既有铁路站改工程BIM标准化建模方法及应用.pdf

收稿日期:20230531;修回日期:20230612基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(BIM-研2021-3)作者简介:韩 宇(1969),男,高级工程师,1993 年毕业于上海铁道学院铁道工程专业,工学硕士,主要从亊铁路建设管理工作,E-mail:13341255966 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10008608既有铁路站改工程 BIM 标准化建模方法及应用韩 宇1,王兴鲁2(1.中国铁路济南局集团有限公司综合改造工程建设指挥部,山东淄博 255000;2.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)摘 要:铁路工程建设是大型复杂的系统工程,涉及专业多,建设周期长。BIM 由于其技术优势在铁路施工中发挥着越来越重要的作用,成为保障施工效率和工程质量的主要措施之一。但目前由于缺乏既有车站标准化 BIM 建模方法来规范全生命周期建设,导致设计阶段所创建的 BIM 施工图模型精度尚无法完全满足施工需求。为此,针对既有铁路车站施工问题,提出一种 BIM 技术标准化建模方法。首先,全面分析既有铁路车站的站房工程、运输生产设施设备等核心建设要素内容,从安全性、作业交叉、施工工期、施工空间 4 个方面剖析既有铁路车站的施工特征;其次,提出既有线铁路车站 BIM 技术应用规范化设计流程,重点阐述设施设备的建模、多源数据放样坐标校准、校准模型与工程量核算、碰撞检测与处理以及方案模拟过程中 BIM 技术的标准化应用;最后,以淄博站站改工程为例,从客运设施改造工程、站房工程、接口工程 3 个主要方面论述 BIM 技术标准化应用的过程和结果。实践应用表明,BIM 标准化应用技术有效提升施工效率 15%以上,在既有站站改施工过程中产生显著的社会和经济效益,可为同类工程提供有益的借鉴和参考。关键词:既有铁路车站;BIM 技术;建设要素;方案模拟;标准化中图分类号:U291;TU17 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305310006Standardized BIM Modeling Method for Existing Railway Station Reconstruction Engineering and Its ApplicationHAN Yu1,WANG Xinglu2(1.Comprehensive Reconstruction Project Headquarter of China Railway Jinan Group Co.,Ltd.,Zibo 255000,China;2.Jinan Design Institute,China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Jinan 250022,China)Abstract:Railway engineering construction is a large-scale and complex system engineering,including multiple specialties and long construction cycle.BIM plays an increasingly important role in railway construction due to its technological advantages,becoming one of the main measures to ensure construction efficiency and engineering quality.However,due to the lack of existing station standardized BIM modeling methods to standardize the entire design life-cycle,the accuracy of the BIM construction drawing models created during the design phase cannot fully meet construction requirements.Therefore,aiming at the construction of existing train station,this paper proposes a standardized modeling method