基于BIM技术的铁路房屋装配式建筑研究

赵振利，杨斌，米宏广，张轮轮，鲍春龙

（1. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；2. 京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100166；3. 中国铁建电气化局集团有限公司，北京 100043）

0 引言

近年来，国家和地方出台多项政策和指导意见，大力推进建筑产业现代化，推广装配式建筑，推进建筑业转型升级和可持续发展[1]，全国各地区、建筑各领域都在积极推进装配式建筑的研究和探索，“推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例”[2]。目前，预制装配式建筑在民用建筑中应用较多[3]，但在铁路行业，尤其在铁路区间房屋中，预制装配式建筑尚处于起步阶段。铁路区间房屋具有数量多、设计标准统一、可复制性强等特点，十分有利于装配式施工，因此有必要针对铁路生产生活房屋的设计与施工现状，结合铁路自身的特点和生产实际，对铁路房屋装配式建筑进行系统的、有针对性的研究。

BIM技术是建筑业推进的另一个主要方向，其对装配式建筑的作用可贯穿于设计、生产、施工、运维全过程，如在设计阶段的拆分模型、模块化设计、精细化建模等，在生产阶段的自动计算和加工，在安装阶段的现场吊装与模拟，以及运维阶段的后期管理等[4-5]。“BIM+装配式建筑”有利于发挥2种概念的内在优势，推进铁路房屋向智能化、信息化方向发展。

1 铁路房屋装配式建筑研究与应用现状

目前的装配式建筑包括预制钢筋混凝土结构、装配式钢结构、预制集装箱房屋等结构类型[6]，其中预制集装箱式机房在武广高铁中有所应用，但由于防潮、耐久性等问题，箱式机房在应用一段时间后被弃用。装配式钢结构在铁路站台雨棚、检修库等结构中应用较多，但在生产生活房屋中应用较少。近年来，轻型钢结构在小型铁路房屋中有所应用，在石济客专、京沈客专沿线的铁路治安岗亭采用装配整体式轻钢结构（见图1），取得了良好的使用效果。京雄铁路目前正在积极推进装配式试点房屋建设（见图2），在通信基站等小型房屋中采用装配式建筑轻钢龙骨复合墙体体系，对装配智能建筑进行了积极探索。在预制装配式混凝土结构方面，新疆阿富准铁路在生产生活房屋整合的基础上，站区以及部分区间房屋采用了装配式混凝土框架结构，项目正在推进中（见图3）。此外，装配式挡墙、围墙等构筑物也在铁路项目中开始应用（见图4）。目前，铁路装配式建筑正呈现快速发展的态势。

铁路行业关于装配式建筑的研究起步较晚，从2014年至今，中国国家铁路集团有限公司（原中国铁路总公司）、各铁路设计院及相关科研院校先后对装配式雨棚、装配式挡墙（管沟）、铁路区间装配式建筑及定额等开展专题研究，取得了相关的研究成果并编制了通用参考图。2018年，针对装配式建筑轻钢龙骨复合墙体，中国铁路设计集团有限公司、中国铁建电气化局集团有限公司等单位联合中国铁道科学研究院集团有限公司共同对其耐久性问题开展专门试验研究。但基于BIM技术的铁路房屋装配式建筑及其智能建筑等研究目前尚未开展。

2 基于BIM技术的铁路房屋装配式建筑

装配式建筑的核心是“集成”，BIM技术是“集成”的手段，可实现装配式建筑全过程、全专业的集成应用[7]。现以铁路区间房屋为例，利用BIM技术及其理念对装配式建筑进行相关研究，对其全过程的信息化和智能化进行探索。

2.1 设计阶段

图1 装配整体式治安岗亭

图2 京雄铁路装配式房屋（试点）

图3 装配式混凝土房屋（铁路工区）

图4 装配式围墙

装配式建筑设计不仅是构件的拆分与组装，还是多专业的集成与融合，BIM技术能很好地满足设计各阶段的需求。铁路房屋装配式建筑的前提是标准化，需要房屋的尺寸符合建筑模数要求。BIM技术通过族库建立各种形式的预制构件，可通过多种组合与方案比选，实现装配式标准设计。装配式建筑由于集成的需要，涉及建筑、结构、水暖、四电等多个专业，BIM技术能通过构建的设计平台支持多专业进行不同阶段的协同设计。装配式建筑强调集成化设计，需要在墙板等预制构件中考虑各种管线、孔洞的预埋，同时装配式建筑要求全装修，提倡装配化装修的理念，BIM技术通过三维可视化形式，对管线、构件、装修等进行详细表达，进行碰撞检查及优化，以实现布置的合理性。铁路房屋装配式建筑BIM模型见图5，装配式建筑管线集成见图6。

BIM技术对铁路房屋装配式建筑的优势还体现在深化设计方面，深化设计模型在施工图设计模型基础上，通过增加或细化模型元素等方式进行创建，对主要节点、管线、埋件、构件、连接件等进行深化设计，同时将非几何信息录入模型或利用BIM数据集成与管理平台关联至模型，通过对模型信息的不断丰富，逐步完善BIM模型，为后续构件的制作与安装打下良好基础。

图5 铁路房屋装配式建筑BIM模型

图6 装配式建筑管线集成

2.2 生产阶段

在铁路房屋装配式建筑构件的生产过程中，BIM技术应用主要体现在构件的放样以及预加工等方面。预制加工的BIM模型以深化设计模型为基础，通过制定工艺方案并与预制加工模型进行关联，在预制加工过程中进一步补充材料信息、生产批次信息、构件属性、零构件图、工序工艺、工期成本信息、质检信息、生产责任主体等信息。通过直接从预制加工模型中提取加工信息，并使用专业计算机辅助软件生成相关数控工艺文件，实现BIM模型的放样。

