BIM技术在高速铁路施工过程中的综合应用

霍建利 齐旭燕

中铁北京工程局集团北京有限公司 北京 100073

本项目目前已经完成相关研究及现场施工，过程中针对工程的特点和难点，从场布、图纸会审、复杂节点模拟、可视化技术交底、工程量复核、钢筋下料、4D施工进度模拟、管道数控加工等BIM技术应用开展了研究。本文总结了各项BIM技术在现场实际应用的要点及现场实际效果，可供类似工程参考[1-6]。

1 工程概况

新建北京至雄安新区城际铁路工程JBSG-2标（图1）是京雄铁路的一部分，起自封闭式路堑U形槽DK40＋150，终至北京新机场南侧一期建设红线DK46＋092，线路全长5 942 m。自北向南包含封闭式路堑U形槽（550 m）、机场1#隧道（2 200 m）、新机场站（机场代建结构1 288 m，本标段结构施工773 m）、2#隧道（机场代建结构50 m，本标段结构施工1 131 m）及本标段内无砟轨道板工程。工程总造价为12.5亿元，工程开工日期为2017年5月21日，开通日期为2019年9月26日。

图1 线路示意

本工程路堑、隧道及新机场站地下结构均为明挖工程，基坑深度为1.5～22.0 m。隧道结构形式为拱形明洞，衬砌厚度为850～1 000 mm。新机场站为地下2层车站，总建筑面积115 379 m2。其中，地下1层面积22 875 m2，层高5.7 m；地下2层面积92 504 m2，层高9.2 m（图2）。主要装修做法：地面为水泥人造石地面、花岗岩地面；墙面为铝板＋背漆玻璃墙面；吊顶为蜂窝铝板＋穿孔不锈钢镜面板吊顶。

图2 线路断面分布

京雄城际铁路作为北京至雄安的第一条高速铁路，根据中国国家铁路集团及中国铁路北京局集团建设“精品智能京雄”的总体要求，为实现“信息化、智能化、机械化、工厂化”的目标，大力发展及应用智能化、信息化技术手段，能在全路智能化、信息化建设方面起到较好的引领作用。要将京雄城际铁路2标工程打造成精品工程，将大兴机场站建设成精品智能客站，为此项目部组织开展了智能京雄信息化综合技术的研究。

2 前期准备

2.1 团队建设

项目BIM系统管理团队由项目经理牵头，与项目总工等领导作为领导指挥层，项目BIM小组为技术设计实施层，负责各专业BIM模型、技术优化等工作，并按照BIM管理制度、实施计划和设计细则的要求，进行技术信息审报，形成或支持正式施工图的出图。

领导指挥层全面负责BIM工作的指挥和决策，调配BIM应用课题的各类资源，确定BIM应用的总体目标、计划以及各层级职责和权限，协调甲方、监理、设计等对外关系和配合。

技术设计实施层分为土建、装修、安装及创新应用这4个小组（图3）。负责对总平面进行建模和优化，根据平面计划调整和现场实际布置，调整总平面模型。负责各专业模型、数据的建立和优化，并按计划要求按时报送BIM应用数据，审核通过后，形成正式施工指导图，并协调本专业生产管理人员，对BIM数据形成结果在现场加以实施。为组建项目BIM团队，项目部组织建模及应用类软件培训3次，公司组织大型BIM技术专项培训2次，通过培训考核的形式提高员工的BIM技术水平。通过多次培训，团队4名成员顺利通过BIM高级建模师资格考试。

图3 团队架构

2.2 软件配置

BIM各软件配置详见表1。

表1 BIM软件配置

2.3 硬件配置

项目于2017年12月1日成立信息化中心，配备6台高性能台式计算机，每台计算机配备2个液晶显示器；配备移动工作站及彩色打印设备各1台；配备放样机器人及无人机各1台。

3 方案确定

为更好地开展BIM工作，项目部制定日常的BIM工作管理制度、BIM建模应用规范标准、合理的BIM应用策划及实施方案。采用欧特克Revit软件搭建，以LOD400的精度分区域进行监理模型，后期主要利用链接方式合模。基于BIM模型的建立，根据项目特点，分为铁路工程BIM技术应用及房建工程BIM技术应用两大类开展应用。

