BIM技術(shù)在高速鐵路施工過(guò)程中的綜合應(yīng)用

霍建利 齊旭燕

中鐵北京工程局集團(tuán)北京有限公司 北京 100073

本項(xiàng)目目前已經(jīng)完成相關(guān)研究及現(xiàn)場(chǎng)施工，過(guò)程中針對(duì)工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，從場(chǎng)布、圖紙會(huì)審、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模擬、可視化技術(shù)交底、工程量復(fù)核、鋼筋下料、4D施工進(jìn)度模擬、管道數(shù)控加工等BIM技術(shù)應(yīng)用開展了研究。本文總結(jié)了各項(xiàng)BIM技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的要點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果，可供類似工程參考[1-6]。

1 工程概況

新建北京至雄安新區(qū)城際鐵路工程JBSG-2標(biāo)（圖1）是京雄鐵路的一部分，起自封閉式路塹U形槽DK40＋150，終至北京新機(jī)場(chǎng)南側(cè)一期建設(shè)紅線DK46＋092，線路全長(zhǎng)5 942 m。自北向南包含封閉式路塹U形槽（550 m）、機(jī)場(chǎng)1#隧道（2 200 m）、新機(jī)場(chǎng)站（機(jī)場(chǎng)代建結(jié)構(gòu)1 288 m，本標(biāo)段結(jié)構(gòu)施工773 m）、2#隧道（機(jī)場(chǎng)代建結(jié)構(gòu)50 m，本標(biāo)段結(jié)構(gòu)施工1 131 m）及本標(biāo)段內(nèi)無(wú)砟軌道板工程。工程總造價(jià)為12.5億元，工程開工日期為2017年5月21日，開通日期為2019年9月26日。

圖1 線路示意

本工程路塹、隧道及新機(jī)場(chǎng)站地下結(jié)構(gòu)均為明挖工程，基坑深度為1.5～22.0 m。隧道結(jié)構(gòu)形式為拱形明洞，襯砌厚度為850～1 000 mm。新機(jī)場(chǎng)站為地下2層車站，總建筑面積115 379 m2。其中，地下1層面積22 875 m2，層高5.7 m；地下2層面積92 504 m2，層高9.2 m（圖2）。主要裝修做法：地面為水泥人造石地面、花崗巖地面；墻面為鋁板＋背漆玻璃墻面；吊頂為蜂窩鋁板＋穿孔不銹鋼鏡面板吊頂。

圖2 線路斷面分布

京雄城際鐵路作為北京至雄安的第一條高速鐵路，根據(jù)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)及中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)建設(shè)“精品智能京雄”的總體要求，為實(shí)現(xiàn)“信息化、智能化、機(jī)械化、工廠化”的目標(biāo)，大力發(fā)展及應(yīng)用智能化、信息化技術(shù)手段，能在全路智能化、信息化建設(shè)方面起到較好的引領(lǐng)作用。要將京雄城際鐵路2標(biāo)工程打造成精品工程，將大興機(jī)場(chǎng)站建設(shè)成精品智能客站，為此項(xiàng)目部組織開展了智能京雄信息化綜合技術(shù)的研究。

2 前期準(zhǔn)備

2.1 團(tuán)隊(duì)建設(shè)

項(xiàng)目BIM系統(tǒng)管理團(tuán)隊(duì)由項(xiàng)目經(jīng)理牽頭，與項(xiàng)目總工等領(lǐng)導(dǎo)作為領(lǐng)導(dǎo)指揮層，項(xiàng)目BIM小組為技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)施層，負(fù)責(zé)各專業(yè)BIM模型、技術(shù)優(yōu)化等工作，并按照BIM管理制度、實(shí)施計(jì)劃和設(shè)計(jì)細(xì)則的要求，進(jìn)行技術(shù)信息審報(bào)，形成或支持正式施工圖的出圖。

領(lǐng)導(dǎo)指揮層全面負(fù)責(zé)BIM工作的指揮和決策，調(diào)配BIM應(yīng)用課題的各類資源，確定BIM應(yīng)用的總體目標(biāo)、計(jì)劃以及各層級(jí)職責(zé)和權(quán)限，協(xié)調(diào)甲方、監(jiān)理、設(shè)計(jì)等對(duì)外關(guān)系和配合。