of BIM technology.Firstly,it comprehensively analyzes the core construction elements of the existing train station,such as station building engineering,transportation and production facilities and equipment,and analyzes the construction characteristics of the existing train station from four aspects of safety,operation intersection,construction period,and construction space.Secondly,the standardized design process of BIM technology application in existing train station is proposed,which focuses on the modeling of facilities and equipment,calibration of multi-source data lofting coordinates,model calibration and engineering quantity accounting,collision detection and processing,and the standardized application of BIM technology in the process of scheme simulation.Finally,with reference to the Zibo railway station reconstruction project,this paper discusses the process and results of BIM technology standardization application from three main aspects of passenger transport facility reconstruction project,station building project and interface project.Practical applications have shown that the BIM standardization application technology proposed in the paper effectively improves construction efficiency by more than 15%,and produces significant social and economic benefits in the existing station renovation construction process,which can offer useful references for similar projects.Key words:existing railway station;BIM technology;construction elements;scheme simulation;stand-ardization1 概述GB/T512352017建筑信息模型施工应用标准对建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)的定义为:在建设工程及设施全生命期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称1-4。由此可见,BIM 技术具有数字化描述工程全生命周期的性能,已在建筑工程及相关行业获得了广泛而深入的应用,且逐步形成较多成功的应用案例。近年来,随着我国社会经济的快速发展,客运及货运运能需求剧增,部分既有铁路交通枢纽的运输能力囿于设备老旧、信息化水平低等因素,已不能完全满足新时代运输能力的需求,因此,尽快实现既有铁路车站的改造升级来满足日益增长的运力需求迫在眉睫。