BIM技术在高速铁路既有车站建筑改造工程中的应用

刘洋

（中铁九局集团有限公司，辽宁沈阳 110051）

0 引言

广深港高铁是我国“八横八纵”高速铁路京哈—京港澳通道的南端部分，联络广州和深圳铁路枢纽，并将香港特别行政区接入全国高速铁路网。虎门站是广深港高铁中间站，站房形式为线正下式，有“空中火车站”之称［1］。为提高铁路运力、优化乘车环境，自2017 年起对既有虎门站站房进行改造，工程总建筑面积1.51 万m2，其中既有建筑面积1.03 万m2，新增进站厅建筑面积2 605.17 m2、出站厅建筑面积2 236.41 m2、站台防飘雨棚488.15 m2及配套的电力、通信、给排水、暖通等专业的改造。改造工程主要技术难点为新旧站房建筑结构、装饰装修、管线综合等多专业的协调对接以及改造期间正常乘降的施工干扰等。应用BIM 技术对玻璃幕墙、专项方案、进度工艺等进行深化设计与仿真模拟，有效保证改造施工期间的安全与质量，为BIM 技术在高速铁路既有站房改造工程中的应用提供较好的借鉴经验，也为Bentley 平台在建筑工程中的应用总结了完整的技术体系［2-3］。

1 AECOsim Building Designer 技术体系框架及模型创建

Bentley 平台软件工作前期核心是工作环境和种子文件的创建，设置正确的工作环境在项目实施前至关重要［4］。工作环境的设置是为了满足工程项目实施需求，项目不同，需求也不相同。在Bentley软件平台中，这些需求归结于一些资源文件，如构件类型、类别样式、界面资源以及启动特定的程序或图库等。Bentley软件工作核心资源文件、操作界面设置文件等目录均保存在WorkSpace 下的子目录（见图1）。AECOsim Building Designer 定义的信息模型属性是通过Datagroup+Part 的方式来设置的，Datagroup 定义了不同的构件类型，不同类型具有不同属性［5］，即区别不同型号；Part包含构件的线性、线宽等基本属性和渲染材质、填充图案等有特别需求的高级属性（见图2）。工作环境应根据实际需求进行定制，新建项目工作环境需在WorkSpace文件夹下的BuildingDatasets、Interfaces、Project以及Users 目录分别建立相关资源、项目界面、项目和用户文件，并在文件字符命令中修改相应参数，使新建的资源文件、项目文件和用户文件分别一一对应，方便调用。

图1 WorkSpace目录结构树

图2 构件信息表达理论

在本地的工作模式下，采取将WorkSpace 共享映射的方式，修改指向路径，方便和建立项目所有BIM 技术人员工作环境的协同。非参数化构件的创建需要三维实体的操作，建模方法基于MicroStation 并将绘制出的构件存储为cell单元，文件格式上cel和dgn文件格式圴可被Bentley 各软件编辑，因此，可以直接打开cel文件对构件进行创建或编辑一个单元［6］。

在AECOsim Building Designer 中参数化模型包括了以Parametric Frame Builder 工具创建的bxf 文件和以Parametric Cell Studio 工具创建的paz 文件。Frame Builder 创建构件的建模过程实际上是执行每行的语句命令，选中参数化构件创建器不同的选项，就可以在右侧相应的窗口输入不同的参数，然后点击建立命令，即可生成对应的语句命令行，多个语句命令行组合在一起，即完成整个构件模型的建立。如数据组更新后，即可在放置门对象中找到所创建的自定义构件并放置对象（见图3），同时在放置门对象命令中可用数据驱动该参数化构件单元的外观参数（见图4）。

图3 参数化构件创建器Frame Builder

图4 放置门对像及参数驱动

2 高铁站房改扩建及施工过渡方案设计应用

广深港高铁虎门站为“建桥合一”形式，东西新增站房部分和东侧消防水池基础均包含钻孔桩、承台。按照设计要求，新建进站厅与既有站房连接处，二层屋面板需延伸至既有站房内，相应在既有站房内增加梁板柱、基础梁、桩基础，桩基础采用10 根人工挖孔桩，孔深25 m。根据设计意图：由于站房改造，进站楼梯区域将室外变为室内环境，因此需将防火分区的面积控制在规定的5 000 m2以下。通过BIM辅助论证发现，由于运营站房内人流量大，且增加屋面板处于既有扶梯顶部，该扶梯是旅客进站候车的唯一通道。经过BIM 可视化三维模型动态分析后认为，在无法封闭唯一进站通道的条件下，施工现场作业环境复杂，施工干扰及潜在施工风险极大。为规避该处施工风险，结合BIM 技术与现场环境分析，并遵照《铁路工程设计防火规范》要求，提出结构优化设计方案（见图5），取消该处桩基础设计。

