新建福廈鐵路FX-8標(biāo)BIM技術(shù)應(yīng)用

王明剛

(中鐵四局集團第五工程有限公司，九江 332000)

1 工程概況

1.1 項目簡介

新建福廈鐵路是東南沿海鐵路的重要客運通道，是福建省第一條時速350km和國內(nèi)建設(shè)的第一條跨海高鐵。中鐵四局承建的FX-8標(biāo)位于廈門市境內(nèi)，線路經(jīng)翔安區(qū)、同安區(qū)、集美區(qū)，正線全長29.296km，主要包含橋梁、隧道、站場路基、預(yù)制箱梁、CRTSⅠ型雙塊式軌枕預(yù)制等施工任務(wù)。

圖1 福廈鐵路8標(biāo)BIM模型

1.2 工程重難點

(1)標(biāo)段內(nèi)地理環(huán)境復(fù)雜，建筑物、電力線路、道路密集交叉，遷改工程量大，施工干擾大。本標(biāo)段位于廈門北站附近，線路穿越人口密集區(qū)，涉及遷改項大。

(2)福社隧道、新劉塘3號隧道立體交叉，福社隧道下穿新劉塘三號隧道(廈門北動走四線單線隧道段)，隧頂距新劉塘3號隧道凈距5.6m，施工風(fēng)險大，安全要求高。

(3)本線與既有鐵路、高速公路及眾多城市道路并行且多次交叉，臨近營業(yè)線及既有線施工工點多，施工安全風(fēng)險高。

(4)橋梁占比高，技術(shù)難度大、質(zhì)量標(biāo)準高。特殊橋跨較多； 其中西溪特大橋轉(zhuǎn)體施工工藝復(fù)雜，安全風(fēng)險高； 特殊橋跨制約梁場設(shè)置位置和架設(shè)范圍[1]，跨標(biāo)段架設(shè)箱梁施工組織難度大。

為解決施工中的難題，確保工程安全質(zhì)量，樹立精品智慧工程品牌，項目全面應(yīng)用BIM技術(shù)進行施工應(yīng)用。通過建立起空間復(fù)雜關(guān)系的橋梁、隧道模型和三維傾斜攝影模型，還原虛擬施工現(xiàn)場，進行規(guī)劃設(shè)計、安全排查、方案模擬，提前將施工組織做到最優(yōu)化； 通過建管平臺應(yīng)用，提高現(xiàn)場的協(xié)調(diào)管理能力，加大管控力度，提升管理效率。

2 BIM應(yīng)用環(huán)境和組織

2.1 BIM應(yīng)用路線

項目BIM技術(shù)圍繞精益建造[2]和精益管理兩條路線開展：

精益建造(BIM模型技術(shù)應(yīng)用)：施工精細化，提高工程品質(zhì)，提質(zhì)增效。

精益管理(BIM協(xié)同管理)：數(shù)據(jù)集成，信息共享，高效溝通，管理協(xié)同，數(shù)據(jù)支撐決策。

2.2 組織架構(gòu)

為確保BIM技術(shù)的落地，成立了BIM技術(shù)團隊，包括BIM總工程師、顧問單位、BIM協(xié)調(diào)平臺組、BIM系統(tǒng)維護組、BIM模型組。

2.3 BIM軟硬件配置

項目設(shè)立智控中心，負責(zé)標(biāo)段BIM信息化管理，數(shù)據(jù)響應(yīng)，生產(chǎn)指揮，三維可視化會議服務(wù)。智控中心包括BIM應(yīng)用區(qū)，實體沙盤、VR體驗、信息化辦公，施工監(jiān)控。軟件系統(tǒng)主要以歐特克系列軟件為主，結(jié)合自主研發(fā)的建管平臺進行應(yīng)用。

圖2 智控中心效果

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM模型應(yīng)用

以BIM技術(shù)最基本的三維可視化應(yīng)用為根本，發(fā)揮BIM模型幾何特性，做好基本的碰撞檢查，圖紙審核、工程數(shù)量統(tǒng)計、技術(shù)指導(dǎo)、工藝模擬，達到減少返工、降低成本的目的。

