双层车场铁路站房——丰台站施工BIM综合应用

董无穷 武向阳

(中铁建工集团有限公司，北京 100160)

引言

随着我国“八纵八横”高速铁路网的不断建设和完善，铁路站房工程作为直接面对旅客的重要节点，面临工程规模越来越大，工程结构功能更加复杂的特点[1]。丰台站作为北京市重点客站之一，其独特的双层车场结构形式、巨大的工程体量、极短的施工周期为工程建设带来的很大的难度。中铁建工集团从施工生产入手，制定BIM实施方案[2]，确立了12大类应用方向，42项BIM应用点，重点研究BIM技术在工程深化设计、施工上的应用，并加强基于BIM的管理和智慧工地建设，取得了一定的研究成果，为后续同类型工程的智能建造提供了基础。

1 工程概况

北京铁路枢纽丰台站站房工程位于北京市西南三四环之间，站房建筑总规模为39.88万m2。地上四层，地下三层，局部设有夹层，在地下二层和三层分别为北京地铁10号和16号线的站台层，与站房主体同结构施工。

丰台站采用双层车场设计，普速车场位于地面层，采用上进下出的流线方式； 高架车场位于23m标高层，采用下进下出的流线方式，是国内首座将高速车场和普速车场重叠布置的站房工程。

图1 项目分层介绍图

2 重难点分析

2.1 工程体量巨大、工期紧张

作为国内首座高普车场重叠布局设计的站房工程，双层车场结构形式无论从结构体积还是影响关系，都给工程施工组织和工艺流程带来了极大的挑战， 近40万m2的建筑面积、80万m3混凝土浇筑、20万t钢结构用钢量以及14万t钢筋，体量巨大。

分两期的建设组织给工期带来极大压力。一期工程开工日期为2018年12月1日，二期工程在2020年9月1日开工，计划竣工交付日期2021年12月，目前工程已完成一期结构施工，二期工程开展土石方部分施工。

2.2 工程施工难点多

丰台站大尺寸结构构件多，节点构造复杂，其中最大劲性钢结构柱截面尺寸为5.2m×3m、4.55m×2m，劲性钢结构梁截面尺寸为5.2m×1.0m和3.9m×2.9m，单根钢结构柱最大重量可达70.2t。

2.3 工程安全施工压力大

站房施工区域范围内为深基坑施工，其中东侧紧邻正常运行的地铁10号线，对地铁结构累计变形控制要求高，北侧一期施工时临近运营中的京沪、永丰铁路线，安全要求高，工程周边同时施工附属工程、行包通道等，多工程穿插施工频繁，相互制约，最高峰施工人数达10 000人，同时运行塔吊数量达19台，多台履带吊行走于塔吊之间，施工安全风险极大，给项目的安全管理带来极大挑战，叠加上周边极差的路网通行能力，给工程施工组织、物资运输、车辆协调带来极大的挑战。

由于面临着诸多的重难点，在项目实施过程中从安全、质量、成本、进度和环保管理目标与需求出发开展BIM技术应用，实现“精品工程、智能客站”的总目标。

3 BIM技术路线

3.1 BIM技术的施工综合应用

在丰台站的施工BIM综合应用过程中制定了可实施的BIM实施方案，细化工程BIM标准、完成工程3D模型、提高设计施工图质量、优化工程施工部署、动态控制施工进度、全专业BIM深化设计、重点方案、工艺仿真模拟、机电预制化、装配式施工、工程智能化施工、基于BIM的施工安全管理、基于BIM技术的质量管理、基于BIM技术的成本管控，完成竣工模型并辅助运维开发等多项BIM应用内容。

图2 BIM综合应用内容

3.2 技术路线保障

3.2.1 BIM团队建设

为了推进项目BIM顺利实施落地，在项目初期成立指挥部级BIM及信息化中心，统筹整个工程的BIM应用，在4个分子公司项目部成立BIM实施小组，由项目经理和总工负责推进BIM应用，形成覆盖专职和兼职BIM实施力量，保证了BIM技术与项目管理和生产的结合应用落地(图3)。

图3 BIM应用组织架构图

3.2.2 配置BIM软硬件设施

在中心机房建立了由3台高性能服务器组成的小型私有云计算中心，覆盖了50个云桌面的配置资源，并在办公区、施工现场布置了全域的WIFI网络覆盖(图4)。

图4 硬件配置图

接入终端上采用瘦客户机为主，高性能工作站为辅，便携设备填充的硬件布局，使BIM成员高效、快速地访问BIM模型资源。

在BIM软件配置上，以Autodesk解决方案为主，重点应用各种轻量化平台，与GIS平台结合，用于BIM模型及成果的应用、管理等。

4 BIM创新应用

4.1 全网页端BIM建模与协同

网页端建模指的是使用人员在本地电脑未安装建模软件的情况下，通过打开在网页端部署的建模软件进行BIM建模操作与应用的建模手段。同时利用基于域用户的共享文件夹进行协同，快速访问内网文件资源，实现多专业的信息共享与协同。

