基于BIM技術(shù)的鐵路房屋裝配式建筑研究

趙振利，楊斌，米宏廣，張輪輪，鮑春龍

（1. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308；2. 京沈鐵路客運(yùn)專線京冀有限公司，北京 100166；3. 中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

近年來，國家和地方出臺(tái)多項(xiàng)政策和指導(dǎo)意見，大力推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，推廣裝配式建筑，推進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展[1]，全國各地區(qū)、建筑各領(lǐng)域都在積極推進(jìn)裝配式建筑的研究和探索，“推動(dòng)建造方式創(chuàng)新，大力發(fā)展裝配式混凝土和鋼結(jié)構(gòu)建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例”[2]。目前，預(yù)制裝配式建筑在民用建筑中應(yīng)用較多[3]，但在鐵路行業(yè)，尤其在鐵路區(qū)間房屋中，預(yù)制裝配式建筑尚處于起步階段。鐵路區(qū)間房屋具有數(shù)量多、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可復(fù)制性強(qiáng)等特點(diǎn)，十分有利于裝配式施工，因此有必要針對(duì)鐵路生產(chǎn)生活房屋的設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)狀，結(jié)合鐵路自身的特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)鐵路房屋裝配式建筑進(jìn)行系統(tǒng)的、有針對(duì)性的研究。

BIM技術(shù)是建筑業(yè)推進(jìn)的另一個(gè)主要方向，其對(duì)裝配式建筑的作用可貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維全過程，如在設(shè)計(jì)階段的拆分模型、模塊化設(shè)計(jì)、精細(xì)化建模等，在生產(chǎn)階段的自動(dòng)計(jì)算和加工，在安裝階段的現(xiàn)場(chǎng)吊裝與模擬，以及運(yùn)維階段的后期管理等[4-5]。“BIM+裝配式建筑”有利于發(fā)揮2種概念的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)鐵路房屋向智能化、信息化方向發(fā)展。

1 鐵路房屋裝配式建筑研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前的裝配式建筑包括預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制集裝箱房屋等結(jié)構(gòu)類型[6]，其中預(yù)制集裝箱式機(jī)房在武廣高鐵中有所應(yīng)用，但由于防潮、耐久性等問題，箱式機(jī)房在應(yīng)用一段時(shí)間后被棄用。裝配式鋼結(jié)構(gòu)在鐵路站臺(tái)雨棚、檢修庫等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，但在生產(chǎn)生活房屋中應(yīng)用較少。近年來，輕型鋼結(jié)構(gòu)在小型鐵路房屋中有所應(yīng)用，在石濟(jì)客專、京沈客專沿線的鐵路治安崗?fù)げ捎醚b配整體式輕鋼結(jié)構(gòu)（見圖1），取得了良好的使用效果。京雄鐵路目前正在積極推進(jìn)裝配式試點(diǎn)房屋建設(shè)（見圖2），在通信基站等小型房屋中采用裝配式建筑輕鋼龍骨復(fù)合墻體體系，對(duì)裝配智能建筑進(jìn)行了積極探索。在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)方面，新疆阿富準(zhǔn)鐵路在生產(chǎn)生活房屋整合的基礎(chǔ)上，站區(qū)以及部分區(qū)間房屋采用了裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目正在推進(jìn)中（見圖3）。此外，裝配式擋墻、圍墻等構(gòu)筑物也在鐵路項(xiàng)目中開始應(yīng)用（見圖4）。目前，鐵路裝配式建筑正呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

鐵路行業(yè)關(guān)于裝配式建筑的研究起步較晚，從2014年至今，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（原中國鐵路總公司）、各鐵路設(shè)計(jì)院及相關(guān)科研院校先后對(duì)裝配式雨棚、裝配式擋墻（管溝）、鐵路區(qū)間裝配式建筑及定額等開展專題研究，取得了相關(guān)的研究成果并編制了通用參考圖。2018年，針對(duì)裝配式建筑輕鋼龍骨復(fù)合墻體，中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司、中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司等單位聯(lián)合中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司共同對(duì)其耐久性問題開展專門試驗(yàn)研究。但基于BIM技術(shù)的鐵路房屋裝配式建筑及其智能建筑等研究目前尚未開展。

2 基于BIM技術(shù)的鐵路房屋裝配式建筑

裝配式建筑的核心是“集成”，BIM技術(shù)是“集成”的手段，可實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全過程、全專業(yè)的集成應(yīng)用[7]。現(xiàn)以鐵路區(qū)間房屋為例，利用BIM技術(shù)及其理念對(duì)裝配式建筑進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)其全過程的信息化和智能化進(jìn)行探索。

2.1 設(shè)計(jì)階段

圖1 裝配整體式治安崗?fù)?