技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)施層分為土建、裝修、安裝及創(chuàng)新應(yīng)用這4個(gè)小組（圖3）。負(fù)責(zé)對(duì)總平面進(jìn)行建模和優(yōu)化，根據(jù)平面計(jì)劃調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置，調(diào)整總平面模型。負(fù)責(zé)各專業(yè)模型、數(shù)據(jù)的建立和優(yōu)化，并按計(jì)劃要求按時(shí)報(bào)送BIM應(yīng)用數(shù)據(jù)，審核通過(guò)后，形成正式施工指導(dǎo)圖，并協(xié)調(diào)本專業(yè)生產(chǎn)管理人員，對(duì)BIM數(shù)據(jù)形成結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)加以實(shí)施。為組建項(xiàng)目BIM團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目部組織建模及應(yīng)用類軟件培訓(xùn)3次，公司組織大型BIM技術(shù)專項(xiàng)培訓(xùn)2次，通過(guò)培訓(xùn)考核的形式提高員工的BIM技術(shù)水平。通過(guò)多次培訓(xùn)，團(tuán)隊(duì)4名成員順利通過(guò)BIM高級(jí)建模師資格考試。

圖3 團(tuán)隊(duì)架構(gòu)

2.2 軟件配置

BIM各軟件配置詳見(jiàn)表1。

表1 BIM軟件配置

2.3 硬件配置

項(xiàng)目于2017年12月1日成立信息化中心，配備6臺(tái)高性能臺(tái)式計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)配備2個(gè)液晶顯示器；配備移動(dòng)工作站及彩色打印設(shè)備各1臺(tái)；配備放樣機(jī)器人及無(wú)人機(jī)各1臺(tái)。

3 方案確定

為更好地開展BIM工作，項(xiàng)目部制定日常的BIM工作管理制度、BIM建模應(yīng)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、合理的BIM應(yīng)用策劃及實(shí)施方案。采用歐特克Revit軟件搭建，以LOD400的精度分區(qū)域進(jìn)行監(jiān)理模型，后期主要利用鏈接方式合模?；贐IM模型的建立，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，分為鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)用及房建工程BIM技術(shù)應(yīng)用兩大類開展應(yīng)用。

1）鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)：圖紙會(huì)審、方案深化、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模擬、可視化技術(shù)交底、工程量復(fù)核、鋼筋下料、4D施工進(jìn)度模擬、施工組織優(yōu)化。

2）房建工程BIM技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)：方案模擬、可視化技術(shù)交底、管線優(yōu)化、疏散模擬、仿真漫游、智能放樣、數(shù)控加工、VR虛擬仿真。

4 方案實(shí)施

4.1 BIM技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1.1 施工場(chǎng)布

現(xiàn)場(chǎng)施工縱向跨度大、施工場(chǎng)地狹小，應(yīng)用廣聯(lián)達(dá)場(chǎng)布以及Revit軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布置模擬，使臨建布置更加優(yōu)化、合理、緊湊，在滿足工程需求的前提下，提高場(chǎng)地利用率。開工以來(lái)，共對(duì)7處施工場(chǎng)地進(jìn)行了場(chǎng)布規(guī)劃。

4.1.2 圖紙會(huì)審

對(duì)建模及碰撞檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行匯總，加快圖紙會(huì)審速度，避免因發(fā)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)問(wèn)題不及時(shí)，導(dǎo)致工程返工、拖延工期、增加成本等現(xiàn)象。自項(xiàng)目開工以來(lái)，發(fā)現(xiàn)并解決圖紙問(wèn)題180余項(xiàng)。

4.1.3 方案優(yōu)化

1）結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化。使用Revit軟件對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行建模，通過(guò)建?！虐妗鷮?duì)比分析→優(yōu)化等提高施工方案的可實(shí)施性及施工精度。自項(xiàng)目開工以來(lái)，共優(yōu)化施工方案25項(xiàng)。

2）裝修方案優(yōu)化。新機(jī)場(chǎng)站站廳層地面采用水泥人造石面層，在旅客進(jìn)站主通道上引入“鳳棲梧桐”設(shè)計(jì)概念，并設(shè)參數(shù)級(jí)變化的圖案。地面拼花圖案采用BIM設(shè)計(jì)建模、激光雕刻工藝，確保拼花加工精度，并進(jìn)行模具化拼花（圖4）。

圖4 裝修施工方案優(yōu)化

4.1.4 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模擬

項(xiàng)目部通過(guò)對(duì)復(fù)雜施工區(qū)域（如下穿河道、復(fù)雜斷面、新工藝等）進(jìn)行施工方案模擬，使方案更具有直觀性，不但確保了方案的合理性，也提高了現(xiàn)場(chǎng)交底的質(zhì)量。自開工以來(lái)，制作復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模擬220個(gè)（圖5）。

圖5 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模擬

4.1.5 可視化技術(shù)交底

通過(guò)對(duì)精準(zhǔn)模型的整合形成動(dòng)畫，并配以相應(yīng)解說(shuō)，形成可視化交底，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)圖紙的深入理解，自開工以來(lái)，針對(duì)分項(xiàng)工程制作可視化交底14項(xiàng)（圖6）。