在项目之初规划了全部在网页端建模的模式，团队成员只需3步即可在任何联网终端进入revit原生环境模式建模和应用，不但方便快捷，而且软件运行效率与中高端桌面端一致。解决了无需软件即可在网页上建模的场景和资源的快速配备。

可由管理人员在后台配置更新软件程序，根据权限调整和设置不同程序面向的管理人员，实现需求到实现的快速响应，实现软件版本的统一。

图5 网页端建模架构图

以往项目在进行BIM建模工作时，在本地电脑上安装常用的BIM建模软件，这些软件的使用对本地电脑的配置有较高要求，如果电脑配置达不到，运行缓慢将会大大降低工作效率，甚至出现卡死等丢失工作成果的状况发生。通过本项应用，将建模软件部署于服务器端，可以大大降低对本地终端的硬件配置要求，只需分配账号和虚拟配置即可使用。同时成果文件留存于项目云端，使得所有团队成员可以在任何连网终端进入内网环境进行协同工作，安全快捷。

同时通过平台可以将桌面端程序移植到各移动终端上登录应用，减少移动端应用软件开发成本，快速部署。

通过本项应用，可以减少购买高性能电脑的成本和硬件管理成本，并且建模环境与传统桌面端无异，不存在新平台所带来的不熟悉学习成本。同时，在内网环境下进行协同办公，大大提高了各专业之间的协同工作效率，同时保证了BIM模型的权威性和数据的有效性。

4.2 基于BIM+GIS的钢结构全生命周期管理平台应用

针对丰台站钢结构总用钢量大，施工穿插管理难度高等特点，我们开发了基于BIM+GIS的钢结构全生命周期管理平台，覆盖从设计、深化设计、工厂加工[3]、物流运输、现场安装、结构交验等6个阶段16个环节的管理，通过在TEKLA模型中对每个构件编码，以.ifc格式导入平台作为基础管理对象单元，点击模型即可查看不同阶段环节的信息，而不同阶段的数据完整性也能够反向驱动相关BIM模型的变化，实现三维交互。

图6 钢结构全生命周期管理平台

其中在深化设计阶段管理每个构件的二维深化设计图纸和三维深化BIM模型，可以方便管理人员快速了解钢结构深化设计情况。

在工厂加工阶段，通过接入两家分包的ERP系统，能够管理每个构件的原材料采购、质量证明文件以及统计分析的结果为总包快速了解工厂材料采购进度提供参考。

在工厂下料环节中，应用基于BIM模型的智能套料软件——SigmaNest代替传统的人工套料，对每个构件的零件展开图进行“超级算法”的排布套料，套料结果体现在每张钢板的切割轨迹图能够被平台自动抓取和分析，提升原材料利用率1%，实现主材利用率96.6%以上。

在现场安装阶段，通过约束两家钢结构公司使用统一的APP进行阶段环节的施工应用，包括构件吊装、焊接、探伤和补漆环节等，其中在焊接环节，落实到每一条焊缝和焊工，让焊工以扫码、拍照的方式在焊接完成后自动将人员、时间等信息与焊缝关联，为后续的质量追溯提供原始数据，其施工进度信息也能够被管理人员实时掌握。

针对现场的安全和质量管理，通过APP以“微信朋友圈”的方式发起，指定责任人，问题和亮点在BIM模型上显示，在完成整改后验收，对于优秀做法发布到亮点广场，供全体人员学习。

4.3 基于BIM的智慧工地应用

打造以BIM和GIS模型为载体的智慧工地集成建设模块，将高清视频监控系统、环境在线监测系统、群塔防碰撞与吊钩可视化系统[4]、深基坑自动监测系统、大体积混凝土在线监测系统和人员管理系统等集成到平台中，各系统的前端硬件建设采用统一的数据接口，在底层打通各系统之间的数据传递和共享，实现了基于BIM环境下的智慧工地体系，提高现场管理能力。

图7 BIM智慧工地模块

视频监控模块，视频监控画面链接至BIM三维模型中对应的监控模型上，通过点击监控模型，调出对应监控画面。平台支持对摄像头云台进行远程操控，实现实时控制。基于该应用，实现了对现场施工情况的全覆盖监控。