BIM 因其独特的技术优势在铁路行业获得广泛应用,如吴洋介绍了BIM 技术在新建鲁南高铁跨越营业线施工中的应用经验5;为解决铁路桥梁 BIM 应用过程中出现的重复建模、各阶段数据传递不畅的问题,韩广晖等对铁路桥梁 BIM 模型的建模方法和管理方法进行研究6;为解决在地质条件差、周边风险源高度敏感、施工工艺复杂、安全隐患探知处理难等复杂条件下的盾构隧道施工问题,付功云等研发复杂条件下盾构施工 BIM管理平台,有效提升盾构隧道施工的数字化、信息化、可视化管理水平7;朱肖等针对铁路桥梁体量大、工程各阶段信息流通不畅等问题,结合现有技术标准、信息分类和编码体系,研究编制桥梁 LID 编码,并针对 Revit 系统开发属性添加插件,验证构件编码的适用性和先进性8;徐凯等为拓展 BIM 技术全生命周期的应用、提高铁路高边坡稳定性分析精度以及实现精细化设计,基于BIM 技术对边坡稳定性分析流程与方法进行优化9;倪苇依托实际工程项目,以 CityMaker 为基础地理信息系统平台,深入研究 BIM 技术多源多维度地形数据、多专业多种类设计成果的融合应用技术,探讨BIM 设计成果与真实地形场景的无缝融合,并基于 GIS 平台进行二次开发,实现设计方案优化比选、设计成果动静态及定性定量展示等核心功能10。综合分析现有研究成果,BIM 技术在铁路施工过程中获得广泛应用,但在既有车站标准化施工方面,尚未形成统一规范的流程,为此,在应用无人机、三维扫描仪等设备实现多源数据采集融合基础上,研究既有铁路车站 BIM 设计优化应用的思路及流程。在全面总结分析既有线铁路车站施工特征基础上,提出基于BIM 技术进行工程前建模及优化设计内容及流程,最后以淄博站客运综合改造工程为例,阐述 BIM 技术在既有铁路车站建设过程中的标准化应用。2 既有线铁路车站施工特征分析2.1 既有线铁路车站及要素概述既有线铁路车站是指建成时间较早,但由于各种原因仍满足服役条件且正在提供生产服务的铁路车站。正因既有铁路车站建设年代较为久远,经过多年的应用,大多已经发展成为大型客货运输综合体,具有衔接各类交通模式、提升城市发展需求的功用,且其交通组成情况复杂,并且既有铁路车站往往以铁路客运为基础,人员流动性大、社会服务功能性强,是展示城市对外形象的标志性建筑11。从功能定位角度而言,既有铁路车站主要功用可以概括成 2 个方面:一是铁路车站作为交通客运的集散点,承担重要的旅客疏散和聚集功能12;二是在满足对外服务交通供给的同时,更是市内交通的换乘点,有效衔接铁路、公共交通、地铁、出租车等多种交通模式,实现城市区域范围内交通的中转换乘和交通信息共享13。总体而言,从建筑需求角度分析,既有站的改造要素一般包括两大类,一类是站房工程,包括候车厅、售票厅、出站换乘大厅等;另一类为运输生产设施设备的改造,包括站台面、站台雨棚、旅客地道14、行包地道、天桥等。2.2 既有线铁路车站改造施工特征图谱既有线铁路车站为尚处于生产运营中的车站,与新建车站相比较,其在施工改造过程中存在以下显著特征,如图 1 所示。首先,在施工安全性方面,既有线铁路车站改扩建78第 10 期韩 宇,王兴鲁既有铁路站改工程 BIM 标准化建模方法及应用施工相比于其他类建筑施工而言,存在生产与施工共存交叉的矛盾,即既有铁路车站改扩建施工时,铁路列车正常执行旅客、货物的运输工作15。因此,施工过程中涉及安全因素多、外部干扰多,安全风险相对较大,因此也导致道岔改建、换轨、铺设轨排等工作只能在天窗时间段内完成。施工进度、施工安全、旅客安全等多重因素交织是其一显著特征。图 1 既有铁路车站改造施工特征图谱Fig.1 Existing railway station engineering property graph其次,在作业交叉方面,既有站施工过程涵盖土建、电务、工务、民建等多专业交叉作业。铁道工程是典型的复杂系统工程。既有铁路车站改扩建工程施工涵盖土建、接触网、信号、通信、信息、电力等众多专业,各专业间既存在独立施工内容,亦存在大量接口工程内容,因此需要各专业间统筹协调、优化工序、密切协同,从而达到安全、高效完成工程施工的目的。再次,既有线铁路车站施工工期一般较为紧凑。既有铁路车站改扩建项目其庞大的建设规模、复杂的施工技术、繁杂的工作环节导致项目建设时间较长,而既有铁路车站作为大型客流集散中心,为地铁、公交、出租车、私家车等多种交通模式汇集区域,建设施工期间必然影响周围居住者、出行者的交通便利性,故应最大限度缩短建设工期,因此对工期要求较为严格。理论上,工期越短,则对生产的负面影响越小。因此,在确保施工质量和施工安全的前提下,应尽可能缩短工期,提质增效。最后,既有站建设场地施工空间条件受限,需综合优化各种配料的进场及堆放储存。既有铁路车站改扩建工程属于有限条件下的施工作业,约束条件较多,存在周围建筑物或构筑物成型、现场物料堆积占地等不利因素,与新建车站相对空旷的施工条件存在显著差别13。另外,施工过程不仅要考虑配料堆积对现有交通的影响,而且还需充分考虑当前旅客进出站、换乘的便利性和安全性而预留通道等问题,即占有场地,进一步压缩施工空间。综上可知,既有铁路车站的改建工程在施工安全性、交叉作业的繁杂度、工程期限时长,以及施工空间条件方面与新建铁路车站工程相比显著不同,更加决定了其采用信息化手段赋能施工过程的必要性。