BIM技术在既有站房改扩建施工中的应用

谭立新

（中国铁路南昌局集团有限公司，江西南昌 530029）

0 引言

BIM技术可通过建立构筑物三维信息模型，实现三维信息展示，具有协调性和模拟性等特点。将BIM技术应用于铁路工程建设，能有效提高施工效率、降低安全风险、提升施工质量。近年来，越来越多的工程实践证明，BIM技术在铁路行业具有巨大的应用价值和广阔的应用前景[1-2]。

2015年9月，原中国铁路总公司对柳州站既有站房改扩建工程进行了初步设计批复，批复施工总工期为54个月。同时，要求建设、设计单位结合车站运营组织方案，优化、完善施工组织设计，加强施工过程控制，确保施工质量与既有线安全。基于施工要求，将柳州站既有站房改扩建工程与BIM技术深入融合，对施工组织方案进行优化设计，为保障既有线安全、提升施工质量提供了有力的技术支撑[3-4]。

1 工程概述

柳州站位于广西省柳州市市中心老城区，是中南、西南地区重要的铁路交通枢纽之一，其站场规模为11站台面11线（含正线2条），12道为机走线兼到发线、13—16道为货车线。柳州站既有站房位于线路东侧，为侧线平式站房，旅客乘降“东进东出”，站房设施老化、周边路网拥堵；站房西侧临靠鹅山，自然环境优美，但城区老旧、市政道路狭窄拥堵，为典型“脏、乱、差”棚户区，与优美环境反差极大；站房东西两侧不互通，交通十分不便。

柳州站既有站房改扩建工程原设计方案为：既有站房原位拆除重建（规模5.49万m²，简称东站房）；在1—12道修建高架候车室（规模2.48万m²，简称东高架）。该方案存在以下局限性：

（1）站房规模偏小，不适应铁路交通枢纽发展需求；

（2）站房东侧单侧改造与城市整体改造规划不匹配；

（3）站房东西两侧不互通，城区风貌和站区品质均无法有效提升，不能更好地增强市民、旅客的获得感、幸福感；

（4）单侧站房、单侧高架的站房造型与柳州市“崛起龙城”的形象严重不匹配；

（5）站房拆除重建施工期间，旅客乘降组织困难。

基于“站城融合”新理念，优化与提升设计方案，在线路西侧对称增设西站房（简称西站房），13—16道上方增设高架候车室（简称西高架），形成东西对称、站场上方全部采用高架候车的方案。新站房由东站房、西站房和高架站房3部分组成，总建筑面积11.4万m²，新建旅客出站地道1座，并承担东西广场联通的市政功能。当地政府启动东西侧棚户区、市政道路、站前广场、轻轨等配套设施建设，与站房同步投入使用。

2 BIM优化施工组织方案

针对柳州站既有站场建设高架站房的特点，对已完工的南昌站、厦门站等既有站房和站场改造工程经验进行学习、借鉴，通过半场封闭平推施工，解决站场施工与既有站台同步运营的矛盾，并通过新建对侧站房，解决客运过渡问题。

在柳州站既有站房改扩建工程施工组织方案中，将南昌站半场封闭平推式两阶段施工方案与厦门站新建南站房半场客运过渡、分步开通的方案相结合，融合“站城一体化”“一站一景”建设理念，最终确定“两阶段三步骤”施工组织方案：

（1）“两阶段”。高架候车室及站场施工按东、西半场两大阶段进行。即第一阶段，封锁站场西半场，同步施工西站房、西高架，工期14个月；第二阶段，开通西半场，封锁东半场，拆除既有站房，同步施工东站房、东高架，工期28个月。总工期42个月。

（2）“三步骤”。旅客乘降分为“西进东出”“西进西出”和“东西进出”。

2.1 WBS分解

根据柳州站既有站房模型存储属性信息生成项目结构树，项目结构树层级为“项目—标段—构筑物”，再根据模型构件中存储的实例化的模型实体结构编码，生成构筑物到构件的结构树。模型实体结构依据铁路BIM联盟《铁路工程信息模型分类和编码标准》（简称IFD）表53进行分解[5]。在建模过程中，模型每个构件都添加了默认施工工艺编码，通过“标准工艺-工序”映射表进行构件和工序的自动挂接，单个构件中的1项施工工序为工作任务分解的最小单元。

