京张高铁八达岭地下车站BIM设计应用

2020-01-09陈鹏飞杨启凡

铁道勘察 2020年1期

赵琳张轩陈鹏飞杨启凡

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 项目背景

新建京张高铁地处北京市西北和河北省北部，是连接北京市和张家口市的高速铁路，设计速度为250～350 km/h，同时也是2022年北京冬季奥运会的配套基础设施之一。八达岭长城站是目前国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站。车站层次多、洞室数量大、洞型复杂、交叉节点密集；车站两端渡线段单洞开挖跨度达32.7 m，是目前国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道。八达岭长城站采用了诸多创新设计：采用叠层进出站通道形式，实现了进出站客流完全分离且进出站口均匀布置；首次采用环形救援廊道设计，使其具备了紧急情况下快速无死角救援的条件；采用一次提升长大扶梯及斜行电梯等先进设备，极大地方便了旅客出行；采用精准微损伤控制爆破等先进技术，消除了对文物和环境的不利影响。体现了“古老传统的历史长城，包容创新的人文京张”的核心设计理念，达到了“安全、流畅、明确、便捷、关怀、舒适、美观、文明”的设计目标[1-2]。

为了提高设计效率，本项目采用了BIM协同设计。

2 工程概况

八达岭长城站(见图1)为新建北京至张家口铁路的中间站，位于北京市延庆县境内八达岭滚天沟停车场下新八达岭隧道内。车站中心里程为DK68+050，到发线有效长650 m，车站有效站台长450 m，车站总长470 m，地下建筑面积约为4.1×104m2。

3 平台软件的选择

目前，市面上主要的软件平台有Autodesk、Bentley、Dassault。其中，Autodesk平台下的Revit主要应用于工民建领域，优点是建筑构件库较多，相关二次开发内容也比较完善，学习资料也较多，缺点是对于铁路工程这种长大带状工程的支持较差，并且对于三维曲线元素的支持不足。Bentley平台的优点是对于大体量工程支持比较好，并且支持三维曲线元素，缺点是资料较少，二次开发成果较少，二次开发难度大。Dassault平台的优势在于建模能力、参数化及三维仿真能力，缺点主要为缺少铁路行业相关配套软件支持，且对大体量模型处理效率低。综合各方面分析，选择Bentley软件作为BIM平台。协同设计软件如表1[3]。

图1 八达岭长城站效果

表1 BIM应用软件

4 BIM协同平台建设

通过Bentley的协同工作管理平台ProjectWise，对各专业进行实体工程划分，形成适合信息化管理的单元，配置相关设计人员，设置不同的管理权限。项目内各专业人员同步进行设计，实现模型的实时更新，确保设计工作合理、有序、高效[4]。

4.1 协同平台工作环境建立

(1)在ProjectWise上建立项目所需的模板库、族库、资源及标准配置。

(2)建立项目结构树，按规范命名并建立关键文档，基于《铁路工程实体结构分解指南》，对项目模型进行分解及装配。

(3)建立项目组成员，并按角色设定相应的权限。

4.2 工作流程管理

(1)制定设计阶段和施工阶段的BIM实施流程。

(2)设定平台工作流程(如图2所示)。

图2 协同平台工作流程示意

4.3 协同设计

(1)各专业之间资料互用、共用。

(2)BIM设计中各专业的关联引用与变更。

(3)各专业模型的组装及层次关系管理。

4.4 模型及文件管理

(1)各专业模型及总装模型的查看。

(2)模型及构件属性的查看。

(3)文件查看、查找及版本历史管理。

4.5 族库的建立

在建模过程中逐步建立各专业的族库。

5 BIM模型建立

5.1 建模精度

按照《铁路工程信息模型交付精度标准》的规定与要求，采用铁路工程信息模型LOD3.0级精度进行模型设计。单元实体几何精度等级的划分应符合《铁路工程信息模型表达标准》中模型等级的相关要求(见表2)。

模型单元属性的信息深度应符合表3的要求。属性信息包括几何信息和非几何信息：几何信息包含构件长度，体积等信息；非几何信息宜根据实际应用需求进行分解，部分数据可采用非结构化方式存储，并附加到铁路工程信息模型中(如环境评价、经济参数等)。

表2 几何精度等级

表3 信息深度等级

如模型以轻量化方式进行项目建设管理，允许模型单元以低几何精度和高信息深度存在。

5.2 建模工作

项目各专业可以具有不同的技术实施路线，但所有专业BIM模型的建模坐标应与实际工程坐标保持一致，如采用轴网坐标系建模时，应提供轴网坐标系与实际工程坐标的转换关系信息。模型单元应以模型中心点或者特征点为原点，可基于工程坐标实现在协同平台的整体拼装。