图5 进站厅桩基础结构优化设计方案

虎门站站房改造工程中，新建出站厅原为虎门站旧站房消防水箱位置，为保证工期进度与虎门站消防用水，必须提前做好管线迁改等过渡工作。原设计消防水池连接管道埋设1.25 m，位于新建出站平台基础梁下方。按照常规工序，秉着“先地下后地上”的原则，桩基础施工完毕后需进行沟槽开挖、管道安装工作，再进行承台、基础梁及上部构造施工（见图6（a））。受春运影响，工期紧张，按原工序施工无法保证该站正常交付。应用BIM 技术对管线与结构关系、进度进行模拟分析，将管道标高抬高，在出站厅基础承台、基础梁上方绕过（见图6（b））。此方案避免管道迁改影响结构主体施工，保证了主体工程施工工期，在春运开始前顺利达到交付条件。

图6 出站厅桩基础下管线设计优化方案

3 钢结构、管线综合、幕墙深化设计应用

在钢结构雨棚及消防疏散钢结构楼梯施工中，应用 了 AECOsim Building Designer及ProStructures对钢结构进行深化设计。原消防钢结构楼梯与二层标高平台间存在空隙，该空隙高差0.96 m，但设计文件给出的消防钢梯配套玻璃栏杆高度应为1.10 m，不满足配套扶手安装要求，应用BIM 技术对该处设计缺陷提早发现，并进行深化设计，有效避免了后期返工和材料浪费（见图7、图8）。

改造工程最困难的问题是新旧管线的协调与设计，往往造成新设计管线与既有管线对接困难。针对此情况，在综合管线施工前应用三维扫描仪对既有管线进行三维扫描，获得站房既有建筑结构、机电管线彩色点云数据，通过降噪处理和格式转换后将点云数据导入AECOsim Building Designer 进行逆向建模和管综检查，有效解决了设计碰撞及新旧管线的设计衔接问题，提高了设计与施工效率（见图9、图10）。

图7 消防疏散钢结构楼梯深化设计

图8 消防楼梯与玻璃护栏深化设计

图9 站房改造管线综合布置

虎门站改造后骨架幕墙1 011 m2，主要为进站厅南北两侧及西侧建筑幕墙装饰，形式为半隐框玻璃幕墙（竖明横隐），幕墙位于既有桥墩间。幕墙加工前对既有桥梁建筑轮廓进行三维扫描测量，发现幕墙完全按照设计文件尺寸制作，最外侧骨架将与既有桥墩产生碰撞，遂采用AECOsim Building Designer 对幕墙结构进行深化设计。将西侧幕墙中部两端幕墙间距由原设计的2 250 mm 变更为2 175 mm，将西侧幕墙南北两侧最外端幕墙间距由2 425 mm 变更为2 350 mm，将南北两侧幕墙西端幕墙间距由1 380 mm 变更为1 373.5 mm，并对幕墙中多种形式的节点单元进行了优化和碰撞检查，对幕墙与进站厅卫生间西侧墙体间缝隙加装了护栏，提高了整体施工质量和局部效果（见图11、图12）。

图10 新管道模型与三维扫描点云模型对接

图11 站房外幕墙尺寸深化设计

图12 幕墙与进站厅卫生间西侧墙体间缝隙

4 仿真模拟及工艺辅助应用

采用Synchro PRO 将BIM 模型与CPM 计划任务关联，添加施工任务之间的逻辑关系，以及机械设备运动路径，在工程的不同时段、不同进度阶段的模型以不同的颜色显示，进行施工方案模拟、施工动画制作及发布，最终达到提高施工效率、优化施工流水的目的。Synchro PRO 支持多种文件格式的导入，可直接读取Project软件编辑的进度计划（见图13）。

图13 Synchro PRO进度仿真模拟

采用BIM-FILM 虚拟施工交底系统对施工工艺进行模拟，以可视化的动态操作提升技术交底效果。BIM虚拟施工系统是基于BIM 技术、结合3D 动画编辑技术，整合了建设工程行业通用的“施工模板”“素材库”，支持常用的“标注类模型”“构件类模型”及“材料类模型”的自定义编辑、并且可以导入BIM、CAD、IFC、FBX、OBJ 等行业软件常用模型文件格式，同时支持输出效果图、课程视频、微课视频、VR 全景视频等多种格式，为工程交底和工艺提供了直观的表现方式（见图14）。

图14 梁模板安装施工工艺模拟

5 结束语

通过建立模型整合工程信息，并对BIM 模型节点进行深化达到实际使用需求，为整个工程提供可信赖的信息资源和数据基础，是今后基于BIM 技术进行施工管理需要实现的目标［7］。依托实际工程对Bentley 平台在建筑改造工程中的应用进行深入研究，在三维扫描、管线综合、方案深化、工艺仿真等方面进行有益尝试，为项目的施工提供了较好的辅助手段，经济和社会效益显著，具有广泛的推广和借鉴价值。