BIM技術(shù)在既有鐵路車站站改工程施工階段的應(yīng)用研究

陳一鑫，馬少雄，徐 宏

(1.中國中鐵股份有限公司，北京 100039；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；3.中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展。在建國初期至20世紀(jì)90年代修建的鐵路已經(jīng)不能滿足運(yùn)營需求，鐵路擴(kuò)能改造勢在必行。此類工程的共同點(diǎn)是既有線施工，安全風(fēng)險(xiǎn)大[1-5]。其中站改工程是鐵路擴(kuò)能改造工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。建設(shè)單位、施工單位如何將站改工程合理、安全、高效地組織到位，更是鐵路擴(kuò)能改造工程的重中之重。

站改工程能否順利、快捷的進(jìn)行，站改方案的合理與否是關(guān)鍵。站改方案的合理性是建立在各專業(yè)施工內(nèi)容融合的基礎(chǔ)之上的，然而，站改工程涉及專業(yè)的多樣性(土建、通信、信號、供電、接觸網(wǎng)等)和專業(yè)的特殊性致使建設(shè)單位和各施工單位無法準(zhǔn)確地把握全部專業(yè)的特點(diǎn)和施工內(nèi)容，導(dǎo)致在施工中存在盲目性。

目前，站改工程各專業(yè)圖紙均采用傳統(tǒng)的二維圖紙。各專業(yè)設(shè)計(jì)是否合理和各專業(yè)之間施工內(nèi)容是否存在影響均無法提前檢驗(yàn)，導(dǎo)致各專業(yè)在施工過程中出現(xiàn)停工和返工現(xiàn)象。因此，對各專業(yè)圖紙進(jìn)行整合，提前了解各專業(yè)施工內(nèi)容是確定站改方案的基礎(chǔ)，對方案的合理性進(jìn)行檢查更是站改工程的關(guān)鍵。

1 項(xiàng)目概況

1.1 城固車站站改工程介紹[6]

本工程位于陽安二線既有城固車站，站改范圍K144+200～K146+260，既有到發(fā)線4條(含正線1條)，均為60 kg/m軌，新增正線在進(jìn)站端與既有正線并行引入，改建后設(shè)到發(fā)線5條(含2條正線)，有效長度為880 m。車站對側(cè)新建中間站臺1座，改建站臺1座，新建接觸網(wǎng)工區(qū)1處，新建1—8 m旅客地道1處，改建既有專用線，相應(yīng)改建車站咽喉。

1.2 本項(xiàng)目施工階段特點(diǎn)[6-7]

(1)既有線施工，行車安全風(fēng)險(xiǎn)大

陽安鐵路，西起寶成鐵路的陽平關(guān)車站，經(jīng)寧強(qiáng)、勉縣、漢中、洋縣、西鄉(xiāng)、石泉、漢陰等縣(市)境，東抵陜南重鎮(zhèn)安康，與襄渝鐵路接軌，全長356.5 km。是橫貫陜南，連接寶成、襄渝2條鐵路干線的聯(lián)絡(luò)線，是中國第二條電氣化鐵路。該線路行車密度大，陽安二線施工距離既有線較近，為臨近營業(yè)線施工，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

(2)管線復(fù)雜，管線安全壓力大

由于陽安線為電氣化鐵路，管線(信號、通信、供電、接觸網(wǎng))錯綜復(fù)雜，對站改施工提出了更高的安全要求。

(3)專業(yè)繁雜，交叉施工作業(yè)多

站改工程牽涉專業(yè)多，且各專業(yè)施工均要在站改施工周期內(nèi)全部實(shí)現(xiàn)，空間和時間交叉面多，協(xié)調(diào)難度大。

(4)要點(diǎn)施工，對工序施工作業(yè)效率要求高

站改施工為既有線施工，既要保證鐵路的正常運(yùn)營，又要完成站改施工任務(wù)，這就要求施工必須在有限的時間內(nèi)完成，影響鐵路運(yùn)營的施工工序只能在鐵路封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，這就要求點(diǎn)內(nèi)施工必須高效、快速、保證質(zhì)量地完成施工任務(wù)。因此，對站改施工方案的要求極高。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)