圖2 京雄鐵路裝配式房屋（試點(diǎn)）

圖3 裝配式混凝土房屋（鐵路工區(qū)）

圖4 裝配式圍墻

裝配式建筑設(shè)計(jì)不僅是構(gòu)件的拆分與組裝，還是多專業(yè)的集成與融合，BIM技術(shù)能很好地滿足設(shè)計(jì)各階段的需求。鐵路房屋裝配式建筑的前提是標(biāo)準(zhǔn)化，需要房屋的尺寸符合建筑模數(shù)要求。BIM技術(shù)通過族庫建立各種形式的預(yù)制構(gòu)件，可通過多種組合與方案比選，實(shí)現(xiàn)裝配式標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。裝配式建筑由于集成的需要，涉及建筑、結(jié)構(gòu)、水暖、四電等多個(gè)專業(yè)，BIM技術(shù)能通過構(gòu)建的設(shè)計(jì)平臺(tái)支持多專業(yè)進(jìn)行不同階段的協(xié)同設(shè)計(jì)。裝配式建筑強(qiáng)調(diào)集成化設(shè)計(jì)，需要在墻板等預(yù)制構(gòu)件中考慮各種管線、孔洞的預(yù)埋，同時(shí)裝配式建筑要求全裝修，提倡裝配化裝修的理念，BIM技術(shù)通過三維可視化形式，對(duì)管線、構(gòu)件、裝修等進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)，進(jìn)行碰撞檢查及優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)布置的合理性。鐵路房屋裝配式建筑BIM模型見圖5，裝配式建筑管線集成見圖6。

BIM技術(shù)對(duì)鐵路房屋裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在深化設(shè)計(jì)方面，深化設(shè)計(jì)模型在施工圖設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，通過增加或細(xì)化模型元素等方式進(jìn)行創(chuàng)建，對(duì)主要節(jié)點(diǎn)、管線、埋件、構(gòu)件、連接件等進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，同時(shí)將非幾何信息錄入模型或利用BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺(tái)關(guān)聯(lián)至模型，通過對(duì)模型信息的不斷豐富，逐步完善BIM模型，為后續(xù)構(gòu)件的制作與安裝打下良好基礎(chǔ)。

圖5 鐵路房屋裝配式建筑BIM模型

圖6 裝配式建筑管線集成

2.2 生產(chǎn)階段

在鐵路房屋裝配式建筑構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，BIM技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在構(gòu)件的放樣以及預(yù)加工等方面。預(yù)制加工的BIM模型以深化設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過制定工藝方案并與預(yù)制加工模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在預(yù)制加工過程中進(jìn)一步補(bǔ)充材料信息、生產(chǎn)批次信息、構(gòu)件屬性、零構(gòu)件圖、工序工藝、工期成本信息、質(zhì)檢信息、生產(chǎn)責(zé)任主體等信息。通過直接從預(yù)制加工模型中提取加工信息，并使用專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助軟件生成相關(guān)數(shù)控工藝文件，實(shí)現(xiàn)BIM模型的放樣。

裝配式建筑構(gòu)件規(guī)格一致、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，便于工廠化制作，而BIM為構(gòu)件的智能制造提供了強(qiáng)大的技術(shù)載體。BIM技術(shù)結(jié)合Sino-BIM云平臺(tái)等信息化管理手段可對(duì)拆分后構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)每個(gè)構(gòu)件通過二維碼方式實(shí)現(xiàn)“一物一碼”標(biāo)識(shí)，同時(shí)植入無限射頻芯片（RFID），對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗M(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤（見圖7），可達(dá)到工廠化智能制造、現(xiàn)場(chǎng)智能裝配、節(jié)能環(huán)保、綠色智能融合等目的，實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目全生命周期管理的理念。

2.3 施工階段

BIM技術(shù)在施工階段主要體現(xiàn)在施工模擬方面。以京雄鐵路裝配式建筑為例，通過分析裝配式建筑的施工工藝，利用虛擬施工技術(shù)對(duì)裝配式建筑的場(chǎng)地布置、構(gòu)件吊裝、節(jié)點(diǎn)連接等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行施工模擬。同時(shí)，通過不同軟件、不同插件的使用對(duì)比，以及操作過程中不同實(shí)施方式的分析，對(duì)虛擬施工中建模過程、碰撞檢測(cè)、施工進(jìn)度模擬、漫游制作等方面進(jìn)行探索，在符合經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性的條件下，完成對(duì)裝配式建筑虛擬施工的模擬。BIM可為裝配式建筑進(jìn)行全過程虛擬施工模擬提供有效的軟件與技術(shù)支持，同時(shí)為裝配式建筑施工提供實(shí)際參考依據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義，可有效避免浪費(fèi)，并可提前把握施工過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，為優(yōu)質(zhì)高效地開展施工提供依據(jù)?；贐IM的裝配式建筑拼裝圖見圖8。

圖7 基于BIM的“一物一碼”管理

圖8 基于BIM的裝配式建筑拼裝圖

3 相關(guān)建議

當(dāng)前鐵路房屋裝配式建筑的研究與應(yīng)用取得了一定進(jìn)展，但由于鐵路房屋自身的特點(diǎn)，在構(gòu)件性能、安裝施工以及造價(jià)定額等方面還存在種種制約因素，限制了裝配式建筑的規(guī)?；瘧?yīng)用。展望鐵路房屋裝配式建筑的發(fā)展，可從以下方面開展進(jìn)一步研究和完善：

