BIM技术在清河站建设中的应用研究与实践

解亚龙,王万齐,李 琳

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京 100081； 2.中铁建工集团华北分公司,北京 100070)

随着我国铁路设施建设规模的扩大，建设速度的不断加快，BIM技术必将成为未来铁路工程设计建设的主要技术发展方向[1]。为此，国铁集团推动了BIM技术在铁路工程上的应用研究。目前我国大型的铁路施工项目都在积极推进BIM技术的应用，力图建立起以BIM为核心的施工管理体系，优化工程管理模式，实现工程项目管理的信息化、科学化和精细化。因此，有必要从BIM模型深化研究、施工方案虚拟仿真等方面开展针对铁路建设项目的BIM关键技术研究[2-5]。

目前，BIM技术在国内客站建设中得到一定应用，乌鲁木齐站、兰州西站、杭州南站、乌兰察布站等铁路站房均采用BIM技术进行了辅助设计和施工，取得了一定成果，但BIM应用的侧重各不相同。杭州南站从管线综合优化、图纸查询管理、可视化交底等方面做了应用探索；乌鲁木齐站利用BIM模型开展了详细的绿色设计方面的研究，在光照模拟、能耗分析、空调荷载计算等方面进行了探索，同时在管线综合、工程量计算、施工图出图等方面进行了应用；乌兰察布站重点在孔洞预留、三维技术交底方面做了应用[6-11]。清河站工程存在参与专业多、协同难度大、结构复杂、内外部管线系统繁多等难题，通过BIM技术优化设计、指导施工，提升清河站整体的设计施工管理水平。

1 工程概况

清河站在几百米长的狭长地带，打造了北京北部全新的综合性客运交通枢纽，实现了多种交通方式的零换乘。清河站设计为地下两层，地上两层，局部三层，其中地下二层为城铁昌平线南延及19号支线站台层及设备层，地下一层为城市通廊、国铁与地铁换乘空间、地下车库等，首层为国铁进站厅、站台层和新建城铁13号线站台，二层为高架候车层，局部三层为商业服务，分层模型如图1所示。

图1 清河站分层模型

主站房依托建筑造型160 m的大跨度屋盖，采用了钢管混凝土A形柱、Y形柱及直柱3种柱形作为竖向主要受力构件，承托顶部大跨度钢结构屋盖，屋盖最大跨度80 m，最大悬挑长度18 m，使整个候车大厅空间更加通透。

清河站工程规模大，总体建筑面积达14.6万m2；其次工程结构复杂，地下空间大，专业众多，协调困难，且主站房设计方案不稳定，变更频繁，工期紧、任务重，是京张高铁的控制性工程。

2 BIM实施内容

2.1 编制BIM实施大纲及BIM标准

工程开工伊始，现场项目部就成立BIM应用实施小组，保障清河站BIM及信息化应用目标的实现。在BIM实施小组的推进下，编制清河站BIM应用实施大纲，并参照铁路BIM联盟相关BIM标准，制定清河站站房项目信息化及BIM应用流程，建立各专业族库模型，开展BIM施工管理应用[13-14]。

2.2 建立站房工程实体结构分解

结合建筑标准、铁路BIM联盟发布的EBS等标准，采用系统分析方法，对工程结构的分解重新进行优化，根据施工方案添加分区、流水段等作业信息，结合高铁站房工程特点补充形成高铁站房工程信息模型分类及编码标准，实现了建筑、结构、水暖、机电、给排水、桥梁、电扶梯等专业的工程实体分解，并在清河站验证分类及编码标准，初步形成一套适合高铁站房的工程实体分解、分类编码标准[15]。

2.3 建立BIM模型

根据清河站BIM应用场景，制定了BIM建模的标准，分别建立了站房主体、钢结构、机电专业和幕墙BIM模型，并对各专业构件附加相关编码，将图纸中存在的问题和施工期间可能遇的难题，以虚拟施工的方式提前可视化预演和预判，提高每道施工工序施工质量，完成装饰装修的深化设计，同时要求细部处理做到美观、实用。

(1)建立清河站结构模型(图2)，能够直观立体的体现该工程结构的设计情况，提取了结构工程量，更快、更准地找到结构冲突，如上下柱不对应、降板不正确、楼梯设计缺项等问题。