圖6 可視化交底

4.1.6 工程量復(fù)核及下料

使用Revit軟件搭建模型，并利用軟件自身明細(xì)表功能提取工程量，在BIM應(yīng)用階段對(duì)工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為材料加工生產(chǎn)及成本結(jié)算提供依據(jù)；使用魯班鋼筋軟件對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行翻樣建模，并導(dǎo)出相應(yīng)的鋼筋工程量及下料表，提高下料速度及精度。

4.1.7 碰撞檢測(cè)

新機(jī)場(chǎng)站隨航站樓外形布置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管線間及管線與裝修間交叉頻繁，同時(shí)，受凈空限制（其中結(jié)構(gòu)凈空高4.3 m，裝修高度4.0 m）。通過(guò)綜合碰撞檢測(cè)和放樣機(jī)器人優(yōu)化管線排布及其與裝修間的銜接，加強(qiáng)深化設(shè)計(jì)與施工聯(lián)系，以保證施工精度。自開工以來(lái)，共計(jì)查找并解決各類碰撞點(diǎn)4 600處（圖7）。

圖7 管線碰撞檢測(cè)

4.1.8 地下工程施工交通組織模擬

新機(jī)場(chǎng)站內(nèi)施工工種及工序多，地下空間有限，裝修及安裝工程、無(wú)砟軌道交叉頻繁，裝修材料、軌道板、混凝土等運(yùn)輸組織困難，結(jié)合施工組織及進(jìn)度計(jì)劃，制作物料及人員綜合運(yùn)輸動(dòng)畫，確保材料倒運(yùn)高效進(jìn)行（圖8）。

圖8 無(wú)砟軌道交通運(yùn)輸組織、運(yùn)輸通道施工模擬

4.1.9 疏散模擬

新機(jī)場(chǎng)站為地下站，位于航站樓下方，地下疏散路線復(fù)雜，且現(xiàn)場(chǎng)施工人員復(fù)雜。為保證及時(shí)疏散，利用Parthfinder軟件制作疏散模擬動(dòng)畫并進(jìn)行交底，增強(qiáng)作業(yè)人員對(duì)逃生路線的了解（圖9）。

圖9 地下站疏散模擬

4.1.10 仿真漫游

通過(guò)Fuzor軟件進(jìn)行仿真漫游，動(dòng)態(tài)反映三維建模效果，提前并加快模型審查，避免BIM應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題，提高BIM應(yīng)用的實(shí)際效果（圖10）。

4.2 BIM技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

4.2.1 基于BIM的管道預(yù)制加工技術(shù)

1）風(fēng)管預(yù)制結(jié)構(gòu)模型搭建及機(jī)器識(shí)別碼轉(zhuǎn)化。通過(guò)Revit軟件按照LOD400標(biāo)準(zhǔn)建立BIM模型，并進(jìn)行圖紙審核和碰撞檢測(cè)。首先，在BIM模型基礎(chǔ)上進(jìn)行深化，預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)管段長(zhǎng)度為1 410 mm，為匹配機(jī)器的生產(chǎn)規(guī)格，在軟件中將所有管件預(yù)制為1 410 mm（圖11）。

圖11 建立模型管段分節(jié)

預(yù)制以區(qū)域?yàn)閱挝?，在模型中篩選預(yù)制管段進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在Revit軟件中以MEG格式導(dǎo)出異形管段模型至轉(zhuǎn)換軟件。以最大化利用鋼板為原則，在軟件中對(duì)加工模型進(jìn)行自動(dòng)排料，選擇寫入五線風(fēng)管生產(chǎn)機(jī)器可以識(shí)別的NC碼，導(dǎo)出文件格式為TXT。通過(guò)U盤與設(shè)備連接后，五線風(fēng)管生產(chǎn)機(jī)器便可自動(dòng)批量生產(chǎn)預(yù)制風(fēng)管。

2）機(jī)器批量加工過(guò)程。選擇合適厚度的鐵皮，并裁剪成需要的規(guī)格尺寸，將裁剪好的鐵皮輸送至工作臺(tái)，工作臺(tái)對(duì)鐵皮進(jìn)行深度加工，形成風(fēng)管管段（圖12）。

圖12 管段加工

4.2.2 BIM＋放樣機(jī)器人智能定位放線

1）模型繪制及放線基點(diǎn)設(shè)置。在Revit軟件中，按照施工藍(lán)圖在模型中繪制綜合支吊架及管線，通過(guò)插件選擇放線的族和放線的點(diǎn)位后，便可對(duì)所有相同族進(jìn)行點(diǎn)位設(shè)置，同時(shí)在模型中對(duì)固定的結(jié)構(gòu)柱設(shè)置放線基準(zhǔn)點(diǎn)，通常距離為300 mm（圖13）。