BIM(Building Information Modeling，即：建筑信息模型)是利用數(shù)字模型對項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程。包含了項(xiàng)目所有的幾何、物理、功能和性能信息，項(xiàng)目不同的參與方在項(xiàng)目的各個階段可以基于同一模型，利用和維護(hù)這些信息進(jìn)行協(xié)同工作，對項(xiàng)目進(jìn)行各種類型和專業(yè)的計(jì)算、分析和模擬。BIM的提出和發(fā)展，對工程建設(shè)行業(yè)的科技進(jìn)步產(chǎn)生了重大影響。應(yīng)用BIM技術(shù)可大幅度提高工程建設(shè)的集成化程度，促進(jìn)工程建設(shè)行業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，提高投資、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維乃至整個工程生命期的質(zhì)量和效率，提升科學(xué)決策和管理水平。利用BIM技術(shù)指導(dǎo)工程施工，可以有效支撐工業(yè)化建造和綠色施工、優(yōu)化施工方案，促進(jìn)工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理、提高工程質(zhì)量、降低成本和安全風(fēng)險(xiǎn)[8-16]。

針對城固車站站改工程具體特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)BIM技術(shù)在鐵路工程方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，主要研究應(yīng)用BIM技術(shù)解決站改工程施工中方案的確定和施工管理中存在的問題。具體分為以下幾個方面：

(1)建立城固車站站改前后BIM對比模型，并進(jìn)行整合，在模型中直觀地展示新老站場交叉范圍，對站改方案的確定起到直觀的指導(dǎo)和輔助作用；

(2)借助BIM可視化、可模擬性的優(yōu)勢，對站改方案的比選、優(yōu)化與確定起輔助作用；

(3)借助精細(xì)化BIM模型，對關(guān)鍵部位的測量信息進(jìn)行復(fù)核；

(4)通過站改方案BIM模擬協(xié)助布置場地以及制定材料進(jìn)場計(jì)劃；

(5)應(yīng)用BIM模擬技術(shù)對車站站改方案及關(guān)鍵工藝進(jìn)行交底。

3 BIM技術(shù)在本工程施工中的應(yīng)用

3.1 建模

建立精確、可靠的數(shù)字信息模型是運(yùn)用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工的前提條件。本工程主要根據(jù)后期應(yīng)用進(jìn)行建模劃分，并將類似結(jié)構(gòu)，或者一些標(biāo)準(zhǔn)、通用構(gòu)件，提前嵌入零部件中，通過提取這些知識，并在模型內(nèi)部進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)知識的重用，提高建模效率。采用CATIA建模軟件對城固車站所有二維CAD圖紙進(jìn)行整合，模型數(shù)據(jù)均與二維圖紙相對應(yīng)，精度高、數(shù)量全。模型包括路基、橋涵、軌道(既有和新建)、道岔、信號、接觸網(wǎng)、旅客地道、雨棚。如圖1～圖3所示。

圖1 城固車站既有設(shè)備BIM模型

圖2 城固車站站改后BIM模型

圖3 城固車站站改工程BIM模型細(xì)部構(gòu)造示意

3.2 審圖及碰撞檢查

圖紙會審是工程項(xiàng)目技術(shù)部門在前期項(xiàng)目準(zhǔn)備階段的主要內(nèi)容之一，是保證圖紙準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)。利用BIM模型將三維的工程實(shí)體進(jìn)行全方位顯示，直接、清晰地表示出各專業(yè)構(gòu)件之間的空間關(guān)系，大大降低技術(shù)人員理解圖紙的難度，提高工作效率。本工程共發(fā)現(xiàn)旅客地道、路基、接觸網(wǎng)立柱與水溝、給水消防管與旅客地道、雨水污水管與旅客地道、旅客地道與雨棚、雨棚基礎(chǔ)和雨水污水管、信號燈與水溝等專業(yè)間碰撞共21處。圖4顯示部分碰撞情況。