环境在线监测模块，环境在线监测数据链接至BIM三维模型中对应的环境监测模型上，通过点击模型，实时获取环境在线监测数据，同时可以与塔吊喷淋设备联动，当超出预警值时自动启动塔吊喷淋。基于该应用，达到环境保护的目的。

群塔防碰撞模块，群塔防碰撞模块内数据链接至BIM三维模型中对应的塔吊模型上，点击模型可以直观查看每个塔吊的实时运行数据，管理塔司、塔吊入场、吊钩可视化以及群塔交叉防碰撞报警管理。基于该应用，提高安全管理水平。

深基坑监测模块，深基坑监测模块的数据链接至BIM三维模型中对应的深基坑监测模型上，可以点击每个监测点模型直观显示该监测点位的运行状态，查看历时变化曲线，当有报警产生时能够第一时间发现报警信息和报警位置，提早做出措施。基于该应用，可以保证基坑安全、稳定。

大体积测温模块，大体积测温模块数据链接至BIM三维模型中的大体积混凝土模型上，点击该区域的模型，可以查看测温区域的实时温度与历史变化曲线。基于该模块，管理人员可以实时了解对应区域的温度值。

5 BIM技术综合应用

5.1 BIM模型建立

建立深化BIM模型，进行实例化参数添加，集成WBS编码、图纸版次、问题说明、图纸变更等信息，建立模型视口和图纸视口，确定剪切关系等。

5.2 图纸问题会审报告

利用深化后的BIM模型检查人防门与结构梁的碰撞检查，确保每一道人防门均可无障碍安装。利用BIM模型进行图纸会审，出具标准问题报告并下发至各技术负责人，形成问题汇总清单，由设计单位审核后形成相关成果文件，提高设计精准度，减少施工中问题发生[5]。并在实体施工时检查是否执行，截止目前共发现图纸问题481项，形成图纸会审报告9份。

图8 标准的图纸会审报告

5.3 基于BIM的图纸、模型、问题管理

利用BIM软件的信息赋予功能，以时间轴将图纸的设计优化信息、图纸变更信息、问题交流信息等集成到模型内，管理人员在使用时依据位置等空间信息检索是否存在变化，达到了“以时间换空间”的效果，提高管理人员工作效率、减少施工成本。

5.4 BIM群塔布置及方案验证

建立群塔布置模型[6]，检查塔吊基础、塔吊大臂之间和塔身与结构之间的位置关系，确保塔吊基础及位置符合要求。

5.5 BIM复杂节点技术交底

针对站房复杂节点多的特点，建立47个复杂节点BIM模型，细化表达钢筋、钢结构和模板等内容，验证钢筋施工的可行性，优化节点连接方案等，出具节点施工详图，对作业队伍进行三维可视化交底[7]，保证了混凝土结构的顺利实施。

5.6 施工方案模拟及验证

结构施工期间对跨既有线钢栈桥和混凝土灌注桩施工等重大方案精细模拟，建立跨接既有线钢栈桥模型，对钢栈桥的组拼方案进行动画模拟，用于方案审查与施工前交底，严格落实方案要求施工[8]。对其它一般性方案，实行100%方案BIM化，提高了方案编制水平，易于工人理解。

5.7 施工部署BIM优化

利用BIM模型对丰台站东站房基础、雨棚基础、普速站台及地下行包通道等多专业交叉施工进行施工优化部署，为项目部节约大量工期，使施工组织更加合理有序。

对站台下空间的利用优化，建立每个站台的BIM模型，通过对中空站台的优化，使施工现场土方开挖难度降低，结构形式在满足功能要求的同时便于施工，大大提高了施工效率，节省工期。

5.8 二次结构深化设计

对建筑专业中的砌筑墙体开展深化设计，包括构造柱、圈梁、水平系梁、过梁等内容，将墙体预留洞口尺寸、标高和砌体排砖等出图标注，并将深化砌筑模型导入至轻量化平台中，以二维码形式供管理人员扫码查看精细模型。为了快速区分不同类型墙体，对墙体类型进行分析标注，针对大于4m的高墙单独注释标记，方便管理人员快速定位相应墙体。为了最大化保证建筑空间，通过BIM可视化手段在管线综合模型排布基础上进行房间净高分析，并使用BIM软件做出净高分析图，配合装饰专业进行吊顶设计，保证美观高效。

图9 建筑BIM深化

使用BIM方式建立1： 1的楼地面模型透析每一步工艺，再通过软件工具“一键定位”方便现场施工应用，建立好铺装模型，再通过软件自身的分析功能，能够统计不同类型地面的面积，便于物资提料，有效控制现场材料使用情况。