1）铁路工程BIM技术应用点：图纸会审、方案深化、复杂节点模拟、可视化技术交底、工程量复核、钢筋下料、4D施工进度模拟、施工组织优化。

2）房建工程BIM技术应用点：方案模拟、可视化技术交底、管线优化、疏散模拟、仿真漫游、智能放样、数控加工、VR虚拟仿真。

4 方案实施

4.1 BIM技术现场应用

4.1.1 施工场布

现场施工纵向跨度大、施工场地狭小，应用广联达场布以及Revit软件进行现场布置模拟，使临建布置更加优化、合理、紧凑，在满足工程需求的前提下，提高场地利用率。开工以来，共对7处施工场地进行了场布规划。

4.1.2 图纸会审

对建模及碰撞检测过程中发现的设计问题进行汇总，加快图纸会审速度，避免因发现图纸设计问题不及时，导致工程返工、拖延工期、增加成本等现象。自项目开工以来，发现并解决图纸问题180余项。

4.1.3 方案优化

1）结构方案优化。使用Revit软件对复杂节点部位进行建模，通过建模→排版→对比分析→优化等提高施工方案的可实施性及施工精度。自项目开工以来，共优化施工方案25项。

2）装修方案优化。新机场站站厅层地面采用水泥人造石面层，在旅客进站主通道上引入“凤栖梧桐”设计概念，并设参数级变化的图案。地面拼花图案采用BIM设计建模、激光雕刻工艺，确保拼花加工精度，并进行模具化拼花（图4）。

图4 装修施工方案优化

4.1.4 复杂节点模拟

项目部通过对复杂施工区域（如下穿河道、复杂断面、新工艺等）进行施工方案模拟，使方案更具有直观性，不但确保了方案的合理性，也提高了现场交底的质量。自开工以来，制作复杂节点模拟220个（图5）。

图5 复杂节点模拟

4.1.5 可视化技术交底

通过对精准模型的整合形成动画，并配以相应解说，形成可视化交底，增强现场施工人员对图纸的深入理解，自开工以来，针对分项工程制作可视化交底14项（图6）。

图6 可视化交底

4.1.6 工程量复核及下料

使用Revit软件搭建模型，并利用软件自身明细表功能提取工程量，在BIM应用阶段对工程量进行统计分析，为材料加工生产及成本结算提供依据；使用鲁班钢筋软件对复杂结构节点进行翻样建模，并导出相应的钢筋工程量及下料表，提高下料速度及精度。

4.1.7 碰撞检测

新机场站随航站楼外形布置，结构复杂，管线间及管线与装修间交叉频繁，同时，受净空限制（其中结构净空高4.3 m，装修高度4.0 m）。通过综合碰撞检测和放样机器人优化管线排布及其与装修间的衔接，加强深化设计与施工联系，以保证施工精度。自开工以来，共计查找并解决各类碰撞点4 600处（图7）。

图7 管线碰撞检测

4.1.8 地下工程施工交通组织模拟

新机场站内施工工种及工序多，地下空间有限，装修及安装工程、无砟轨道交叉频繁，装修材料、轨道板、混凝土等运输组织困难，结合施工组织及进度计划，制作物料及人员综合运输动画，确保材料倒运高效进行（图8）。

图8 无砟轨道交通运输组织、运输通道施工模拟

4.1.9 疏散模拟

新机场站为地下站，位于航站楼下方，地下疏散路线复杂，且现场施工人员复杂。为保证及时疏散，利用Parthfinder软件制作疏散模拟动画并进行交底，增强作业人员对逃生路线的了解（图9）。

图9 地下站疏散模拟

4.1.10 仿真漫游

通过Fuzor软件进行仿真漫游，动态反映三维建模效果，提前并加快模型审查，避免BIM应用中出现问题，提高BIM应用的实际效果（图10）。

4.2 BIM技术创新应用

4.2.1 基于BIM的管道预制加工技术

1）风管预制结构模型搭建及机器识别码转化。通过Revit软件按照LOD400标准建立BIM模型，并进行图纸审核和碰撞检测。首先，在BIM模型基础上进行深化，预制标准管段长度为1 410 mm，为匹配机器的生产规格，在软件中将所有管件预制为1 410 mm（图11）。