工程量计算采用自动算量与人工算量结合的方式，自动算量使用三维图形引擎提供的体积、长度、面积等计算接口得出所需构件几何信息，再通过调用算量公式库中的计算公式算出相应工作量。当构件几何结构较复杂，难以通过图形引擎计算时，可采用人工算量方式，根据构件中存储的几何属性信息或二维图纸中的几何信息编辑相应的公式进行算量。算量完成后，系统通过构件唯一ID将工作量与构件工序关联。项目WBS分解界面见图1。

图1 项目WBS分解

应用以上方法对柳州站既有站房改扩建工程施工进行WBS分解。首先进行工程实体分解，再进行构件与工序的自动挂接，使WBS分解与BIM模型紧密结合。实体结构分解，是根据BIM模型中存储的实例化IFD编码自动生成，工序与构件的关联根据“工艺-工序”映射表自动完成，过程中无须人工参与，极大减少计划编制人员工作量。另外，当发生设计变更时，只需将更新后的BIM模型导入到系统即可自动完成WBS分解。

2.2 计划编制与资源配置

由于施工方案复杂，需要考虑施工区域内的资源排布情况。资源强度过高会导致人员、设备、物料等排布不开，造成施工效率降低。另外，由于人员、设备及其他条件限制，当一个施工区域内的某项工作尚未完成，不能开始下一个区域内工作，即区域之间也可能存在施工的前置关系。因此，在进行施工计划编制前，需要先对施工场地进行区域划分，区域划分可在BIM模型或模型实体结构分解树上进行。区域划分完成后，需要设置各区域之间施工的前置关系及各区域内的资源强度限制。设置完成后，区域施工前置关系及区域资源强度限制将作为计划编制与资源配置优化的附加限制条件，使计划编制及资源配置更加科学合理，提高计划的可执行性。

完成区域划分与配置后，即可针对某一区域内的一项工作任务（施工工序）进行初始计划的编制和资源配置工作。

2.3 进度跟踪与控制

进度填报人员通过移动终端或个人电脑填报电子施工日志，内容包括当日各项施工任务完成量、临时增加任务完成情况及当日施工现场环境信息。日志提交后，系统根据填报信息更新施工进度。另外，系统会统计当日实际施工功效信息，计算出哪些工作任务不能在计划工期内完成，提示计划编制人员及时增加滞后任务的资源强度，并对滞后任务增派人员、机械及物料资源，以提高该任务的施工功效（见图2）。通过建立以BIM为核心的既有站房改造工程施工组织管理体系，将施工与运输从空间上错开，优化流水施工段，减小干扰、降低风险、节省工期，实现工程管理信息化、科学化和精细化[6-10]。

图2 进度跟踪界面

3 施工质量安全管理

3.1 塔吊可视化监控

由于柳州站既有站房场地狭小、吊装量大且周期长。作为贯穿工程建设始终的大型起重设备，塔吊的安装部位必须合理有效，且应保证其安全、持续运行。基于BIM群塔作业监测系统，实现在系统内操控BIM塔吊模型，对其运行幅度、高度、回转角、质量、力矩、风速、倾斜角等不同数据类型的测量、分析，有效避免塔吊在运转过程中出现结构自身危险、与障碍物碰撞危险、塔吊间碰撞危险等。在对塔吊幅度、高度及回转位置实时检测的同时，通过无线组网技术将同一施工环境下的多台塔吊组成一个无线监控网络，使不同塔吊的运行状态数据在塔吊间传递。系统具备自诊断功能，塔吊自动检测电机电流、电压、温度等，若出现过压、过流或温度过高等危险情况，通过继电器将电源断开，从而保护电机。每个塔吊可以基于本塔吊及其他塔吊数据进行防碰撞计算，实现距离预警和高度预警，并基于计算结果进行语音报警，在紧急情况下切断不安全方向动作的电源，避免碰撞事故发生（见图3）。

图3 塔吊可视化监控界面

3.2 钢结构焊缝检测

将现代化管理手段与先进通信技术结合，对焊接生产过程进行控制。通过系统对工厂和现场“两阶段”焊缝质量进行管理，实时记录和上传焊缝类型、每类合格数、检测日期、结论、探伤报告、探伤参数等信息，管理焊缝检测进度，形成构件“焊缝地图”，方便建设单位和施工单位对焊缝质量的综合及时管理，提高焊接的自动化程度与管控水平，防止焊工误操作，实现主要、关键部位焊接过程的监控和事后追溯。

3.3 既有线施工管理

在施工过程中，大量信息来源于不同专业、不同资料和不同系统，导致各专业上报施工计划时无法全面考量其他专业的设备信息，业务处室审核时也需要利用多种途径查阅不同资料，依靠人员经验无法最优地编制施工计划并判定施工对运输的影响。因此，在施工过程管理中应用施工辅助管理模块，融合多个系统，可实现运输和施工双赢。