图2 清河站主体结构BIM模型

(2)钢结构施工从深化详图就开展BIM应用，由于设计院的蓝图无法直接指导钢结构加工制作和现场安装，需要在专业的详图深化软件中建模，深化出构件详图和构件布置图，用于指导加工和场定位拼装。因此，采用TEKLA软件对钢结构进行全方位的深化设计工作(图3)，将深化设计的钢结构零件、节点精细化切分，形成钢架构加工清单，交由工厂加工。构件加工制作完成后对其进行检测，并将检测数据输入电脑软件中生成构件的实体二维码，在实体模型基础上进行虚拟预拼装，优化拼装方案。

图3 清河站钢结构深化模型

(3)建立机电专业BIM模型(图4)，通过在三维模型中调整管线的三维空间位置，预留出施工和检修空间，形成可指导施工的管综模型，提前发现并解决机电施工中可能发生的错漏碰缺，提高机电安装准确度和施工效率。

图4 清河站机电管线深化模型

(4)通过建立幕墙专业模型(图5)，直观反映设计意图，展示建筑外立面效果，同时可便捷展示设计施工方案，统计材料用量。

图5 清河站幕墙专业模型

2.4 开展BIM施工应用

2.4.1 场地布置优化

根据清河站工程特点，利用BIM技术主要开展基坑工程及综合办公区的场地布置优化方案(图6)，其中，基坑工程面积为37 000 m2。基坑支护形式复杂，为悬臂桩+卸压放坡、悬臂桩+斜钢支撑、悬臂桩+混凝土角撑等不同高程，不同形式的复杂组合，采用BIM技术建立基坑阶段的支护模型，所有支护形式一目了然，在方案论证和研讨中效果显著。

图6 基坑场布优化模型

为了优化办公区布局方案，合理规划和利用有限的办公区域(图7)，1∶1建立了综合办公区、钢结构加工区、材料仓库、现场材料堆放场地、现场道路、垂直运输机械等模型，直观反映施工现场情况，减少施工用地的浪费，保证现场运输道路畅通，方便施工人员的管理，有效避免二次搬运及事故的发生。

图7 办公区场布模型

2.4.2 基于BIM的图纸会审

基于BIM技术的图纸会审系统，能够让施工技术人员利用BIM模型，快速准确地发现建筑、结构图纸中墙梁错位的部位，能够及时纠正，避免施工时返工现象的出现，节约工期及成本。同时，基于原厂软件二次开发审图插件，实现了BIM模型拼装后自动检查识别墙梁偏心问题并形成文本显示，为图纸会审形成指导性意见。在本项目中利用BIM模型累计发现问题200余条，如图8所示。

图8 基于BIM的图纸会审

2.4.3 管线综合优化

在已经完成的二维图纸的基础上，深化站房三维管线模型，不仅可以完整解决设备管线之间、管线与结构专业的碰撞，为后期施工工作提供保证，而且建立的设备管线信息模型为后期运营维护提供技术支持。应用BIM技术开展管线综合，主要完成了以下优化内容。

(1)优化管线净高。利用BIM模型对不同区域净高进行综合排查，找出净高不利点，及时调整管线路由路径[16]。地下一层换乘空间设计管线最低点为4.2 m，无法满足吊顶高程要求。经过BIM优化调整后，采用增加桁架结构将机电管线放置于桁架内，整体空间提升800 mm，增加了空间利用率，满足设计要求，最终利用BIM输出施工图提交设计进行审核后用于指导现场施工，见图9。

图9 管线净高计算与分析

(2)优化管线排布。二维CAD图纸上管线往往表现为线条和符号，无法真实的表现管径、管壁、阀门等真实尺寸，三维BIM模型的优势是能够多专业集成形象展示，真实全面观察管线排布，为管线优化提供切实可行的工具。地下一层B区风道夹层下管线密集，通过模型优化管线排布，并出具图纸指导现场施工，避免各专业现场安装发生碰撞；如图10展示管线密集区深化模型和实际施工的效果对比，方便检查验收。

图10 优化后的BIM模型和现场安装的实景对比

(3)优化孔洞预留。利用管线模型和结构模型的组合，可直观求解出所需预留的孔洞，复核孔洞的合理性。通过BIM技术将机电管线预留洞预先进行排版，利用二次开发的出图功能，直接输出CAD施工图纸(图11)，BIM软件直接出具CAD图纸。