3 既有线铁路车站 BIM 应用规范化流程设计3.1 BIM 规范化应用概述分析现有研究成果可知,目前建筑行业应用较为普遍的设计平台主要有 Bentley、Autodesk 及 CATIA等,各种软件平台各有其优缺点,应用场景和受众群体各异16。对 BIM 软件平台而言,其在铁道工程应用中存在明显优势,主要体现在如下 2 个方面:一是 BIM能将设计的既有车站建筑物实现虚拟模拟和数字化展示,实现抽象的物理实体向可便捷修改、可反复展示的数字模型升级;二是实现抽象内容的具象化,如将施工图纸、施工组织、施工场景、施工工艺流程等内容通过可视化的手段展示给工程技术人员,预先演示建筑效果、提前发现潜在施工问题,防患于未然,能够提高项目建设效率,缩短项目完成周期17。BIM 技术已然逐渐发展成为铁路工程建设信息化的发展方向18,其在铁路工程咨询、设计、施工和验收 4 个阶段的应用规范化流程如图 2 所示。图 2 铁路工程 BIM 应用标准化流程Fig.2 Railway engineering BIM application standard process88铁 道 标 准 设 计第 67 卷3.2 车站设施设备建模铁路车站工程与一般民用和工业建筑在施工内容方面存在明显差异。具体而言,铁路车站涵盖内容更广,除墙、门窗、柱、梁、板等常规族类型外,还包含钢轨、轨枕、扣件、道岔等专业化构件,对于此类族构件,专业性强,现有软件一般无法提供,需专业人员自主编辑生成19,按需设计,此过程专业性强、难度较大,需要工程技术人员具备较强的综合能力。具体而言,主要包括建筑模型、结构模型以及机电模型 3 类20,其中建筑模型主要包含梁、板、柱、墙、幕墙、门、窗、栏杆、吊顶、楼板、坡道、进排风道、防火卷帘等建筑构件;结构模型又分为混凝土结构、钢结构和结构留洞,混凝土结构主要涉及结构梁、结构板、结构柱、剪力墙、楼梯、坡道等结构构件;钢结构主要涉及结构框架、结构梁、结构板、结构柱等钢结构构件;结构留洞主要指结构梁、板、柱、墙体预留洞等;机电模型主要包括暖通系统、给排水系统、消防系统和电气系统,其中,暖通系统主要指系统的设备、管道、阀门、管件、保温层等;给排水系统主要指给排水系统的设备、管道、阀门、管件、保温层等;消防系统主要指消防系统的设备、管道、阀门、保温层等;电气系统(强、弱电)主要指电气系统的桥架及其配件。针对各类模型,给出典型构建库示例如图 3 所示,共涵盖地铁/高铁构件和隧道桥梁构件两大类,每一大类又做了进一步细分,方便建模时便捷调用。图 3 典型构件库示意Fig.3 Typical structural member illustration3.3 多源数据放样坐标校准3.3.1 无人机应用常规方法采集营业线数据时,一般采用现场测量等方法,此种作业模式会影响铁路线的正常生产营业,而且采集数据的实施时间段受限。为尽量减少对铁路生产过程的影响程度,提高作业的安全系数,当前常用无人机倾斜摄影21方式采集营业线数据,获取营业线的矢量图像数据后,构建三维 BIM 实景模型,实现现场总平面布置效果预演、校核站台与营业线空间位置数据是否满足限界要求等。常用摄影无人机及几何数据标注效果如图 4 所示。图 4 典型无人机及倾斜摄影结果Fig.4 Typical drone and tilt photography results3.3.2 三维扫描仪应用针对营业线基础资料或部分资料缺失的情况,可采用三维扫描仪采集营业线桥梁、电气化立柱等关键节点处精准点云数据22,建立营业线点云模型。将此点云模型与总装 BIM 模型对比分析,完善技术资料缺失位置的 BIM 模型,以及校核资料完整部分的 BIM 模型等,典型三维扫描仪及获取的点云数据如图 5 所示。图 5 典型三维扫描仪及点云数据Fig.5 Typical 3D scanner and point cloud data3.3.3 校准模型与工程量核算融合分析无人机倾斜摄影得到的图像数据和三维扫描仪采集得到的点云数据,与设计资料进行比对,有效核算工程量、下料尺寸、侵限,以及高程等的校核,如通过倾斜摄影获得站台边缘尺寸,利用 BIM 插件进行站台地面排砖,并统计相关工程量,减少现场切割工作量,提高铺装施工效率;采用倾斜摄影技术测量既有钢梁长度等数据,为檩条下料加工提供数据,缩短工期,节省人工成本;导出点云数据与 BIM 模型进行整合,校核曲线段雨棚部位是否侵限等问题,以保障营业线施工安全问题;点云数据与 BIM 模型整合,校核现状高程与设计高程的差距,发现设计缺陷等。校核基本流程如图 6 所示。