5.9 机电BIM 模型深化优化

在机电BIM应用上，根据不同施工阶段内容对机电的要求不同，我们明确了三次管线综合标准，用于不同阶段的施工深化，提高了BIM在机电安装应用的响应能力。

对机电管线密集区域应用BIM管线综合，整体确保有限空间管线合理布局，优化管线最终路由，保证现场施工顺利[9]。以BIM模型管理机电预留点位，做到不落一处的闭合管理。

图10 管线综合结果

针对土建风道变更为机电管线风道，通过优化风道空间位置，明确合理尺寸，解决了土建施工困难的难题。针对10m层下吊平台内机电管线进行深化，在原有标高基础上抬高30cm，可节省钢构件3t。

5.10 机房装配式施工

在丰台站所有机房和主要管线中应用基于BIM预制装配式施工技术[10]，建立所有管线的LOD400深化模型，将模型的管道分段，与管道、风管等自动加工设备数据接口打通，实现主要机电管线、全部机房管线的工厂内后台预制化加工，运送至施工场地进行现场安装。可以有效减少现场的切割、焊接作业，提升绿色、文明施工水平，保证安装质量，降低施工风险，为工程节约成本，节省工期。

6 BIM与智能设备结合应用

6.1 BIM+三维扫描仪应用

考虑丰台站工程施工工期紧张、工程场地占地面积大、整体土方开挖与内倒量大、工程钢结构总量大、单根钢柱尺寸界面大及拼装焊接难度高等特点，同时因为施工组织安排，需两阶段将钢结构柱由-13.3m施工至20m层，轨道间竖向构件偏差要求高等难点，计划应用BIM+三维扫描仪用于现场土方量开挖测算、钢结构虚拟预拼装、钢结构实体安装质量验收、安装预制化基础环境采集等。实现基于理论模型与实际模型的差值对比分析，计算空间实体工程量，精准校验钢结构、混凝土结构的施工质量偏差，以虚拟环境的预拼装代替物理环境的预拼装，提高施工质量，加快施工效率，节约施工成本等。

图11 三维扫描仪应用

6.2 BIM+放线机器人应用

在丰台站站房工程施工中利用BIM技术与智能机器人集成应用，通过对软件、硬件进行整合，放线机器人是通过平板电脑选取BIM模型中所需放样点，指挥机器人发射红外激光自动照准现实点位。

6.3 BIM+3D打印机应用

通过3D打印机将模型进行缩放比例打印，将打印出来的模型在交底会进行展示，同时，与技术人员针对模型进行施工工艺的讨论，帮助施工作业人员充分理解施工完成后的节点形式，加快作业人员对施工工艺的熟悉。通过3D打印机，在一定程度上节约实际样板所需要的材料和人工费用，优化施工工艺，合理调整施工作业流程。

7 效益分析

7.1 经济效益分析

自丰台站开展施工BIM应用以来取得了显著的经济效益。在BIM创新应用中，通过云计算中心建设减少重复布线、重复购置硬件等费用50余万元。基于研发的钢结构全生命周期管理平台，通过对构件的物流管理和现场堆场管理，减少现场构件占地面积，节约租费700万元，充分介入构件的生产环节，在配备了基于BIM的自动套料软件后，整体提高原材料利用率1个百分点，单独钢板原材料和切割能源节约成本1 000万元，并且在推进基于云、大、智、物、移等智慧工地建设过程中，采用智能系统和设备辅助人工管理操作，减少人员投入约200万元，在保证安全的前提下提高塔吊等吊装设备满载运行效率，减少设备租赁费用70万元。

在BIM技术综合应用过程中，通过对站房专业的建模与深化，提前发现并解决各类有可能传导至施工中的问题480余项，减少实际施工返工损失400余万元，并在深化BIM模型的基础上开展节点优化和施工组织优化，节省材料和人工成本185万。采用放线机器人、三维扫描仪等加快放线效率，节省人工投入30万元。

7.2 社会效益分析

通过全方位应用BIM技术，竖立了央企在建筑业不断变化浪潮中永争潮头的良好形象，为新时代下施工总包企业如何构建基于BIM的信息化平台提供了路线参考，开创了融合、集成创新发展的新模式，建设过程中得到了国铁集团、北京市各级领导的认可，以及央视、北京日报等媒体广泛宣传和报道，有力地提升了企业的社会影响力。

8 总结

丰台站基于BIM+GIS的钢结构全生命周期管理平台研发经验和成果，为新时代下施工总包企业如何构建基于BIM的信息化平台提供了路线参考； 丰台站的BIM技术应用，尤其是图纸会审报告、复杂节点深化设计、以及BIM+智能化设备结合应用，极大地提高了工程的建造质量，不仅取得一定的经济和环境效益，更加树立了央企的良好形象，对于推动相关行业不断发展有很大的示范引领作用。