模型創(chuàng)建：按照1∶1比例建立全標(biāo)段復(fù)雜空間關(guān)系BIM模型，建模范圍：橋梁、隧道、路基、涵洞、地形、項目駐地、預(yù)制場。

建模創(chuàng)新：研究了利用Dynamo快速建模的方法[3]，通過讀取構(gòu)件位置，實例化的方式，有效提高基礎(chǔ)工作的工作效率。

圖紙審核：通過建模虛擬建造過程，有效找出圖紙中存在的錯漏碰缺的問題共165項。

工藝模擬：通過工藝模擬，指導(dǎo)作業(yè)人員了解施工過程控制要點。

圖3 工藝模擬

3.2 重難點工程施工措施BIM深化

(1)西西特大橋工點應(yīng)用

西西特大橋采用轉(zhuǎn)體施工工藝，工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度大，安全風(fēng)險高。

建立起工點深化模型[4]，將工點的臨時結(jié)構(gòu)、施工設(shè)施進行合理的設(shè)計和布置，指導(dǎo)施工，并對轉(zhuǎn)體施工進行模擬，提前消除可能出現(xiàn)的安全及質(zhì)量問題。

圖4 西西特大橋轉(zhuǎn)體工點

(2)廈門北站路基工點應(yīng)用

廈門北站場地段路基工程股道多，橫斷面結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，很難使用Civil3d建立標(biāo)準橫斷面，項目創(chuàng)新地研究了利用Dynamo在指定位置放置橫斷面輪廓，分區(qū)融合方式建模，圓滿完成路基建模工作。同時對軟基處理、邊坡防護進行深化，以指導(dǎo)施工現(xiàn)場。

圖5 廈門北站路基

(3)上跨巖內(nèi)隧道工點應(yīng)用

廈門北站站場咽喉道岔區(qū)上跨巖內(nèi)隧道，最小凈距兩米，巖內(nèi)公路隧道原設(shè)計未考慮上跨鐵路荷載，安全風(fēng)險大。

利用BIM進行置換加固設(shè)計，通過施工模擬、解算驗證，實現(xiàn)施工方案細化和微調(diào)，消除隱患，為安全施工提供依據(jù)。

圖6 巖內(nèi)隧道工點

(4)隧道工點應(yīng)用

福社隧道、新劉塘3號、杭深線劉塘隧道、新劉塘1號、新劉塘2號等多條隧道、軌道近距離縱橫交錯，暗挖爆破施工對其他既有隧道影響等干擾因素多，施工風(fēng)險大。

項目利用Dynamo按照坐標(biāo)方式精確建立隧道模型，對安全施工距離進行逐一排查，并采用信息化監(jiān)測手段對爆破振動影響和列車過隧振動進行了采集分析預(yù)警，確保施工安全。

圖7 福社隧道工點

3.3 BIM技術(shù)綜合應(yīng)用

(1)衛(wèi)星地圖與航拍應(yīng)用

工程進場前期伴隨著大量的技術(shù)工作[5]，然而前期人員往往配置不足，采用衛(wèi)星地圖與CAD結(jié)合和航拍影像等手段可有效地減少基礎(chǔ)測量的工作量，減少跑現(xiàn)場的次數(shù)，一定程度地緩解技術(shù)工作壓力。

采用CAD和衛(wèi)星地圖結(jié)合應(yīng)用，將CAD繪制的紅線、構(gòu)筑物位置導(dǎo)入電子地圖中，進行前期紅線范圍確界、施工干擾調(diào)查、棄土場初步選址。

通過無人機航拍，傾斜攝影測量，實現(xiàn)對線路周邊環(huán)境規(guī)劃、便道規(guī)劃、電網(wǎng)、路網(wǎng)分布、拆遷規(guī)劃等進行可視化分析和指導(dǎo)。

圖8 無人機及地圖應(yīng)用

(2)三維激光掃描應(yīng)用

隧道開挖質(zhì)量是隧道控制的重點之一，在鐵路總公司紅線規(guī)定中包含隧道超欠挖的控制，項目引入三維激光掃描來控制隧道開挖質(zhì)量，通過三維立體的超欠挖分析，實時反映隧道爆破質(zhì)量，確保了隧道超欠挖有效控制。同時也實現(xiàn)對初支、二襯混凝土使用量的準確控制。