装配式建筑构件规格一致、标准统一，便于工厂化制作，而BIM为构件的智能制造提供了强大的技术载体。BIM技术结合Sino-BIM云平台等信息化管理手段可对拆分后构件进行统一管理，对每个构件通过二维码方式实现“一物一码”标识，同时植入无限射频芯片（RFID），对构件生产、运输等进行实时跟踪（见图7），可达到工厂化智能制造、现场智能装配、节能环保、绿色智能融合等目的，实现了工程项目全生命周期管理的理念。

2.3 施工阶段

BIM技术在施工阶段主要体现在施工模拟方面。以京雄铁路装配式建筑为例，通过分析装配式建筑的施工工艺，利用虚拟施工技术对装配式建筑的场地布置、构件吊装、节点连接等关键技术进行施工模拟。同时，通过不同软件、不同插件的使用对比，以及操作过程中不同实施方式的分析，对虚拟施工中建模过程、碰撞检测、施工进度模拟、漫游制作等方面进行探索，在符合经济性及实用性的条件下，完成对装配式建筑虚拟施工的模拟。BIM可为装配式建筑进行全过程虚拟施工模拟提供有效的软件与技术支持，同时为装配式建筑施工提供实际参考依据，对现场施工具有指导意义，可有效避免浪费，并可提前把握施工过程中的重点及难点，为优质高效地开展施工提供依据。基于BIM的装配式建筑拼装图见图8。

图7 基于BIM的“一物一码”管理

图8 基于BIM的装配式建筑拼装图

3 相关建议

当前铁路房屋装配式建筑的研究与应用取得了一定进展，但由于铁路房屋自身的特点，在构件性能、安装施工以及造价定额等方面还存在种种制约因素，限制了装配式建筑的规模化应用。展望铁路房屋装配式建筑的发展，可从以下方面开展进一步研究和完善：

（1）铁路房屋种类多，涉及专业多，工艺要求多样，建筑尺寸、平面、规格上也不尽相同，因而装配式构件种类众多，标准化、工厂化生产的难度大且生产成本较高。因此，可利用BIM技术开展房屋整合研究，在满足工艺专业要求的前提下，通过BIM模型的方案对比，对各类房屋进行整合和归并，统一规划布置并预留发展条件，提高房屋的标准化，形成构件的模块化，达到生产的工业化，以降低整体造价。

（2）铁路房屋装配式建筑相关的规范、技术标准尚不完善，如装配式预制率与装配率、评价等级、验收标准等。目前，《装配式建筑评价标准》[8]中规定了装配率的计算和评价等级，各地方根据实际情况规定了装配式预制率与装配率的具体计算细则，但铁路行业还没有明确的装配式预制率与装配率的计算细则。铁路装配式建筑施工过程中缺少流程控制标准及工艺标准，且在目前装配式结构质量验收规范中还存在一定缺陷[9]，这些都在一定程度上限制了装配式建筑的推广。此外，铁路房屋中的BIM技术尚缺少统一的应用指南，模型信息深度、精度以及成果文件等没有统一标准，这也在一定程度上限制了“BIM+装配式建筑”的融合应用。

（3）目前，铁路房屋装配式建筑的设计集成化、装配智能化水平不高。建筑设计及构件拆分中，仅考虑管线、孔洞的设计，尚未综合考虑智能监测、建筑全装修、集成厨卫等集成设计。生产和安装过程中，智能建造和信息化管理也处在初期探索阶段。因此，装配式建筑的智能研究应在既有成果基础上，大力发展适用于铁路房屋的BIM 信息化管理平台，以产业链为主线，通过实时采集项目审批、设计、建材及部品生产过程、运输过程、施工及装配过程、监理验收及运营过程等全生命期质量数据，实现建筑质量可溯源，利于上下游企业及企业内部信息共享互通，实现生产、施工的信息化管理。

（4）加快铁路房屋装配式建筑定额及经济性研究。目前，房屋装配式建筑缺少相应的铁路定额，且造价较高，预制装配式混凝土结构比现浇混凝土结构投资增加20%～35%，这也是制约铁路房屋装配式建筑应用的主要因素之一。铁路房屋装配式建筑定额及造价应综合考虑工程量规模、构件模数化程度、施工环境、运输条件、运输距离等多种因素，计算设计费用、生产运输费用、吊装安装费用等[10]。下一步工作中，可利用BIM技术在工程量统计、生产物资管控等方面的优势，对预制构件的自建自产与民用市场采购进行深入对比，确定合理的建厂距离和采购模式，实现铁路装配式建筑的经济合理。

（5）在BIM技术的基础上，结合EPC模式，开展设计施工一体化以及产品产业化研究。EPC模式与装配式建筑技术相结合，在项目组织结构、设计优化与资源整合、工期控制、成本控制和专业化管理等方面具有明显优势[11]，可以结合目前正在实施的铁路EPC项目，开展装配式建筑的设计-加工-装配一体化协同控制研究。同时，针对铁路小型生产生活房屋开展全装配整体式建筑研究，进而形成产品产业化，实现良好的经济效益。

4 结束语

由于装配式建筑具有绿色环保、节约工期、管理成本低、施工质量高等优点，以及近年来国家政策的大力支持，装配式建筑在铁路房屋中有很好的发展前景，而BIM技术为装配式提供了强大的载体和技术支撑。应着重在房屋标准化与模块化、装配式建筑与BIM技术的深入融合、设计施工一体化等方面开展深入研究，解决装配式建筑设计与施工中的突出问题，推进铁路生产生活房屋的建筑工业化、产业化，推进智能铁路的发展。