BIM技術(shù)在既有站房改擴(kuò)建施工中的應(yīng)用

譚立新

（中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司，江西南昌 530029）

0 引言

BIM技術(shù)可通過(guò)建立構(gòu)筑物三維信息模型，實(shí)現(xiàn)三維信息展示，具有協(xié)調(diào)性和模擬性等特點(diǎn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程建設(shè)，能有效提高施工效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提升施工質(zhì)量。近年來(lái)，越來(lái)越多的工程實(shí)踐證明，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

2015年9月，原中國(guó)鐵路總公司對(duì)柳州站既有站房改擴(kuò)建工程進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)批復(fù)，批復(fù)施工總工期為54個(gè)月。同時(shí)，要求建設(shè)、設(shè)計(jì)單位結(jié)合車(chē)站運(yùn)營(yíng)組織方案，優(yōu)化、完善施工組織設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工過(guò)程控制，確保施工質(zhì)量與既有線(xiàn)安全?；谑┕ひ?，將柳州站既有站房改擴(kuò)建工程與BIM技術(shù)深入融合，對(duì)施工組織方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為保障既有線(xiàn)安全、提升施工質(zhì)量提供了有力的技術(shù)支撐[3-4]。

1 工程概述

柳州站位于廣西省柳州市市中心老城區(qū)，是中南、西南地區(qū)重要的鐵路交通樞紐之一，其站場(chǎng)規(guī)模為11站臺(tái)面11線(xiàn)（含正線(xiàn)2條），12道為機(jī)走線(xiàn)兼到發(fā)線(xiàn)、13—16道為貨車(chē)線(xiàn)。柳州站既有站房位于線(xiàn)路東側(cè)，為側(cè)線(xiàn)平式站房，旅客乘降“東進(jìn)東出”，站房設(shè)施老化、周邊路網(wǎng)擁堵；站房西側(cè)臨靠鵝山，自然環(huán)境優(yōu)美，但城區(qū)老舊、市政道路狹窄擁堵，為典型“臟、亂、差”棚戶(hù)區(qū)，與優(yōu)美環(huán)境反差極大；站房東西兩側(cè)不互通，交通十分不便。

柳州站既有站房改擴(kuò)建工程原設(shè)計(jì)方案為：既有站房原位拆除重建（規(guī)模5.49萬(wàn)m2，簡(jiǎn)稱(chēng)東站房）；在1—12道修建高架候車(chē)室（規(guī)模2.48萬(wàn)m2，簡(jiǎn)稱(chēng)東高架）。該方案存在以下局限性：

（1）站房規(guī)模偏小，不適應(yīng)鐵路交通樞紐發(fā)展需求；

（2）站房東側(cè)單側(cè)改造與城市整體改造規(guī)劃不匹配；

（3）站房東西兩側(cè)不互通，城區(qū)風(fēng)貌和站區(qū)品質(zhì)均無(wú)法有效提升，不能更好地增強(qiáng)市民、旅客的獲得感、幸福感；

（4）單側(cè)站房、單側(cè)高架的站房造型與柳州市“崛起龍城”的形象嚴(yán)重不匹配；

（5）站房拆除重建施工期間，旅客乘降組織困難。

基于“站城融合”新理念，優(yōu)化與提升設(shè)計(jì)方案，在線(xiàn)路西側(cè)對(duì)稱(chēng)增設(shè)西站房（簡(jiǎn)稱(chēng)西站房），13—16道上方增設(shè)高架候車(chē)室（簡(jiǎn)稱(chēng)西高架），形成東西對(duì)稱(chēng)、站場(chǎng)上方全部采用高架候車(chē)的方案。新站房由東站房、西站房和高架站房3部分組成，總建筑面積11.4萬(wàn)m2，新建旅客出站地道1座，并承擔(dān)東西廣場(chǎng)聯(lián)通的市政功能。當(dāng)?shù)卣畣?dòng)?xùn)|西側(cè)棚戶(hù)區(qū)、市政道路、站前廣場(chǎng)、輕軌等配套設(shè)施建設(shè)，與站房同步投入使用。