图 6 校核基本流程Fig.6 Basic verification process98第 10 期韩 宇,王兴鲁既有铁路站改工程 BIM 标准化建模方法及应用3.4 碰撞检测与处理所谓碰撞检测是指,在设计阶段采用人工或自动识别手段,对 BIM 三维模型中各构筑物、管线等构件的空间几何位置冲突情况进行判断,并给出定性和定量表达方式的过程23。碰撞检测的主要目的在于,预先发现施工中的建构筑物间是否存在空间重叠及位置冲突问题,及时修正设计缺陷,有效避免返工问题,降低经济损失,缩短施工工期24。下面给出碰撞检测常用的规则和处理准则。3.4.1 碰撞检测规则设计既有铁路车站施工碰撞检测的常用准则描述为:在将碰撞分为软碰撞和硬碰撞的基础上,首先以铁路限界值(主要指建筑接近限界)作为软碰撞公差25以检查各构筑物是否侵入限界;其次,检测过程中将硬碰撞公差基准值设为“0”,检查各个构筑物间、各类管线间,以及构筑物和管线间在物理空间上是否重叠或冲突,以及重叠或冲突的量化值或容差值。3.4.2 碰撞处理准则设计针对施工中碰撞问题,采取的处理原则可归结为“小避大”,即应满足如下 2 个准则。准则一:小工程量设施设备避让大工程量设施设备。如所有构造物、管线必须满足铁路限界要求,且应遵循管线避让建筑、结构构件的原则。准则二:危险系数小设施设备避让危险系数大设施设备。如施工中小管线避让大管线,无压管线避让有压管线,进而最大限度降低施工难度和工程量。3.5 方案模拟基于 BIM 技术对施工过程中的关键工艺进行模拟,预先展示施工工艺和过程,有助于提高技术及工程人员后期施工的熟练度。主要体现在施工工序优化和施工漫游 2 个方面。3.5.1 施工工序优化(表 1)施工工序涉及各工程内容的施工顺序、时间设定等问题。BIM 应用中,一般将工程项目的 BIM 模型导入信息化平台,将 BIM 模型与施工计划甘特图有机关联,实现模型与时间轴相对应虚拟建造过程优化展示。表 1 施工工序样例Table 1 Example of construction process序号材料进场时间备注1雨棚换装前天站房工程2铺砖换装前天站房工程3第号道岔等换装后天客运设施3.5.2 施工漫游借助 Virtual Reality(简称“VR”)技术26和 BIM技术,实现车站施工过程的沉浸式漫游,增强项目建设者、管理者在施工前对在建项目的感官认识,预先了解工程施工的对象及流程,有助于后期施工的效率。另外,用户可以借助漫游展示查看构筑物剖切面,有助于提前发现并解决施工中隐蔽工程问题。4 工程应用实例4.1 淄博火车站概况淄博火车站是淄博市境内最大的客运站,亦为胶济高铁、胶济铁路的并行站,客场有 10 条到发线和4 座旅客站台。本期改造工程主要包含新建南站房工程、客运设施改造工程、张博线引入淄博站场工程、四电工程等。客运设施改造工程包含站台面更换、雨棚改造、旅客地道接长、行包地道接长、新建旅客天桥及市政天桥等,四站台南侧增加到发线、-N6 及配套工程。该站相关设施改造完成后,成为具有 6 个站台、14 条到发线的大型综合性交通枢纽,实现胶济高铁、张博铁路市域动车、轨道交通 1 号线、3 号线,出租车、公交车、社会车辆在站内无缝换乘,如图 7 所示。图 7 淄博站改造前现状Fig.7 State-of-art of Zibo railway station4.2 关键工程 BIM 技术应用4.2.1 客运设施改造工程客运设施改造工程主要包括站台改造、雨棚改造、跨线设施改造和接触网工程 4 个方面。(1)站台改造基于倾斜摄影技术采集得到车站站台边缘尺寸,利用 BIM 插件进行站台地面排砖,并统计相关工程量,减少了现场的切割工作量,提高铺装施工效率。同时,排布方案与智能图像处理技术相结合,可设置砖体尺寸,自动进行分割排列,形成合理排布方案,并主动计算排砖数量形成工程数据报表,实现了快速铺排方案模拟及保证方案数据精准化,降低了人工核算工作量,如图 8 所示。09铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 8 客运站台倾斜摄影及排砖明细Fig.8 List of oblique photography and tiling details(2)站台雨棚改造工程雨棚改造设计时,采用倾斜摄影技术测量既有钢梁长度数据,为檩条加工提供下料数据,有效缩短工期,节省人工成本。将导出的点云数据与 BIM 模型进行有机整合,进而校核曲线段雨棚部位是否侵限等问题,保障营业线施工安全,如图 9 所示。图 9 雨棚改造 BIM 应用Fig.9 BIM application in canopy renovation(3)跨线设施改造涵盖旅客地道接长、行包地道顶进施工、天桥吊装3 个方面。