图11 建立模型管段分节

预制以区域为单位，在模型中筛选预制管段进行数据导出，在Revit软件中以MEG格式导出异形管段模型至转换软件。以最大化利用钢板为原则，在软件中对加工模型进行自动排料，选择写入五线风管生产机器可以识别的NC码，导出文件格式为TXT。通过U盘与设备连接后，五线风管生产机器便可自动批量生产预制风管。

2）机器批量加工过程。选择合适厚度的铁皮，并裁剪成需要的规格尺寸，将裁剪好的铁皮输送至工作台，工作台对铁皮进行深度加工，形成风管管段（图12）。

图12 管段加工

4.2.2 BIM＋放样机器人智能定位放线

1）模型绘制及放线基点设置。在Revit软件中，按照施工蓝图在模型中绘制综合支吊架及管线，通过插件选择放线的族和放线的点位后，便可对所有相同族进行点位设置，同时在模型中对固定的结构柱设置放线基准点，通常距离为300 mm（图13）。

图13 模型建立放线基点设置

2）现场放线准备。将已建立模型转换为DWG格式，导入天宝机器人手持平板中，在现场找到设站结构柱，按照与模型相同位置设置的基准点进行设站。对棱镜杆、RTS设备及手持平板中的气泡进行调平，手持平板中显示设站误差范围小于0.005 mm为最佳（图14）。

图14 基准点设站仪器调平

3）放样测量。天宝机器人车站内采用激光模式，在手持平板中选择放线点位进行自动放线，RTS771设备测距误差为1 mm，满足现场放线及测量要求。

4.2.3 BIM＋VR虚拟样板技术

1）模型绘制及信息添加。在Revit软件中，按照设计方案对大兴机场站装修方案进行模型建立，根据不同方案将不同的材质、尺寸、功能等信息添加至模型。

由于每个构件以及构件的分解单元都含有与现实相符的材质属性，因此为方便VR平台读取且保证可编辑性，BIM模型建立时需保证每个构件与现实材质名称一一对应，不同材质构件的材质参数名称不可混淆，也不可用系统默认材质参数。现实中，相同材质的构件用同一种材质名称。

2）格式转换并导入VR平台。采用中间格式导出器将模型转换成VR处理平台可读取的FBX格式文件，并导入VR处理平台。

3）样板选型。工程师利用VR设备进入虚拟样板场景，根据不同样板方案的效果以及信息展示，初步确定样板方案，细化后进行现场样板实施（图15）。

图15 样板选型

4.2.4 BIM＋GIS

1）BIM模型与3DGIS系统数据转换。将IFC中与GIS模型相关的语义类型进行分析、筛选，利用形态学算法和布尔运算提取出了模型的外壳，并赋之以正确的语义，将IFC模型转换为GIS数据中定义的多个细节层次（LODs）的建筑模型，实现不同比例下各LOD等级模型转换，为铁路管理平台可视化和空间分析提供了有利条件。

2）京雄建设管理“一张图”研究。运用BIM、GIS图层分类、逐级展示、统一编码、数据权限控制技术，实现GIS数据与BIM数据统一存储管理和多源多主题异构时空数据在“一张图”上的集成展示，实现时空对象的多角度、多维度、多尺度、多时相的综合可视化描述和分析（图16）。

5 结语

通过BIM技术对施工场地进行三维布置，确保施工场地规划的合理性，保证施工顺利进行；使用4D施工进度模拟，提高了进度计划的可行性及合理性，通过对进度计划与实际进度进行对比，及时发现施工中存在的问题并加以解决，保证施工进度；对机场2#隧道衬砌结构、拱形结构、新机场站矩形结构满堂支架及模板方案、施工方案进行模拟，以此确保施工方案的可行性；对隧道分体台车与整体台车2种方案、分体台车与“侧墙定型模板＋满堂支架”2种方案进行比选，选用最科学的施工方案；通过碰撞检测及时发现图纸中存在的管线与结构、管线与管线产生的碰撞，及时调整优化，保证施工顺利进行。