图11 BIM软件出具孔洞预留的CAD图纸

(4)形成可视化交底方案。利用BIM技术具有的三维可视化和动态模拟功能，进行图纸会审，并将主要工艺做法以模型和视频形式集成于平台中，辅助管理人员进行可视化交底，并对前期施工情况进行反馈，形成实际施工工艺、样板内容库，提高工程施工质量和精度。

(5)优化清河站老站房平移方案。通过超声波扫描及人挖探沟等多种形式寻找出清河站老站地下遗留的管线排布与走向，制作站房三维模型和管线BIM模型，对站房迁移施工方案进行施工碰撞检测及影响分析，优化平移方案的每一个细节，避免意外事故发生，达到保护历史遗迹的目的。

2.4.4 基于BIM的装修及幕墙深化

清河站装修装饰BIM模型进行深化应用主要包括碰撞检查、渲染漫游和生成相应材料明细表等深化应用。通过清河站BIM模型进行室内墙面、地面、吊顶、隔断等装修材料选样，将图纸问题解决在BIM模型中，切实提高了深化效率，节省了工期和成本。同时，利用BIM装饰模型，对站房所需的装饰材料进行更加明确的梳理，结合Navisworks等软件提供的进度模拟及工程量预算报表，提前做好材料采购，减少因各专业之间施工冲突而导致的材料浪费、工期延误等问题，为日后运维阶段的维修提供详细的节点说明，便于维修。生成材料明细清单如图12所示。

图12 利用BIM模型生成材料明细

2.4.5 模板设计优化

墩身及上部盖梁模板设计采用BIM技术进行模板放样配置，细化墩身、盖梁曲线设计，确认曲线半径、交点位置等曲线要素。通过模板阴阳角处理、模板板面拼缝错台的控制、对拉螺栓设计、模板预拼装及打磨除锈、支撑架体预压、保护层垫块、混凝土工作性能控制等细节措施，图13为模板总装的BIM模型。

图13 模板总装BIM模型

2.4.6 基于VR的安全教育

针对清河站工期紧、人员入场相对集中、数量大的实际情况，项目部特地在生活区建立集中式教育基地，项目部通过各种信息化手段，对劳务人员实行准入式管理，形成清河特色“一站式”安全教育培训模式。通过将BIM模型导入VR引擎中，利用VR设备的视觉沉浸感功能，对工程人员进行安全技术教育、施工方案沉浸体验，提高施工人员的安全防范意识和安全技能。

2.5 基于BIM的客站建设管理平台

通过BIM+GIS技术搭建清河站智能建造一体化平台，改善目前建设单位项目管理工作界面复杂、项目参与方信息不对称、建设进度管控困难等一系列问题，为建设单位多方位、多角度、多层次的项目管理提供平台和手段，提高建设管理水平。基于BIM的建设管理平台主要包括领导驾驶舱、设计成果管理、技术管理、进度管理、安全管理、质量管理和系统设置等功能[17-18]。

(1)通过建立领导驾驶舱，充分发掘站房应用点，实时、全面、准确服务于现场作业与管理。管理人员可以通过领导驾驶舱对施工作业进度、安全质量问题、环保等问题进行一站式管理。通过实景沙盘、三维GIS电子沙盘及VR等技术实现虚实结合和交互体验，使管理者能够进行站房工程重难点展示论证，动态关注工程总体进度、质量、安全等情况。

(2)技术管理模块通过创建BIM应用成果管理系统，基于工程实体分解目录结构树，实现对视频、模型、文档的有序管理，为现场作业提供快捷有效指导，主要包括对虚拟样板间、BIM放线、模型构件库、模拟建造、BIM图纸会审资料、工厂化加工、碰撞检查等深化成果的信息化管理和共享，指导现场作业人员。

(3)进度管理模块利用BIM技术、无人机航拍技术、手机APP技术等，研发站房BIM管理系统、电子施工日志、站房施组、进度简报、项目动态、无人机航拍录像等功能模块，以BIM模型为载体，全方位地掌握清河站施工作业进度信息，并通过手机APP实时采集上传进度数据，三维可视化驱动BIM模型，实现基于BIM模型的形象展示和监督管理，如图14基于BIM技术展示工程进度。