通过采集地道四通口点云数据并与 BIM 模型整合,校核现状高程与设计高程的误差;采集行包地道点云数据,提前开展施工前数据复测工作,校核工程空间位置关系,并对行包地道顶进施工开展 BIM 虚拟仿真,优化高风险施工工序,提升天窗点内的施工效率;对级施工的天桥吊装施工,基于 BIM 技术优化施工方案,确保在规定天窗作业时间内完成转体作业,快速精准地定位天桥拼装场地范围,辅助吊装场地规划,如图 10 所示。图 10 激光扫描点云文件跨线设施 BIM 应用Fig.10 Laser scanning point cloud file cross line facility BIM application(4)接触网工程既有接触网、过渡接触网及新建接触网深化模型与既有客运设施模型、新建旅客天桥、雨棚等模型进行整合,依施工顺序进行交底,预先发现各专业间接口隐患问题,如图 11 所示。图 11 接触网施工 BIM 应用Fig.11 Application of BIM in catenary construction4.2.2 站房工程站房工程根据设计图纸和 BIM 标准,创建分区域、分楼层、分专业模型,包括建筑、内装、文化元素、电力、结构、暖通、钢结构、施工临建,以及给排水工程模型。在场地优化布局方面,通过场内总平面图,对场区道路、施工区、办公区、加工区、大型机械进行优化布置;对车辆及大型机械设备进出场序进行模拟,实现施工位置布局优化,如图 12 所示。在管线优化方面,充分利用 BIM 模型三维可视化优点,多角度、全方位验证施工方案的可行性,综合各类专业技术人员意见,适时调整地暖管高程,形成最优管道排布方案,解决管线空间位置交叉的问题,如图13 所示。4.2.3 接口工程通过创建站场、天桥、地道等 BIM 模型并进行定19第 10 期韩 宇,王兴鲁既有铁路站改工程 BIM 标准化建模方法及应用图 12 场地布局优化 BIM 应用Fig.12 BIM application in site layout optimization图 13 管线优化 BIM 应用Fig.13 BIM application in pipeline optimization位整合,直观展示接口工程问题,并进行深化,满足接口工程预留要求,提升工程施工质量。利用 BIM 进行站房电力接口及配电所电力线缆预排,协助施工人员进行可视化交底、消除施工现场走线混乱、位置出错等问题,如图 14 所示。图 14 接口工程 BIM 应用Fig.14 BIM application in interface engineering4.2.4 施工模拟主要包括天桥吊装施工模拟、场地布置施工模拟,以及站房网架施工模拟等内容。通过 BIM 技术虚拟施工过程,对天桥吊装施工作业范围内的风险源标识、场地布置、临建布置进行精准模拟、测距、碰撞检测,确保在既有线天窗时间内完成施工,最大程度减少施工风险,天桥吊装施工模拟如图15 所示。图 15 天桥吊装施工模拟 BIM 应用Fig.15Application of BIM in simulation of bridge hoisting construction通过场内总平面图,对场区道路、施工区、办公区、加工区、大型机械进行合理布置;对车辆及大型机械设备进出场进行模拟,位置优化,保证场地内交通顺畅,实现最优布置方案。通过创建站场、天桥、地道等 BIM模型并进行定位整合,满足接口工程预留要求。在现场施工前,结合施工方案基于 BIM 深化模型进行方案可视化模拟,重点解决钢网架结构施工次序模拟,基于 BIM 模型在现场指导施工等,如图 16所示。图 16 施工可视化模拟Fig.16 Visual simulation of construction4.3 BIM 碰撞检测结果基于所构建 BIM 模型,本期工程中共预检土建专业碰撞点 80 余处、机电专业碰撞点 400 余处、机电与土建专业碰撞点 100 余处、错漏碰缺 50 余处,实施优化点 150 余处,有效提升工程施工质量,显著降低施工风险和施工成本。5 结论BIM 技术在既有铁路车站站改施工中发挥着越来越重要的作用。实际应用表明,通过设计标准化 BIM应用流程,显著提高施工效率 15%以上,显著提升经济和社会效益,主要结论如下。(1)BIM 技术能够对施工重难点预先模拟,且可29铁 道 标 准 设 计第 67 卷对工人进行可视化交底,提高了工作效率,有效缩短工期,降本增效。(2)在既有站改造过程中,站房大跨度网架安装、行包地道顶进、跨营业线天桥吊装等重难点施工方案中利用 BIM 技术,可直观把握关键环节,利于风险辨识,提前发现隐患,深度优化施工方案,提升施工组织和安全质量管理水平,助力创建精品工程的目标。(3)基于 BIM 的施工进度管理运用,设计标准化管理运作模式,并在实际工程施工中得到很好的应用,显著提升施工进度控制与管理能力。参考文献:1 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