圖13 模型建立放線基點(diǎn)設(shè)置

2）現(xiàn)場(chǎng)放線準(zhǔn)備。將已建立模型轉(zhuǎn)換為DWG格式，導(dǎo)入天寶機(jī)器人手持平板中，在現(xiàn)場(chǎng)找到設(shè)站結(jié)構(gòu)柱，按照與模型相同位置設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站。對(duì)棱鏡桿、RTS設(shè)備及手持平板中的氣泡進(jìn)行調(diào)平，手持平板中顯示設(shè)站誤差范圍小于0.005 mm為最佳（圖14）。

圖14 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)站儀器調(diào)平

3）放樣測(cè)量。天寶機(jī)器人車站內(nèi)采用激光模式，在手持平板中選擇放線點(diǎn)位進(jìn)行自動(dòng)放線，RTS771設(shè)備測(cè)距誤差為1 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)放線及測(cè)量要求。

4.2.3 BIM＋VR虛擬樣板技術(shù)

1）模型繪制及信息添加。在Revit軟件中，按照設(shè)計(jì)方案對(duì)大興機(jī)場(chǎng)站裝修方案進(jìn)行模型建立，根據(jù)不同方案將不同的材質(zhì)、尺寸、功能等信息添加至模型。

由于每個(gè)構(gòu)件以及構(gòu)件的分解單元都含有與現(xiàn)實(shí)相符的材質(zhì)屬性，因此為方便VR平臺(tái)讀取且保證可編輯性，BIM模型建立時(shí)需保證每個(gè)構(gòu)件與現(xiàn)實(shí)材質(zhì)名稱一一對(duì)應(yīng)，不同材質(zhì)構(gòu)件的材質(zhì)參數(shù)名稱不可混淆，也不可用系統(tǒng)默認(rèn)材質(zhì)參數(shù)?，F(xiàn)實(shí)中，相同材質(zhì)的構(gòu)件用同一種材質(zhì)名稱。

2）格式轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入VR平臺(tái)。采用中間格式導(dǎo)出器將模型轉(zhuǎn)換成VR處理平臺(tái)可讀取的FBX格式文件，并導(dǎo)入VR處理平臺(tái)。

3）樣板選型。工程師利用VR設(shè)備進(jìn)入虛擬樣板場(chǎng)景，根據(jù)不同樣板方案的效果以及信息展示，初步確定樣板方案，細(xì)化后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣板實(shí)施（圖15）。

圖15 樣板選型

4.2.4 BIM＋GIS

1）BIM模型與3DGIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將IFC中與GIS模型相關(guān)的語(yǔ)義類型進(jìn)行分析、篩選，利用形態(tài)學(xué)算法和布爾運(yùn)算提取出了模型的外殼，并賦之以正確的語(yǔ)義，將IFC模型轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)中定義的多個(gè)細(xì)節(jié)層次（LODs）的建筑模型，實(shí)現(xiàn)不同比例下各LOD等級(jí)模型轉(zhuǎn)換，為鐵路管理平臺(tái)可視化和空間分析提供了有利條件。

2）京雄建設(shè)管理“一張圖”研究。運(yùn)用BIM、GIS圖層分類、逐級(jí)展示、統(tǒng)一編碼、數(shù)據(jù)權(quán)限控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)管理和多源多主題異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)在“一張圖”上的集成展示，實(shí)現(xiàn)時(shí)空對(duì)象的多角度、多維度、多尺度、多時(shí)相的綜合可視化描述和分析（圖16）。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行三維布置，確保施工場(chǎng)地規(guī)劃的合理性，保證施工順利進(jìn)行；使用4D施工進(jìn)度模擬，提高了進(jìn)度計(jì)劃的可行性及合理性，通過(guò)對(duì)進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題并加以解決，保證施工進(jìn)度；對(duì)機(jī)場(chǎng)2#隧道襯砌結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、新機(jī)場(chǎng)站矩形結(jié)構(gòu)滿堂支架及模板方案、施工方案進(jìn)行模擬，以此確保施工方案的可行性；對(duì)隧道分體臺(tái)車與整體臺(tái)車2種方案、分體臺(tái)車與“側(cè)墻定型模板＋滿堂支架”2種方案進(jìn)行比選，選用最科學(xué)的施工方案；通過(guò)碰撞檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的管線與結(jié)構(gòu)、管線與管線產(chǎn)生的碰撞，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化，保證施工順利進(jìn)行。