2 BIM優(yōu)化施工組織方案

針對(duì)柳州站既有站場(chǎng)建設(shè)高架站房的特點(diǎn)，對(duì)已完工的南昌站、廈門(mén)站等既有站房和站場(chǎng)改造工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)、借鑒，通過(guò)半場(chǎng)封閉平推施工，解決站場(chǎng)施工與既有站臺(tái)同步運(yùn)營(yíng)的矛盾，并通過(guò)新建對(duì)側(cè)站房，解決客運(yùn)過(guò)渡問(wèn)題。

在柳州站既有站房改擴(kuò)建工程施工組織方案中，將南昌站半場(chǎng)封閉平推式兩階段施工方案與廈門(mén)站新建南站房半場(chǎng)客運(yùn)過(guò)渡、分步開(kāi)通的方案相結(jié)合，融合“站城一體化”“一站一景”建設(shè)理念，最終確定“兩階段三步驟”施工組織方案：

（1）“兩階段”。高架候車(chē)室及站場(chǎng)施工按東、西半場(chǎng)兩大階段進(jìn)行。即第一階段，封鎖站場(chǎng)西半場(chǎng)，同步施工西站房、西高架，工期14個(gè)月；第二階段，開(kāi)通西半場(chǎng)，封鎖東半場(chǎng)，拆除既有站房，同步施工東站房、東高架，工期28個(gè)月。總工期42個(gè)月。

（2）“三步驟”。旅客乘降分為“西進(jìn)東出”“西進(jìn)西出”和“東西進(jìn)出”。

2.1 WBS分解

根據(jù)柳州站既有站房模型存儲(chǔ)屬性信息生成項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹(shù)，項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹(shù)層級(jí)為“項(xiàng)目—標(biāo)段—構(gòu)筑物”，再根據(jù)模型構(gòu)件中存儲(chǔ)的實(shí)例化的模型實(shí)體結(jié)構(gòu)編碼，生成構(gòu)筑物到構(gòu)件的結(jié)構(gòu)樹(shù)。模型實(shí)體結(jié)構(gòu)依據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟《鐵路工程信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱(chēng)IFD）表53進(jìn)行分解[5]。在建模過(guò)程中，模型每個(gè)構(gòu)件都添加了默認(rèn)施工工藝編碼，通過(guò)“標(biāo)準(zhǔn)工藝-工序”映射表進(jìn)行構(gòu)件和工序的自動(dòng)掛接，單個(gè)構(gòu)件中的1項(xiàng)施工工序?yàn)楣ぷ魅蝿?wù)分解的最小單元。

工程量計(jì)算采用自動(dòng)算量與人工算量結(jié)合的方式，自動(dòng)算量使用三維圖形引擎提供的體積、長(zhǎng)度、面積等計(jì)算接口得出所需構(gòu)件幾何信息，再通過(guò)調(diào)用算量公式庫(kù)中的計(jì)算公式算出相應(yīng)工作量。當(dāng)構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以通過(guò)圖形引擎計(jì)算時(shí)，可采用人工算量方式，根據(jù)構(gòu)件中存儲(chǔ)的幾何屬性信息或二維圖紙中的幾何信息編輯相應(yīng)的公式進(jìn)行算量。算量完成后，系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)件唯一ID將工作量與構(gòu)件工序關(guān)聯(lián)。項(xiàng)目WBS分解界面見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目WBS分解

應(yīng)用以上方法對(duì)柳州站既有站房改擴(kuò)建工程施工進(jìn)行WBS分解。首先進(jìn)行工程實(shí)體分解，再進(jìn)行構(gòu)件與工序的自動(dòng)掛接，使WBS分解與BIM模型緊密結(jié)合。實(shí)體結(jié)構(gòu)分解，是根據(jù)BIM模型中存儲(chǔ)的實(shí)例化IFD編碼自動(dòng)生成，工序與構(gòu)件的關(guān)聯(lián)根據(jù)“工藝-工序”映射表自動(dòng)完成，過(guò)程中無(wú)須人工參與，極大減少計(jì)劃編制人員工作量。另外，當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)變更時(shí)，只需將更新后的BIM模型導(dǎo)入到系統(tǒng)即可自動(dòng)完成WBS分解。