(1) 隧道专业

首先将单个隧道拆分为多个工点，建立隧道专业单元库及模型，并组装全隧道模型。

隧道工点的拆分：依据设计工区的划分，从模型规模及计算机承载能力的角度出发，将长度及复杂程度较大的模型分解为长度较小的模型，形成较小的工点。单元库包含隧道断面、辅助措施、初期支护、特殊构件。依据设计图纸，利用单元库形成各工点模型，最后形成全隧道模型。

①洞身模型

使用PowerCivil，建立正线线路、斜井线路的三维曲线模型。

将线路三维空间模型参考进隧道模型文件，从单元库中选定参数化断面，使用二次开发工具，利用参数化驱动形成断面并沿线路敷设，最终生成隧道洞身模型(如图3、图4所示)。通过BIM建模，可以精细化描述隧道支护措施间的相互关系。

图3 完整隧道洞身模型

图4 隧道剖切模型

以八达岭长城站结构断面底板顶中线为基准点，先在模型上绘制出结构中线线位，将车站断面沿中线拉伸形成车站结构，然后使用替换面，对结构连接处进行拟合，并进行开洞操作，以形成地下车站模型(如图5、图6所示)。

图5 八达岭长城站结构模型

图6 八达岭长城站长大扶梯模型

②大跨段模型

在隧道设计中，提出了关于刚柔并济、多重防护的围岩自承载体系理论。该理论改变了基于塌落拱理论的结构荷载，从而可实现设计使用超越100年的目标。通过BIM，形象直观地展示了支护体系的构成及相互关系，验证了支护理论的完备性(如图7所示)。

图7 八达岭隧道大胯段4.0级模型

③洞门模型

由于八达岭隧道采用特殊洞门结构，故未将洞门列入族库，而是直接使用bentley的实体建立和编辑工具，建立特殊洞门结构模型(如图8所示)。

图8 八达岭隧道出口洞门

④模型属性附加

作为BIM模型中的重要一环，信息对于BIM模型的使用起着决定性的作用，除了模型本身体现出的几何信息外，还有一部分非几何信息需要手动附加到模型上(如图9所示)[5]。

图9 明洞拱墙衬砌附加属性

(2)建筑专业

因当前装修方案还未稳定，车站建筑专业现阶段工作为车站轴线定位及内隔墙建立。八达岭长城站洞室布置和排水坡度复杂，建筑专业需对各部分隧道接口处轴线进行准确定位，以便于隧道专业进行多洞室模型拼装。

①轴网建立：参照隧道专业，建立八达岭长城站建筑轴网。充分利用MicroStation软件的功能，将隧道专业模型及dwg图纸参考进模型，结合楼层管理器功能控制高程，保证楼板空间位置的准确性。绘制时，可同时打开平面、立面和轴侧面三个视窗，随时检查空间位置的准确性(如图10所示)。

②模型建立：参照隧道专业，根据轴网定位及设计图纸，采用ABD(AECOsim Building Designer)进行车站内隔墙及楼梯建模。

图10 车站轴线定位及隔墙模型建立

③管线综合：配合环控专业，协调各系统(专业)的管线布置，合理利用管线布置的有限空间，避免施工过程中各专业管线“打架”。

④附加信息：对地下建筑专业BIM模型中隔墙的非几何属性和IFD编码进行添加。

(3) 环控通风专业

建模内容包括出站层通风系统、进站层通风系统、设备区通风系统以及设备区空调系统。八达岭隧道建模内容还包括隧道通风系统。

①构件库建立：根据专业系统架构并结合工程的实际需要，建立本专业的构件库(如图11所示)。

②构件组装：根据站前及建筑专业提供的模型，按照图纸设计方案进行布放和组装(如图12所示)。

③附加信息：对专业BIM模型中每一个构件的非几何属性和IFD编码进行添加。

④模型优化：利用设备厂家提供的中标设备构件模型，优化专业总装的BIM模型。

5.3 模型碰撞检查

(1)单专业模型检查

①文件名、文件编码检查：按照《文件命名及编码规则》，检查本地文件名和编码是否符合规则要求。

②无用构件检查：分别在平面、三维等主要视图中确定文件是否有远离设计内容的无用构件；如发现此类构件，必须及时清除。

③坐标检查：对将要上传(检入)的文件与主文件进行坐标一致性检查。

名称图示附非几何属性轴流风机风机类型、是否变频、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定风量、风机全压、噪声、质量、生产厂家、设备型号各类风阀公称直径、公称压力、防火等级、阀门类型、连续方式、传动方式、阀体材质、质量、生产厂家、设备型号多联机室内机是否变频、额定风量、额定功率、额定容量、工作压力、水量、噪声、重量、生产厂家、设备型号多联机室外机是否变频、额定风量、额定功率、额定容量、工作压力、水量、噪声、质量、生产厂家、设备型号机房专用空调室内机匹数、是否变频、额定容量、额定功率、风扇风量、冷媒、质量、生产厂家、设备型号