圖4 部分碰撞情況示意

3.3 交叉施工

由于站改工程涉及專業(yè)多，交叉施工是不可避免的。為使各專業(yè)施工在前期部署和施工計(jì)劃安排上更加合理，減少返工和浪費(fèi)，通過BIM軟件對各專業(yè)圖紙進(jìn)行整合，結(jié)合BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢，使各專業(yè)在模型視圖中對施工內(nèi)容更加清晰，對不同專業(yè)之間存在交叉施工的部位和區(qū)域進(jìn)行匯總，為站改工作的推進(jìn)提供依據(jù)。圖5列出應(yīng)用BIM技術(shù)檢查出的典型電纜過軌情況，為信號線路及軌道線路交叉施工安全順利進(jìn)行提供可靠依據(jù)。

圖5 電纜過軌施工示意

3.4 遷改工程

對既有線、既有構(gòu)造物、設(shè)計(jì)線路模型進(jìn)行整合并綜合分析，借助BIM技術(shù)的三維可視化優(yōu)勢，將站改工程需要拆遷的線路和構(gòu)造物進(jìn)行匯總分析，確定拆遷范圍和內(nèi)容，從而更形象、更直觀地對站改工作量進(jìn)行把握，在站改項(xiàng)目實(shí)施前做好拆遷工作，為站改正式啟動掃清障礙(圖6，圖7)。

圖6 設(shè)計(jì)線路和既有線路及既有構(gòu)造物模型整合

圖7 K144+883～K145+113需要拆除股道示意

3.5 放樣坐標(biāo)的查詢

精細(xì)化BIM模型能夠提供高精度的坐標(biāo)信息，對關(guān)鍵部位的測量信息進(jìn)行復(fù)核，并直接為施工現(xiàn)場提供數(shù)據(jù)來源。如表1所示。

表1 城固車站站改工程坐標(biāo)復(fù)核一覽

3.6 站改方案模擬

借助BIM技術(shù)的可視化和可模擬性，對站改方案進(jìn)行模擬施工，同時對方案的合理性進(jìn)行分析和討論，進(jìn)行優(yōu)化后用于指導(dǎo)施工。

3.7 場地布置及材料計(jì)劃安排

根據(jù)站改方案的BIM模擬，結(jié)合既有線及既有構(gòu)造物情況，借助BIM模型的可視化優(yōu)勢，確定施工材料的進(jìn)場順序和堆放位置，保證站改工程材料進(jìn)場順利進(jìn)行，既不耽誤施工進(jìn)度又能做到工完料清，實(shí)現(xiàn)材料及場地的科學(xué)管理和合理利用。如圖8、表2所示。

圖8 某處材料場地位置示意

表2 城固車站站改工程材料進(jìn)場計(jì)劃

3.8 站改施工關(guān)鍵工藝模擬

借助BIM技術(shù)對關(guān)鍵工藝進(jìn)行模擬，可以使技術(shù)人員對施工工藝及方法有更加深刻的認(rèn)識和掌握，在施工現(xiàn)場可以更加熟練及時地指導(dǎo)施工。尤其對于日益年輕化的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，此項(xiàng)工作更顯重要。

3.9 結(jié)構(gòu)物的虛擬建造

將BIM模型導(dǎo)入工作平臺，使模型與施工計(jì)劃甘特圖相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型與時間軸相對應(yīng)的虛擬建造，見圖9。

3.10 漫游

利用BIM軟件和VR眼鏡在城固車站模型中進(jìn)行漫游，使項(xiàng)目建設(shè)管理者在施工前對建成的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)感官上的總體認(rèn)識，為指導(dǎo)施工提供依據(jù)。在進(jìn)行漫游的同時可以進(jìn)行問題的管理和剖切面的查看。見圖10。

圖9 旅客地道虛擬建造截圖

圖10 旅客地道剖面

4 結(jié)論

(1)建立了城固車站站改工程精細(xì)化BIM模型，為應(yīng)用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工提供可靠依據(jù)。

(2)借助BIM技術(shù)，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)化、可視化、可模擬化以及協(xié)同工作優(yōu)勢，完成審圖及碰撞檢查、交叉施工情況分析、遷改工程深入論證、施工關(guān)鍵工藝模擬、結(jié)構(gòu)物虛擬建造以及漫游等施工前期準(zhǔn)備工作，為工程施工高效推進(jìn)提供了參考依據(jù)。

(3)BIM技術(shù)在城固車站站改工程中的成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對于類似工程應(yīng)用BIM技術(shù)具有較好的借鑒作用。