2.2 計(jì)劃編制與資源配置

由于施工方案復(fù)雜，需要考慮施工區(qū)域內(nèi)的資源排布情況。資源強(qiáng)度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致人員、設(shè)備、物料等排布不開(kāi)，造成施工效率降低。另外，由于人員、設(shè)備及其他條件限制，當(dāng)一個(gè)施工區(qū)域內(nèi)的某項(xiàng)工作尚未完成，不能開(kāi)始下一個(gè)區(qū)域內(nèi)工作，即區(qū)域之間也可能存在施工的前置關(guān)系。因此，在進(jìn)行施工計(jì)劃編制前，需要先對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行區(qū)域劃分，區(qū)域劃分可在BIM模型或模型實(shí)體結(jié)構(gòu)分解樹(shù)上進(jìn)行。區(qū)域劃分完成后，需要設(shè)置各區(qū)域之間施工的前置關(guān)系及各區(qū)域內(nèi)的資源強(qiáng)度限制。設(shè)置完成后，區(qū)域施工前置關(guān)系及區(qū)域資源強(qiáng)度限制將作為計(jì)劃編制與資源配置優(yōu)化的附加限制條件，使計(jì)劃編制及資源配置更加科學(xué)合理，提高計(jì)劃的可執(zhí)行性。

完成區(qū)域劃分與配置后，即可針對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的一項(xiàng)工作任務(wù)（施工工序）進(jìn)行初始計(jì)劃的編制和資源配置工作。

2.3 進(jìn)度跟蹤與控制

進(jìn)度填報(bào)人員通過(guò)移動(dòng)終端或個(gè)人電腦填報(bào)電子施工日志，內(nèi)容包括當(dāng)日各項(xiàng)施工任務(wù)完成量、臨時(shí)增加任務(wù)完成情況及當(dāng)日施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息。日志提交后，系統(tǒng)根據(jù)填報(bào)信息更新施工進(jìn)度。另外，系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)計(jì)當(dāng)日實(shí)際施工功效信息，計(jì)算出哪些工作任務(wù)不能在計(jì)劃工期內(nèi)完成，提示計(jì)劃編制人員及時(shí)增加滯后任務(wù)的資源強(qiáng)度，并對(duì)滯后任務(wù)增派人員、機(jī)械及物料資源，以提高該任務(wù)的施工功效（見(jiàn)圖2）。通過(guò)建立以BIM為核心的既有站房改造工程施工組織管理體系，將施工與運(yùn)輸從空間上錯(cuò)開(kāi)，優(yōu)化流水施工段，減小干擾、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省工期，實(shí)現(xiàn)工程管理信息化、科學(xué)化和精細(xì)化[6-10]。

圖2 進(jìn)度跟蹤界面

3 施工質(zhì)量安全管理

3.1 塔吊可視化監(jiān)控

由于柳州站既有站房場(chǎng)地狹小、吊裝量大且周期長(zhǎng)。作為貫穿工程建設(shè)始終的大型起重設(shè)備，塔吊的安裝部位必須合理有效，且應(yīng)保證其安全、持續(xù)運(yùn)行。基于BIM群塔作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)操控BIM塔吊模型，對(duì)其運(yùn)行幅度、高度、回轉(zhuǎn)角、質(zhì)量、力矩、風(fēng)速、傾斜角等不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的測(cè)量、分析，有效避免塔吊在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身危險(xiǎn)、與障礙物碰撞危險(xiǎn)、塔吊間碰撞危險(xiǎn)等。在對(duì)塔吊幅度、高度及回轉(zhuǎn)位置實(shí)時(shí)檢測(cè)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)將同一施工環(huán)境下的多臺(tái)塔吊組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使不同塔吊的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)在塔吊間傳遞。系統(tǒng)具備自診斷功能，塔吊自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)電流、電壓、溫度等，若出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流或溫度過(guò)高等危險(xiǎn)情況，通過(guò)繼電器將電源斷開(kāi)，從而保護(hù)電機(jī)。每個(gè)塔吊可以基于本塔吊及其他塔吊數(shù)據(jù)進(jìn)行防碰撞計(jì)算，實(shí)現(xiàn)距離預(yù)警和高度預(yù)警，并基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，在緊急情況下切斷不安全方向動(dòng)作的電源，避免碰撞事故發(fā)生（見(jiàn)圖3）。

