黔张常铁路张家界西站BIM应用

谭勇峰 李小聪 王 林 杨 韬 孙 勇 余相懿

(中国建筑第五工程局有限公司,长沙 410000)

引言

本工程为公司第一个正式以BIM技术指导施工的高铁站房项目，在推广BIM技术在施工项目的应用上有着指导性的意义，本文主要讲述了折线形屋盖钢网架深化及提升、内外装深化、管线碰撞及净高检查等BIM技术实际应用。

1 工程概况

1.1 项目简介

张家界西站位于湖南省湘张家界市永定区沙堤乡，为黔张常铁路与张吉怀铁路交汇车站，是两条铁路线上最大的客运站房，车站设计为线侧平式(如图1所示)。

站房总建筑面积35 215m2，面宽208m，进深50m，高度31.14m。地下一层，地上两层，局部四层。站房采用框架结构，屋盖为焊接球钢网架，外立面采用玻璃幕墙，屋面为铝镁锰金属板。站场共设置7站台17线，其中黔张常场设置4站台10线，张吉怀场3站台7线。站场设进站天桥、无站台柱雨棚、旅客地道、行包通道等跨线构筑物，候车站台风雨棚采用折线形钢筋混凝土雨棚。

图1 项目整体

1.2 项目重难点分析

张家界西站作为沿线第一大高铁站房，业主对项目高度重视，公司将张家界西站定位为“精品站房，鲁班奖工程”；项目综合性强，外部配合协调要求高，且施工场地狭小，与站前单位、线下单位、四电单位交叉施工，施工难度大；专业分包多，包含机电安装、幕墙、装饰装修、钢结构、金属屋面、静态标识等单位[1]；管线分布复杂，可排布空间及标高有限，必须进行深化以满足净高要求。

2 BIM技术应用

2.1 钢结构深化

本工程钢结构主要包含站房、进站天桥、无站台柱风雨棚和落客平台四部分，钢结构用量约7 500t。其中站房屋盖钢网架为正交正放四角锥焊接球网架[2]，网架整体呈折线型分布，空间高差达10.5m(如图2所示)，项目对于网架部分采用错层提升方法。

图2 总体钢结构概况

钢结构施工前，根据设计院图纸，通过软件进行复杂节点深化设计，自动生成用于施工的构件图、材料清单等，软件的智能化可为钢构件加工设备提供自动识别的文件，实现工厂预制化、自动化加工生产。

通过创建钢结构模型，深化钢梁与混凝土结构柱连接、钢桁架与钢柱连接等多种钢节点，提前发现图纸可能存在的错误以及优化原设计，避免现场安装冲突及与结构冲突问题，避免或减少返工情况发生(如图3所示)。

图3 钢节点深化

在钢构件生产完成后，在每个构件上粘贴二维码，在运输过程中实时跟踪。通过系统可直观地看出干钢构件的编号、件号、数量、类型、长度和重量等。从发运、运输、验收、拼装完成都会进行二维码扫描，及时更新并录入信息(如图4所示)。

图4 钢构件二维码

2.2 钢网架提升验算

根据深化施工图建立三维CAD线性模型，将线性模型导入结构分析软件，用非线性阶段施工分析对提升过程进行验算，得出结构挠度和最大应力比满足要求，根据反力进行提升器型号的选择。同时对提升结构、提升支撑结构、牛腿、埋件、提升节点、柱受力、网架杆件、临时杆件和临时球进行初次提升及二次提升验算(如图5所示)，根据验算结果编制钢网架安全施工专项方案，指导现场钢网架提升[3]。

(a)提升验算模型

(b)提升吊点反力

(c)结构竖向位移云图

(d)竖向位移统计表

(e)应力比云图

(f)应力比统计图5 钢网架提升验算

本工程中网架结构采用超大型构件液压同步提升施工技术进行安装，主要使用的关键技术与设备为：超大型构件液压同步提升施工技术[4]、TJJ-2000型液压穿心千斤顶、TJV-30型型液压泵源系统、YT-1型计算机同步控制及传感检测系统。

为确保网架提升单元及主体结构提升过程的平稳、安全，根据网架的特性，拟采用“吊点油压均衡，结构姿态调整，位移同步控制，分级卸载就位”的同步提升和卸载落位控制策略。整体流程包括：同步吊点设置、液压装置系统调试及检查、提升分级加载、结构离地检查、姿态检测调整、整体同步提升、提升过程的微调、提升就位、卸载。

图6 计算机同步提升控制界面

提升过程中，未发现受力不合理处，无杆件变形及破坏。提升至二次提升位置(通过模型提取位置坐标)，提升器的机械和液压自锁装置进行自锁固定[5]。补杆后，进行二次提升，提升效果如图7所示。

图7 网架提升效果

2.3 内外装深化

项目在内、外装优化设计时，对“奇峰叠翠、廊桥百里”设计理念进行扩展，充分提炼张家界奇山异景、土家族民族文化的属地化元素，将湘西土家族西兰卡普织锦、天门山等图案引入，着意体现“千丈绝壁挂金松，万尺深涧锁玉龙”山峦起伏的磅礴外观，以及“久居繁华里，偷闲入山家”山间吊脚楼的室内空间。