图14 基于BIM的建设管理平台(进度管理模块)

(4)安全管理模块集成基坑监测系统、塔吊防碰撞系统和视频监控系统等，实现对安全的全面监控。其中基坑监测系统通过创建基坑BIM模型，搭建协同管理平台，融合地表沉降、桩顶竖向位移、桩顶水平位移、锚索拉力和建筑物沉降等多种监测数据，实现基于BIM模型的实时监测、数据分析和预警管控，达到“风险感知与预报警同步、风险形象展现与管控统一”的目标。塔吊防碰撞系统主要利用BIM+RFID进行群塔作业防碰撞，主要包括高度感应器、风速感应器、幅度感应器和角度感应器等设备。利用三维建模查看塔机和拟建建筑物之间、塔机与塔机之间、塔机与材料堆场之间的位置关系，通过动态模拟，实现三维空间中塔机布置的合理性，降低整个群塔作业的安全风险。视频监控系统基于BIM技术对施工现场监控摄像头虚拟布置，并将每个摄像头记录的实时情况与BIM模型关联，实现现场视频可视化动态监控，通过本地语音喊话警示和远程无线视频监测功能，保障工人的人身安全。

(5)质量管理模块集成检验批系统、质量追溯系统等，实现对质量风险的全面监控。其中质量追溯系统主要通过手机端APP采集每个施工部位的施工过程信息，包括施工部位、设计强度、浇筑时间、施工人员、质检人员、监理人员、记录相关表格，包括楼层实测实量、通用模板、物资进场记录、现场照片等，并自动生成二维码，上传时自动与BIM模型关联，跟踪施工对象在其生命周期中流转运动的全过程，实现高效、准确、可靠的质量管理。

3 实施效果

结合清河站工程特点，形成清河站BIM施工应用的具体方案，建立了站房主体模型、钢结构模型、幕墙模型、管线综合模型、场地布置模型，提前解决图纸问题325项；分别从站房工程实体结构分解、钢结构施工、装饰装修方案深化、基于BIM的图纸会审、管线综合、深基坑监测及三维电子施工日志等关键技术进行研究和突破，建立了清河站BIM应用管理平台，开展施工模拟和虚拟建造，提高了施工效率，节省返工时间超过80 d，提高钢结构吊装及拼装效率25%，效果显著。同时，综合利用实景沙盘、三维GIS电子沙盘及VR虚拟现实等先进技术，建立领导驾驶舱等管理平台，汇总统计进度、安全、质量等数据，通过各类图表为管理层提供“一站式”决策服务，实现对清河站的综合管控。有效提高了管理效率，让管理有的放矢，促进铁路建设从“经验管理”向基于数据的“科学管理”转变，最终形成一套具有普适性的研究成果，为其他高铁站房的BIM应用提供借鉴[19-20]。

4 结语

通过分析国内外客站BIM应用和标准研究情况，结合清河站工程特点，开展了BIM技术的应用实践，取得了以下成果。

(1)结合建筑标准和铁路BIM联盟相关技术标准，编制了清河站BIM实施大纲，制定了建模标准和编码规范，为BIM建模和施工应用奠定了基础。

(2)根据BIM工程化应用的场景，建立了清河站办公区域、主体结构、钢结构、幕墙、机电管线等专业BIM模型，优化设计、指导施工。

(3)利用场布模型开展场地优化布置，优化基坑支护方案；利用“BIM模型+二次开发插件”开展图纸会审，取得较好效果；在管线优化方面，优化乘客换乘空间管线净高，最大限度节约空间利用，优化管线密集区域的管线排布，指导施工，方便后期检修运维；通过管线模型与结构模型的组装，优化孔洞预留，并直接生成二维图纸；利用超声波等手段探明老站房地下遗留管线，形成完整全面的BIM模型，优化站房平移方案；优化了模型设计，开展了基于VR的安全教育应用，在装饰装修方面利用BIM模型生成材料清单，优化材料采购。

(4)建立了基于BIM的客站建设管理平台，实现了BIM成果管理，实时动态掌握现场进度、质量、安全等情况，有效提高管理能力。

(5)未来在站房BIM应用上需进一步深化站房景观设计、站房能耗管理、装配式机房、站房运维管理方面的研究，进一步深化BIM技术在站房全寿命周期管理方面的应用。