圖3 塔吊可視化監(jiān)控界面

3.2 鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)

將現(xiàn)代化管理手段與先進(jìn)通信技術(shù)結(jié)合，對(duì)焊接生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)工廠(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)“兩階段”焊縫質(zhì)量進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)記錄和上傳焊縫類(lèi)型、每類(lèi)合格數(shù)、檢測(cè)日期、結(jié)論、探傷報(bào)告、探傷參數(shù)等信息，管理焊縫檢測(cè)進(jìn)度，形成構(gòu)件“焊縫地圖”，方便建設(shè)單位和施工單位對(duì)焊縫質(zhì)量的綜合及時(shí)管理，提高焊接的自動(dòng)化程度與管控水平，防止焊工誤操作，實(shí)現(xiàn)主要、關(guān)鍵部位焊接過(guò)程的監(jiān)控和事后追溯。

3.3 既有線(xiàn)施工管理

在施工過(guò)程中，大量信息來(lái)源于不同專(zhuān)業(yè)、不同資料和不同系統(tǒng)，導(dǎo)致各專(zhuān)業(yè)上報(bào)施工計(jì)劃時(shí)無(wú)法全面考量其他專(zhuān)業(yè)的設(shè)備信息，業(yè)務(wù)處室審核時(shí)也需要利用多種途徑查閱不同資料，依靠人員經(jīng)驗(yàn)無(wú)法最優(yōu)地編制施工計(jì)劃并判定施工對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊?。因此，在施工過(guò)程管理中應(yīng)用施工輔助管理模塊，融合多個(gè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和施工雙贏。

相關(guān)業(yè)務(wù)單位利用施工模塊化管理輔助平臺(tái)的圖形化界面編制施工計(jì)劃（見(jiàn)圖4），以及平臺(tái)會(huì)簽、審核施工計(jì)劃，經(jīng)過(guò)審核的施工計(jì)劃上傳至運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)，由運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行下達(dá)。

圖4 施工模塊化管理輔助平臺(tái)界面

根據(jù)模塊提供的規(guī)則，自動(dòng)檢測(cè)是否正確標(biāo)識(shí)施工影響范圍（見(jiàn)圖5），有無(wú)“漏、錯(cuò)、多”等情況，利用知識(shí)庫(kù)方法逐漸建立和積累施工影響范圍的規(guī)則。

圖5 施工影響范圍查看界面

施工模塊化管理輔助平臺(tái)利用鄰近的歷史運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，結(jié)合下一階段施工計(jì)劃，分析施工與運(yùn)輸?shù)年P(guān)系，為施工計(jì)劃的制定提供輔助決策手段。綜合判斷一個(gè)調(diào)度區(qū)段或某個(gè)樞紐站安排施工天窗的最合理方案，剔除影響該區(qū)段通過(guò)能力的主要施工天窗，杜絕短板效應(yīng)，做到合理平行安排多項(xiàng)施工，實(shí)現(xiàn)“天窗全停又不全停，全給又不全給”。同時(shí)，隨著運(yùn)輸情況變化，最大化、合理化安排施工天窗，確保行車(chē)設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和施工的雙贏。施工計(jì)劃可視化填報(bào)與審批界面見(jiàn)圖6。

圖6 施工計(jì)劃可視化填報(bào)與審批界面

施工模塊化管理輔助平臺(tái)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中的工務(wù)、電務(wù)、行車(chē)設(shè)備信息綜合查詢(xún)，以及施工、維修組織的圖形化展示，實(shí)現(xiàn)了各專(zhuān)業(yè)計(jì)劃沖突檢測(cè)、影響范圍自動(dòng)判別，輔助提高了施工計(jì)劃編制、審核工作效率。