（1）鐵路房屋種類多，涉及專業(yè)多，工藝要求多樣，建筑尺寸、平面、規(guī)格上也不盡相同，因而裝配式構(gòu)件種類眾多，標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)的難度大且生產(chǎn)成本較高。因此，可利用BIM技術(shù)開展房屋整合研究，在滿足工藝專業(yè)要求的前提下，通過BIM模型的方案對(duì)比，對(duì)各類房屋進(jìn)行整合和歸并，統(tǒng)一規(guī)劃布置并預(yù)留發(fā)展條件，提高房屋的標(biāo)準(zhǔn)化，形成構(gòu)件的模塊化，達(dá)到生產(chǎn)的工業(yè)化，以降低整體造價(jià)。

（2）鐵路房屋裝配式建筑相關(guān)的規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，如裝配式預(yù)制率與裝配率、評(píng)價(jià)等級(jí)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。目前，《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[8]中規(guī)定了裝配率的計(jì)算和評(píng)價(jià)等級(jí)，各地方根據(jù)實(shí)際情況規(guī)定了裝配式預(yù)制率與裝配率的具體計(jì)算細(xì)則，但鐵路行業(yè)還沒有明確的裝配式預(yù)制率與裝配率的計(jì)算細(xì)則。鐵路裝配式建筑施工過程中缺少流程控制標(biāo)準(zhǔn)及工藝標(biāo)準(zhǔn)，且在目前裝配式結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中還存在一定缺陷[9]，這些都在一定程度上限制了裝配式建筑的推廣。此外，鐵路房屋中的BIM技術(shù)尚缺少統(tǒng)一的應(yīng)用指南，模型信息深度、精度以及成果文件等沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這也在一定程度上限制了“BIM+裝配式建筑”的融合應(yīng)用。

（3）目前，鐵路房屋裝配式建筑的設(shè)計(jì)集成化、裝配智能化水平不高。建筑設(shè)計(jì)及構(gòu)件拆分中，僅考慮管線、孔洞的設(shè)計(jì)，尚未綜合考慮智能監(jiān)測(cè)、建筑全裝修、集成廚衛(wèi)等集成設(shè)計(jì)。生產(chǎn)和安裝過程中，智能建造和信息化管理也處在初期探索階段。因此，裝配式建筑的智能研究應(yīng)在既有成果基礎(chǔ)上，大力發(fā)展適用于鐵路房屋的BIM 信息化管理平臺(tái)，以產(chǎn)業(yè)鏈為主線，通過實(shí)時(shí)采集項(xiàng)目審批、設(shè)計(jì)、建材及部品生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程、施工及裝配過程、監(jiān)理驗(yàn)收及運(yùn)營過程等全生命期質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑質(zhì)量可溯源，利于上下游企業(yè)及企業(yè)內(nèi)部信息共享互通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、施工的信息化管理。

（4）加快鐵路房屋裝配式建筑定額及經(jīng)濟(jì)性研究。目前，房屋裝配式建筑缺少相應(yīng)的鐵路定額，且造價(jià)較高，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)投資增加20%～35%，這也是制約鐵路房屋裝配式建筑應(yīng)用的主要因素之一。鐵路房屋裝配式建筑定額及造價(jià)應(yīng)綜合考慮工程量規(guī)模、構(gòu)件模數(shù)化程度、施工環(huán)境、運(yùn)輸條件、運(yùn)輸距離等多種因素，計(jì)算設(shè)計(jì)費(fèi)用、生產(chǎn)運(yùn)輸費(fèi)用、吊裝安裝費(fèi)用等[10]。下一步工作中，可利用BIM技術(shù)在工程量統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)物資管控等方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)預(yù)制構(gòu)件的自建自產(chǎn)與民用市場(chǎng)采購進(jìn)行深入對(duì)比，確定合理的建廠距離和采購模式，實(shí)現(xiàn)鐵路裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)合理。

（5）在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合EPC模式，開展設(shè)計(jì)施工一體化以及產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化研究。EPC模式與裝配式建筑技術(shù)相結(jié)合，在項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)優(yōu)化與資源整合、工期控制、成本控制和專業(yè)化管理等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[11]，可以結(jié)合目前正在實(shí)施的鐵路EPC項(xiàng)目，開展裝配式建筑的設(shè)計(jì)-加工-裝配一體化協(xié)同控制研究。同時(shí)，針對(duì)鐵路小型生產(chǎn)生活房屋開展全裝配整體式建筑研究，進(jìn)而形成產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

由于裝配式建筑具有綠色環(huán)保、節(jié)約工期、管理成本低、施工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，以及近年來國家政策的大力支持，裝配式建筑在鐵路房屋中有很好的發(fā)展前景，而BIM技術(shù)為裝配式提供了強(qiáng)大的載體和技術(shù)支撐。應(yīng)著重在房屋標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化、裝配式建筑與BIM技術(shù)的深入融合、設(shè)計(jì)施工一體化等方面開展深入研究，解決裝配式建筑設(shè)計(jì)與施工中的突出問題，推進(jìn)鐵路生產(chǎn)生活房屋的建筑工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)智能鐵路的發(fā)展。