图11 环控通风专业构建库

图12 车站设备区环控通风BIM模型

④构造线隐藏：应在视图控制中关闭 “构造”内容。

⑤重叠模型检查：在三维视图和光滑模式下旋转模型，检查是否有闪烁的部分，即常说的“破面”情况。如发现此类情况，需将多余模型删除或对模型进行修改。

⑥材质检查：在能够显示材质纹理的视图中检查材质是否有缺失和错误现象。

⑦文件内容报备：如果是上传文件，将文件名与文件内容提交专业负责人进行报备。

⑧IFD编码检查：对所有构件进行IFD编码检查。

(2)多专业碰撞检查

对碰撞点进行分析，排除合理碰撞，在施工前解决问题，减少因碰撞发生的设计变更与废弃工程(如图13所示)。

图13 多专业碰撞检测示意

5.4 模型展示

使用LumenRT对模型进行渲染，创建关键视角，形成整体的漫游动画，可进行隧道、车站内部模型的漫游展示(如图14、图15所示)。

图14 车站内部模型漫游

图15 环形救援廊道救援路线展示

5.5 变更设计

在八达岭隧道施工过程中，出现了站台板宽度变更设计的情况。根据工程的实际情况，对原BIM模型进行了修改(如图16所示)，为下一阶段的使用者提供了真实的模型文件[6]。

图16 站台板变更设计模型

6 IFC/IFD标准验证

6.1 验证铁路IFC标准

对隧道工程进行工程分解，创建基于铁路1.0标准的隧道构件库，完成现阶段《铁路工程信息模型数据存储标准》的验证工作。

(1)隧道工程分类

根据《铁路工程信息模型数据存储标准》(1.0版)和《铁路工程信息模型交付精度标准》的要求，以隧道正洞为例，将隧道进行分解，其中隧道构件(IfcTunnelElement)组成中包含系统锚杆(IfcSystem AncherBolt)、系统钢架(IfcSystemSteelFrame)、初支喷混(IfcPrimarySupportShotcrete)、衬砌结构(IfcTunnel LiningStructure)、仰拱填充(IfcTunnelInvertFilling)、超前支护(IfcTunnelAdvanceSupport)。

(2)属性信息

将铁路IFC中定义的属性集作为属性信息添加到模型中，实现模型和信息的绑定(见图17)。

图17 模型上附加属性信息

6.2 验证铁路IFD标准(以隧道专业为例)

“隧道基本信息”中，几何信息基本都包含在模型自带属性中(bentley软件)，个别几何信息需要间接量取，如小导管的间距等，若用表格表示，则失去三维模型直观的特点。此信息在二维图纸中表示更加直观、准确。建议在模型交付标准中，探讨三维模型结合二维图纸的可行性。

“隧道基本信息”中，个别构件划分不够准确。如型钢钢架包含多个单元，在施工中钢架制作也以钢架单元为最小单位。建议对钢架单元进行单独编码。

“隧道基本信息”中，只列出了个别隧道常见构件的IFD编码。为保证构件IFD编码的唯一性及完备性，应探讨一种可实时申请IFD编码的方式，比如通过网络进行申请，并提供IFD信息的实时更新。

“隧道基本信息”中，缺少斜井相关要求。

7 隧道正向设计探索

目前，还很难做到完全意义上的BIM正向设计。应用BIM进行正向设计的目标是能够直接在三维环境下进行设计，即模块化参数设计、方案优化、图纸与模型相互关联以及同步优化等。本项目隧道专业基于BIM技术的正向设计步骤如下。

(1)在Microstation中绘制出标准断面，根据断面的设计原则建立断面内部构件间的二维约束，在约束关系中设定“变量”、“变化”，使断面形成参数化模型(如图18所示)。

图18 构建断面参数化模型

(2)根据适用的围岩等级，通过参数调整，直接形成不同围岩等级的断面形式(如图19所示)。

图19 建立不同围岩等级下的隧道

(3)根据地质模型确定的围岩等级设定隧道衬砌里程，通过修改变量L(衬砌长度变量)与衬砌断面类型形成隧道模型(如图20所示)。

图20 生成隧道模型

在正向设计的研究过程中，同样发现了许多问题需要解决：①使用参数化模型建立隧道时，如遇到与辅助洞室连接，则需要对正洞模型进行开洞(将参数化单元转换为实体模型)，但失去了通过参数调整控制模型的条件。②在修改衬砌长度变量时，目前还不能选取一段三维曲线模型进行敷设，故在曲线地段时这种方法无法使用。③衬砌断面的选取还不能和地质模型相结合，在之后的研究中可尝试通过二次开发，使衬砌断面能自动接收地质模型的信息，从而自动调整为适合该地段的断面[7-8]。