相关业务单位利用施工模块化管理辅助平台的图形化界面编制施工计划（见图4），以及平台会签、审核施工计划，经过审核的施工计划上传至运输调度系统，由运输调度系统进行下达。

图4 施工模块化管理辅助平台界面

根据模块提供的规则，自动检测是否正确标识施工影响范围（见图5），有无“漏、错、多”等情况，利用知识库方法逐渐建立和积累施工影响范围的规则。

图5 施工影响范围查看界面

施工模块化管理辅助平台利用邻近的历史运行图数据，结合下一阶段施工计划，分析施工与运输的关系，为施工计划的制定提供辅助决策手段。综合判断一个调度区段或某个枢纽站安排施工天窗的最合理方案，剔除影响该区段通过能力的主要施工天窗，杜绝短板效应，做到合理平行安排多项施工，实现“天窗全停又不全停，全给又不全给”。同时，随着运输情况变化，最大化、合理化安排施工天窗，确保行车设备质量状态良好，实现运输和施工的双赢。施工计划可视化填报与审批界面见图6。

图6 施工计划可视化填报与审批界面

施工模块化管理辅助平台的应用，实现了施工过程中的工务、电务、行车设备信息综合查询，以及施工、维修组织的图形化展示，实现了各专业计划冲突检测、影响范围自动判别，辅助提高了施工计划编制、审核工作效率。

4 应用效果

与传统管理相比，将BIM技术应用于柳州站既有站房改扩建工程，满足了各单位对实时了解工程具体信息和可视化数据处理预警的需求，加强了参建各方的信息共享和对项目进度的监管力度，保证了现场施工进度，大大减少了现场返工，为类似大中型高铁站房施工提供了经验借鉴。柳州站既有站房改扩建工程主要取得了以下应用效果：

（1）高效兑现项目安全、质量和工期目标。2015年12月，西站房开始建设实施，并修建材料运输通道；2017年9月，启用4—6站台及西高架，拆除既有站房并启动二阶段站场施工；2018年12月，启用2—3站台及东高架；2019年6月，建成东站房，较批复工期提前1年完工。通过设计及施工方案的合理优化，结合城市规划建设，保障运输安全有序，确保站房的高效优质建设。柳州站既有站房改扩建工程荣获铁路优质工程奖，正在申请国家优质工程。

（2）有效确保施工期间运输平稳有序。客运部门利用平行径路组织客车作业，第一阶段，1、2道下行，4、5道上行，3道上下行；第二阶段，7、8道下行，9、10、11道上行；特殊情况下，各股道均可组织上下行。通过合理的施工组织及客运组织，在施工第2年，柳州站运输能力全面恢复且逐年提升；2019年，列车接发较施工前提高42%、年旅客发送量较施工前增加29%；完工后，柳州站最多聚集人数达4 500人，预测年旅客发送量为近期1 600万人、远期2 180万人。

（3）极大提升城市及站区品质。施工期间，柳州市启动东西站前广场建设；2019年10月，柳州站东西广场已全部投用。目前，柳州市轨道交通正在建设中，柳州站城市交通综合体功能日趋完善。以柳州站建设为契机，结合采用先期建设西站的过渡方案，将柳州站东西两侧站前广场、轻轨、道路进行一体化设计，站房施工和周边城市改造同步实施，彻底解决了柳州站站区及周边城区景观环境“脏、乱、差”、城市道路拥堵严重等问题，很好地提升城市及站区形象，实现“站城一体化”。

5 结束语

在柳州站既有站房改扩建工程中，以BIM技术为核心，结合物联网技术等多种信息化手段，以施组进度为轴线，形象地展现其安全风险源和质量风险，既满足现场施工需求，又提高管理人员对于施工进度、安全质量风险的处置效率，全方位提高站房工程管理水平与效率。通过“站城一体化”建设构思，将城市建设和站房改造相融合，使铁路交通与城市多功能交通无缝衔接，实现以车站为中心、周边路网发达的综合交通枢纽功能。在实施过程中，进一步优化东西站房檐口形式，并将柳州站西侧的鹅山景观建设与柳州站站房完美融合，以“开门见山，一站一景”的建筑理念，实现建筑艺术与实用功能及城市发展建设的有机结合。柳州站既有站房改扩建工程及旧城改造，极大改善了交通出行条件及周边环境，极大提升了人民群众对现代化建设的获得感、幸福感，取得了良好的经济效益与社会效益。