模型分段

將模型按照里程進行分段（圖7）。

2.5.2繪制等高線

由于每一個里程段內的拱頂失高一致，故而拱頂相同標高的點投影到地面為一條直線。根據立桿的最小模數，選擇500mm為高差將等高線在平面圖中繪制以后如圖7所示。

2.5.3立面驗證

在模型中設置參照平面，以參照平面設置1-1剖面，繪制豎向參照線垂直于參照平面，在1-1剖面圖中由拱頂往下按照500mm間距繪制等高水平線，核對等高水平線是否與垂直等高線交于拱頂弧上，完成立面驗證。在實際驗證過程中我們對失高較高與失高較低的2種類型孔進行了抽樣檢查，單點在拱頂弧上的誤差控制在3cm以內如圖8所示。

2.5.4估讀誤差驗證

在進行立桿搭設時較大一部分立桿分布在等高線之間，一部分處于材料規格選擇模糊區域的立桿必然需要進行高度估讀，估讀的高差同樣需要控制在頂托可調范圍內，才能保證材料的正常使用。在保證頂托底端至少一半以上插入立桿，可調部分有50～300mm的空間。將相鄰豎向和水平等高線交點對角相連，在垂直方向上與拱頂弧的高差視為估讀誤差（圖9（a）），就可以通過估讀點距離等高線邊的比例來確定該點的高度，計算方法如圖9（b）。為確定估算的準確性，我們按照大鐵里程段上每2000mm為一個點進行測算，同時對失高較高和失高較低2種極端情況進行驗證，其平均誤差在5cm左右，最大誤差也不超過8cm，相比頂托可調部分來講已經足夠滿足材料選擇要求。

已知圖示中的H為某一等高線的高度，A和a可以在平面圖中進行測量，由此可根據公式計算該處立桿高度L。

L=H-500a/A

a/A為水平方向所求立桿與相鄰較高立桿間間距與此處相鄰等高線長的比例，該比例可以在布置立桿時進行估算。

2.5.5綜合分析

通過BIM技術在各個里程段面上的斷面圖，對立桿高度可調誤差進行分析，其最大誤差不超過頂托可調范圍，所以方案二可以應用于現場施工。在工期緊迫的情況下，方案二能夠快速地為現場立桿布置提供解決方案，同時利用BIM的可出圖性將等高線及控制點導出為平面出圖，方便現場技術人員操作和實施。在完成出圖以后首先完成樣板區域支架體系搭設，并通過BIM技術進行可視化交底，確保現場施工人員以及管理人員能夠理解該實施方案。另外BIM技術部實時進行過程跟蹤，就能夠保證方案有效實施。

2.6方案實施

方案經過可行性驗證以后按照流程實施。

（1）BIM工程師檢查模型的準確性，按照里程導出方案施工圖以及等高線分布圖，并在等高線分布圖上標記相同模數規格的立桿。

（2）通過模型結合圖紙進行技術交底。

（3）測量放線人員在大鐵底板上將等高線用墨線彈出。

（4）高支模架子工班組按照模型導出的材料表進行備料，并按照方案施工圖結合地面彈出的等高線分布墨線搭設架體。

（5）組織樣板段施工，驗證方案的可行性。

（6）BIM技術部人員全過程跟蹤支撐架體施工，及時通過模型檢查支架體系的正確性，一旦出現超過預期的誤差，及時進行處理，并明確誤差出現的原因，避免技術誤差與施工誤差疊合。

（7）通過物聯網手段進行技術參數傳遞，通過模型進行技術溝通協調。

BIM云平臺技術可以在PC應用終端和移動應用終端實現各種服務，可以為現場施工人員提供可視化功能模塊、現場施工管理模塊、檢測信息與預警預報功能模塊等［9-10］。在項目施工的過程中，可以利用BIM云平臺進行過程管理，進一步提高管理效率（圖10）。

3效益

天府國際機場大鐵弧形拱頂在施工方案論證及實施過程中BIM技術從多個方面發揮了重要作用，加快了施工進度、提高工程質量、減少施工風險、降低成本投入。

（1）進度方面：BIM技術通過可視化的手段快速模擬了多套對比方案，提高了方案的溝通效率，為方案調整和論證節省了時間。在方案實施的過程中，BIM技術通過可視化的交底，向施工隊和管理人員快速傳遞了整個方案，并導出方案施工圖，進一步提高了實施效率。

（2）質量方面：方案在實施之前通過BIM技術對方案進行了模擬，精確確定了模板以及支撐體系的定位，使次檁條的弧度精確，模板裁切布置合理，支撐體系受力均勻、科學，大幅度提高了安裝精度，也提高了最終混凝土的成型質量。

（3）成本方面：BIM技術合理規劃了支撐體系布置，同時精確地統計了措施材料用量，對于材料準備、調運和使用都能夠精確進行預控，避免了傳統施工中“充足備料、局部倒運”的情況，減少了材料多余的租賃費、二次搬運成本和施工中損耗。

（4）風險方面：由于提前預規劃了整套實施方案，在方案討論的過程中就過濾了大部分的風險，在借助BIM技術的模擬性、可視化、集成統一的檢查，更進一步降低了可能存在技術、施工、管理風險。

4結束語

BIM技術是建筑工程設計、施工和管理的一項新工具，如何發揮BIM技術的優勢對工程建設起到關鍵性的作用，是建筑工程師需要持續研究的課題。每個工程項目都具有不同的特點，通過BIM應用點壘砌式地實施容易造成資源浪費，且難以在工程建設中發揮真正價值，致使BIM技術成為“雞肋技術”。而通過BIM技術有針對性地解決工程難點、痛點，從進度、質量、安全、成本等多個方面分析，精準找尋BIM技術切入點，才能夠真正發揮BIM技術最大價值。隨著社會不斷進步，人們掌握新技術和開發新技術能力的提升，更多的技術手段、施工方法、管理模式都將被廣泛使用。BIM技術的延伸不僅是本身技術更新，更多還有多方法、多路徑的技術融合，單點式的技術切入也將逐步改變某些技術面和管理面，最終逐步形成新的建筑工程全過程管理架構體系。

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