BIM技术在银川火车站工程中的应用

高永刚 李光金 董智力 惠跃荣

(中国建筑科学研究院,北京 100013)

1 项目概况和技术难点

作为中国铁路中长期路网规划重点项目之一的银川火车站改造工程,总投资 17.86亿,建筑面积达 30000平方米。工程按照“客货分设、客内货外”的原则,车站设计规模为 10台 18线,与北京西客站能力相当(图1)。

车站采用钢筋混凝土双向拱壳、空间钢桁架等体现新时期铁路站房设计的新思想。站房内除了宽敞明亮的环境,还会有极具伊斯兰风格的尖璇,为区内外旅客展现浓郁的民族风情画卷。从外部看去,车站两端向外悬挑,并被多个连续圆拱支撑起来的站房主体,舒展的造型仿佛飞腾的凤凰,突出“凤城”主题,同时也将成为银川市经济、社会发展的重要标志性建筑。新银川火车站建成后,将大大提高宁夏铁路运输装备现代化水平,方便旅客出行,对银川市加快建设区域铁路枢纽和区域中心城市具有十分重要的意义。

图1 银川火车站改造工程效果图

银川火车站结构主要包括站房楼结构和站台结构两部分。站房楼为地上二层,主要为候车大厅,东西向总宽约 63米,南北向总长约 243米。站房楼的大跨度屋盖分别采用不同的结构体系,中央三跨采用钢筋混凝土双向拱壳,其它大跨屋面采用钢桁架体系。站台结构的雨棚垂直轨道方向采用张弦梁体系,顺张弦梁方向形成排架体系,垂直张弦梁方向形成连续刚架体系。复杂的三维造型和多样的大跨度钢结构体系,给设计和施工都带来了巨大的挑战。由于整个车站空间形体关系复杂,钢桁架形式多样,同时又是混凝土结构和钢结构组合形式,项目施工方案的制定和选取、施工进度的控制和安排、协调沟通方案及修改都成为技术难点。

因此最终采用基于 BIM的可视化技术构建空间实体模型,并在此基础上完成施工方案的制定以及效果展示等。

2 三维空间实体建模

由于受到技术的限制,过去二维图纸一直是建筑设计和模型构建的主要表现方式。随着基于 BIM的可视化技术的出现,空间造型设计和施工方案规划等有了强有力的技术支持,应用也越来越广泛。

银川火车站改造项目空间造型复杂多样,占地面积很大,这类模型如果只用二维图纸的方式来表现具有很大的难度,而且对于之后施工方案的规划和选取也有相当的难度。而基于 BIM技术的三维空间建模,所有的构件都是参数化的,从而构成了完整的三维模型。整个三维模型就是一个包含所有项目中需要数据的数据库,既可以提取或修改构件实体的几何参数和空间位置参数,也可以做相关的工程量统计等。同时还可以在此基础上做三维虚拟漫游设置,将整个项目完整的展示出来。图2所示即为三维空间建模中的站房楼局部模型。

3 施工方案设计和选择

建筑施工是复杂大型的动态系统,它通常包括多道工序,而这些工序中涉及的因素繁多,其间关系复杂,直接影响着项目施工的进程。模拟施工过程是为了通过仿真手段,设计和制定施工方案,同时也可以发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题,这就需要对实际施工进行仿真。

银川火车站改造项目的站房、雨棚、通廊等都是大型复杂钢结构体系,施工难度很大。基于 BIM技术完成三维空间建模后,在此基础上设计和模拟各种施工方案,从而正确选择合理、有效、安全的方案。如图3是站房楼钢结构施工方案的示意图。站房楼的大跨度屋盖分别采用不同的结构体系,中央三跨采用钢筋混凝土双向拱壳,其它大跨屋面采用钢桁架体系,利用建筑屋面造型,沿南北方向布置跨度约 60米的两个大型三角形桁架,在大型桁架东西两侧布置跨度分别为 14米和 21米的次桁架。项目施工方案是采用地面组装钢桁架,利用履带吊组合吊装方式将单榀钢桁架放置在临时支撑上,依次完成站房楼所有钢桁架吊装和安装,最终完成整个站房楼屋盖钢结构工程。吊装方案设计中,履带吊吊装范围、吊装重量,以及站房钢结构自身的空间位置制约,都直接影响到方案的选择,在此过程中的基于 BIM技术构建的三维模型提供了良好的支持。

图2 银川火车站站房楼钢结构模型局部

站台结构位于站房楼西侧,并与老站房楼相连,为地上一层雨棚,中央含 27米宽进站天桥,南北向总长约 493米,东西向总宽约 210米。雨棚在中央被高出的进站天桥分为南北两部分,东西向柱间距约为 40米,南北向柱间距主要为 21米。雨棚垂直轨道方向采用张弦梁体系,五跨张弦梁的间距为10.5米,跨度分别 在 40米左右。间距 21米的柱子,在柱顶分为两叉,使张弦梁支承于“枝杈”上。张弦梁顺轨道方向采用钢管梁与柱相连,型钢檀条支承于张弦梁上。顺张弦梁方向形成排架体系;垂直张弦梁方向形成连续刚架体系。整个站台钢结构体系形式复杂,施工难度大。因此,站台结构的雨棚钢结构施工方案(图4)和通廊钢结构施工方案(图5)也同样是在基于 BIM技术的三维模型基础上设计出来的,此方案安全合理,并大大节省了时间,缩短了项目的工期。

4 虚拟仿真和施工风险控制

图5 通廊钢结构施工方案示意图

对于建筑施工来说,虚拟仿真的重要作用就是将现实或方案设计模拟出来,为了更方便更形象的感知和体会,对方案的理解和决策都发挥了重要的作用。在银川火车站改造项目中就充分利用了虚拟仿真技术,形象直观的展示工程各阶段的情况,从而指导方案的设计。同时,虚拟仿真在车站施工过程中的风险控制方面也有着相当大的作用,比如站房和站台结构中的钢构件吊装过程的风险控制等。而基于 BIM技术构建的三维空间模型是虚拟仿真和风险控制的模型基础,渲染图片、漫游动画等虚拟仿真成果都是在此基础上完成和实现的。

5 结论

基于 BIM的可视化技术在银川火车站改造项目中发挥了非常重要的作用。从站房和站台复杂钢结构的三维建模,到钢结构的施工吊装方案的设计,以及虚拟仿真和风险控制等,都与基于 BIM的可视化技术有直接的关系。它可以更好的提高数据的利用率,减少重复建模的次数,大大提高了效率。

[1]张跃,张丛哲.土木工程中虚拟现实技术的发展与展望.计算机世界,1998(5).

[2]傅筱.建筑信息模型带来的设计思维和方法的转型.建筑学报,2009(1).

[3]高永刚.建筑工程可视化施工模拟.工程三维模型与虚拟现实表现(第二届工程建设计算机应用创新论坛),2009-9-24.