4 應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)管理相比，將BIM技術(shù)應(yīng)用于柳州站既有站房改擴(kuò)建工程，滿(mǎn)足了各單位對(duì)實(shí)時(shí)了解工程具體信息和可視化數(shù)據(jù)處理預(yù)警的需求，加強(qiáng)了參建各方的信息共享和對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度的監(jiān)管力度，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)返工，為類(lèi)似大中型高鐵站房施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。柳州站既有站房改擴(kuò)建工程主要取得了以下應(yīng)用效果：

（1）高效兌現(xiàn)項(xiàng)目安全、質(zhì)量和工期目標(biāo)。2015年12月，西站房開(kāi)始建設(shè)實(shí)施，并修建材料運(yùn)輸通道；2017年9月，啟用4—6站臺(tái)及西高架，拆除既有站房并啟動(dòng)二階段站場(chǎng)施工；2018年12月，啟用2—3站臺(tái)及東高架；2019年6月，建成東站房，較批復(fù)工期提前1年完工。通過(guò)設(shè)計(jì)及施工方案的合理優(yōu)化，結(jié)合城市規(guī)劃建設(shè)，保障運(yùn)輸安全有序，確保站房的高效優(yōu)質(zhì)建設(shè)。柳州站既有站房改擴(kuò)建工程榮獲鐵路優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)，正在申請(qǐng)國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程。

（2）有效確保施工期間運(yùn)輸平穩(wěn)有序?？瓦\(yùn)部門(mén)利用平行徑路組織客車(chē)作業(yè)，第一階段，1、2道下行，4、5道上行，3道上下行；第二階段，7、8道下行，9、10、11道上行；特殊情況下，各股道均可組織上下行。通過(guò)合理的施工組織及客運(yùn)組織，在施工第2年，柳州站運(yùn)輸能力全面恢復(fù)且逐年提升；2019年，列車(chē)接發(fā)較施工前提高42%、年旅客發(fā)送量較施工前增加29%；完工后，柳州站最多聚集人數(shù)達(dá)4 500人，預(yù)測(cè)年旅客發(fā)送量為近期1 600萬(wàn)人、遠(yuǎn)期2 180萬(wàn)人。

（3）極大提升城市及站區(qū)品質(zhì)。施工期間，柳州市啟動(dòng)?xùn)|西站前廣場(chǎng)建設(shè)；2019年10月，柳州站東西廣場(chǎng)已全部投用。目前，柳州市軌道交通正在建設(shè)中，柳州站城市交通綜合體功能日趨完善。以柳州站建設(shè)為契機(jī)，結(jié)合采用先期建設(shè)西站的過(guò)渡方案，將柳州站東西兩側(cè)站前廣場(chǎng)、輕軌、道路進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，站房施工和周邊城市改造同步實(shí)施，徹底解決了柳州站站區(qū)及周邊城區(qū)景觀(guān)環(huán)境“臟、亂、差”、城市道路擁堵嚴(yán)重等問(wèn)題，很好地提升城市及站區(qū)形象，實(shí)現(xiàn)“站城一體化”。

5 結(jié)束語(yǔ)

在柳州站既有站房改擴(kuò)建工程中，以BIM技術(shù)為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種信息化手段，以施組進(jìn)度為軸線(xiàn)，形象地展現(xiàn)其安全風(fēng)險(xiǎn)源和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，既滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，又提高管理人員對(duì)于施工進(jìn)度、安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的處置效率，全方位提高站房工程管理水平與效率。通過(guò)“站城一體化”建設(shè)構(gòu)思，將城市建設(shè)和站房改造相融合，使鐵路交通與城市多功能交通無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)以車(chē)站為中心、周邊路網(wǎng)發(fā)達(dá)的綜合交通樞紐功能。在實(shí)施過(guò)程中，進(jìn)一步優(yōu)化東西站房檐口形式，并將柳州站西側(cè)的鵝山景觀(guān)建設(shè)與柳州站站房完美融合，以“開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，一站一景”的建筑理念，實(shí)現(xiàn)建筑藝術(shù)與實(shí)用功能及城市發(fā)展建設(shè)的有機(jī)結(jié)合。柳州站既有站房改擴(kuò)建工程及舊城改造，極大改善了交通出行條件及周邊環(huán)境，極大提升了人民群眾對(duì)現(xiàn)代化建設(shè)的獲得感、幸福感，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。