圖9 隧道掃描點云

(3)BIM技術(shù)在設(shè)備工裝設(shè)計方面的應(yīng)用

在墩身施工中，墩身養(yǎng)護質(zhì)量是重要環(huán)節(jié)，運用模型設(shè)計自動噴淋養(yǎng)生系統(tǒng)管路，可實現(xiàn)噴淋效果的預(yù)覽，確保養(yǎng)護質(zhì)量。

在人工挖孔樁工點，跟據(jù)挖孔樁施工空間功能布局及實際操作需求，直觀地設(shè)計了人工挖孔樁多功能胎架，大幅提高了人工挖孔樁施工效率，保證了抗滑樁順利完成。

(4)運梁過隧模擬

制約架梁工期的主要因素包括梁場的選址，隧道、現(xiàn)澆連續(xù)梁等關(guān)鍵性控制工程，項目在合理編排了隧道施工工期的基礎(chǔ)上，進行了運梁過隧的模擬，為運量及架梁路線的制定提供依據(jù)。

(5)存梁路徑優(yōu)化

預(yù)制梁場包括制梁、存梁、架梁三個環(huán)節(jié)，合理地設(shè)置存梁臺座及存梁是集約成本的重要途徑，項目開發(fā)存梁路徑優(yōu)化模塊，根據(jù)制梁、架梁順序，進行制存梁臺座間路徑分析，確保存梁路徑最短，減少二次搬運費用，節(jié)約成本。

圖10 存梁路徑模擬

3.4 BIM建管平臺研發(fā)和應(yīng)用

基于人機料文件工法及相關(guān)管理平臺接口，通過二維碼結(jié)合BIM及GIS模型，實現(xiàn)福廈8標(biāo)鐵路項目進度、質(zhì)量、安全、成本的精細化管理。為便于模型與內(nèi)控管理平臺關(guān)系對接，進行二次映射編碼，為每個構(gòu)件制定獨一無二且識別度極高的編碼規(guī)則。平臺按照數(shù)據(jù)采集層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、平臺服務(wù)層、數(shù)據(jù)層進行劃分。

圖11 平臺架構(gòu)

(1)基礎(chǔ)功能

實景模型：采用無人機傾斜攝影測量[6]方法，建立其全標(biāo)段的實景模型，航拍面積60km2，處理數(shù)據(jù)2 062G，針對這一大模型文件，通過輕量化GIS、坐標(biāo)統(tǒng)一，將BIM模型和實景模型融合進平臺。

交互漫游：跟據(jù)帶狀工程的特點，設(shè)計了里程工具條進行任意工點的切換，全方位查看工點及周邊設(shè)施情況； 平臺中設(shè)置旋轉(zhuǎn)、縮放、平移的模型，交互式漫游體驗，同時還包括第三人漫游和虛擬駕駛體驗。

構(gòu)件屬性查看[7]和動態(tài)管理：平臺上的每個構(gòu)件都包含了唯一的編碼[8]，與數(shù)據(jù)庫中的信息進行聯(lián)動，實現(xiàn)屬性直觀點選查看和動態(tài)管理維護，每個單元構(gòu)件的二維碼[9]與現(xiàn)場構(gòu)件進行掛接，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與平臺數(shù)據(jù)的有機結(jié)合。

圖12 虛擬駕駛

圖13 構(gòu)件屬性查看

(2)形象進度

形象進度：平臺采用模型著色方式實現(xiàn)實時進度的直觀查看，進度按照總體進度、分部分項工程進度進行統(tǒng)計。

圖14 形象進度

進度模擬：開發(fā)了TIMELINE工具條，并關(guān)聯(lián)施工計劃，拖拽Timeline進度條實現(xiàn)對本項目計劃進度的預(yù)覽，更加有效直觀地提升管理者對本項目進度的理解。

自動關(guān)聯(lián)和互導(dǎo)：針對施工現(xiàn)場日常報表的需求，進度模塊加入了進度臺賬的自動關(guān)聯(lián)和互導(dǎo)，定制了幾種常用的報表格式，減少技術(shù)人員重復(fù)工作量。

隧道進度：按照臺階開挖進尺、初支、二襯、仰拱等部位分別統(tǒng)計，并標(biāo)記圍巖等級，施工里程，便于進行分析。

圖15 隧道工點進度

(3)系統(tǒng)集成

為做好新建福廈鐵路8標(biāo)項目經(jīng)理部信息化建設(shè)、縱深推進標(biāo)準化管理的有關(guān)要求，項目全面應(yīng)用鐵路工程管理平臺[10]和內(nèi)控管理系統(tǒng)，通過BIM建管平臺對其子模塊進行集成管理，直接獲取鐵路工程管理平臺子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，內(nèi)控管理平臺的數(shù)據(jù)，集成了近20個獨立的管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)嵌入，各平臺間數(shù)據(jù)互聯(lián)，實現(xiàn)集成管理，提高管理效率。

圖16 信息化集成

(4)施工監(jiān)控

為實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，項目部綜合考慮了各方管理需要，搭建遠程視頻監(jiān)控體系，并在BIM建管平臺中進行集成，實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控的目的。

(5)樁基施工順序查詢

針對項目橋梁樁基種類繁多，圖紙篩選、查閱工作量大的特點，開發(fā)了樁基施工順序查詢模塊，提高工作效率。

圖17 樁基查詢模塊

(6)拆遷管理

針對項目拆遷工作量大，管理難度大的特點，充分發(fā)揮平臺BIM模型與實景模型結(jié)合的特點，開發(fā)了基于實景模型的拆遷管理模塊，通過三維交互式點選操作，實現(xiàn)對拆遷屬性進行動態(tài)的維護和管理，直觀形象地對拆遷進行動態(tài)管理，提高工作效率。

圖18 3DGIS拆遷管理

3.5 BIM實施效果

(1)通過BIM在福社隧道、新劉塘3號隧道立體交叉施工方案優(yōu)化及爆破施工影響分析、信息化監(jiān)測手段，提前消除安全風(fēng)險，確保工程質(zhì)量。

(2)通過在巖內(nèi)隧道的方案優(yōu)化，實現(xiàn)了表層5米挖方和抗滑裝的先施工，節(jié)約工期30天。

(3)利用BIM技術(shù)和開發(fā)的橋梁墩身樁基施工順序查詢系統(tǒng)，更為合理地進行施工組織，節(jié)約成本50萬元，節(jié)約工期25天。

(4)通過TimeLine進度模擬及形象進度，合理調(diào)整連續(xù)梁施工工期和架梁路線，為工程節(jié)約工期15天。

(5)通過隧道三維激光掃描、路基連續(xù)壓實、墩身智能養(yǎng)護、信息化監(jiān)測等與BIM集合的新技術(shù)，以及集成了近20個獨立的管理系統(tǒng)，確保了工程安全質(zhì)量，為項目精品工程、智能福廈奠定基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

4.1 管理方面

(1)優(yōu)化施工組織、專項施工方案可視化模擬，減少資源投入、提高方案編制質(zhì)量、節(jié)省工期。

(2)施工工序及質(zhì)量控制點實時動態(tài)、直觀展示，實現(xiàn)了工程安全質(zhì)量、進度、現(xiàn)場管理可視化、精準化.

(3)提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計及施工中可能遇到的問題，提前溝通解決，大幅提升項目部各部門協(xié)同配合能力，提高工作效率.

(4)通過建管平臺應(yīng)用，實現(xiàn)了人、機、料統(tǒng)一管理，便于現(xiàn)場施工，打造精細化、智慧工地。

4.2 應(yīng)用研發(fā)創(chuàng)新

(1)完成GIS傾斜攝影大模型(2T數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)化并融入福廈BIM建管平臺。

(2)完成鐵路總公司管理平臺及中鐵四局各管理系統(tǒng)的嵌入及數(shù)據(jù)互導(dǎo)，大大提高各建設(shè)管理系統(tǒng)的使用效率。

(3)完成各項目駐地、各工點施工監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集及實時傳輸至福廈BIM建管平臺，實現(xiàn)智慧物聯(lián)。