在室外装修细部节点上，利用BIM技术的三维可视化对卫生间、走廊等区域内的洁具、墙地砖等进行装修排布，优化精装修图纸，综合考虑结构墙、安装管线、饰面砖等的位置、尺寸关系。通过建立三维BIM模型及实测实量进行前期策划，准确定位设备及块材施工，确保了卫生间及走廊内等装饰装修的精细化(如图8所示)。

图8 卫生间BIM模型

在大面积室内装修上，候车厅屋顶采用木纹铝板桁架、灯槽及横梁共同构建土家族吊脚楼屋顶，将整个候车厅打造成具有土家族名族特色的吊脚楼空间，给旅客宾至如归的感觉。售票厅吊顶白色铝板错拼与铝方通相间，错拼铝板采用山峦式不规则化处理，增加吊顶的灵动，减轻旅客的心理承重感(如图9、图10所示)。

图9 售票厅效果图

图10 候车厅效果图

在外立面优化上，项目从张家界建筑特色化及土家族民族化角度出发，结合土家族西兰卡普织锦图案以及吊脚楼建筑外观，与广场相接的柱头增加张家界土司城九重楼上白龙吐水造型，门斗柱身优化成土家族吊脚楼八角柱的形式，柱脚增加实心柱墩，寓意迎接四方友人(如图11所示)。同时对檐口铝板分缝、主入口处玻璃幕墙、站房外地面铺贴、站房外立面铝窗花、玻璃幕墙、吊顶、横梁、棱形檐口等部位进行优化，以BIM技术为辅导，出具大样图、工艺做法表、排版图，弱化分隔缝对外立面的影响，确保外立面的整体性以及立挺感(如图12所示)。

图11 效果图及优化参考

图12 檐口铝板分缝

2.4 净高检查及碰撞检查

在站房管线模型建立完成后，依据业主及装饰单位给出的标高要求对标高进行检查。由于管线数量多，跨度大，逐一核对所消耗的时间大，且容易出现遗漏。利用Revit软件进行净高检测，设置风管颜色方案，以“底部高程”为参数对风管标高进行筛选(如图13所示)，查看所标注区域风管对应颜色，筛选出不满足标高的风管并进行优化(如图14所示)。

图13 设置风管配色方案及筛选条件

图14 根据颜色属性查看风管标高

在完成区域标高确认后，由于各个区域管线交错排布，会出现不同专业管线之间的碰撞问题(如图15所示)。为了保证管线在实际施工中的可操作性，利用Revit对不同专业之间进行碰撞检测。根据软件生成的碰撞检测报告逐一核查碰撞点，对模型进行优化(如图16所示)。

图15 碰撞检查报告

图16 碰撞检查完成

2.5 质量样板

为规范项目质量管理，明确项目质量标准，根据相关标准及规范要求，BIM小组绘制建立BIM质量标准虚拟模型，用于对工人可视化交底(如图17所示)，项目共购置5个质量实体样板，指导现场质量标准化施工。项目争创鲁班奖，幕墙、内装修均制作样板，颜色、工艺均经业主确认后才大面积施工(如图18所示)。机电工艺样板不单独实施，主要展示机电末端安装方式、与装饰材料匹配度、机电末端与装饰墙地砖及吊顶排版对砖对缝等问题。

图17 砌体BIM模型

图18 天桥窗花样板

2.6 砌体排布

站房砌体结合四电单位、机电安装专业预留洞口，以及构造柱排版要求，项目部积极组织BIM工作小组、装饰、四电及机电安装单位开会对接，以洞口周围保持整砖、减少装饰切割面为原则，通过BIM模型三维可视化核对标高、CAD二维平面化核对位置，出具最终排版图，指导现场施工，同时安排专人跟踪，确保施工无误。

通过将Revit建筑模型导入排砖软件，根据现场条件、设计要求与施工条件对建筑墙墙体精细排布，并详细计算与统计每面墙的砖砌体数量，对物资采购起到一定的参考价值，同时合理地将碎砖进行再利用，管控项目成本，减少砖砌体的浪费，最终将砌体精细排布模型以CAD图纸的格式导出来用于方案编制，指导现场施工(如图19所示)。

图19 砌体精细排布

2.7 幕墙下料指导

在多次调整立面分格后，基于幕墙深化Revit三维模型，通过提取模型材质导出对应的明细表， 包含名称、宽度、材质、数量等信息，并输出为Excel表格，用于指导幕墙材料采购(如图20所示)。

将Revit生成的参数化的三维模型与机械设计软件Inventor进行关联，自动生成幕墙板块部件组装图、零件加工工艺图以及材料下料单等，将最终生成的幕墙板块部件组装图、零件加工工艺图等转化成DWG文件，以方便工厂生产加工使用[6](如图21所示)。

图20 幕墙下料单

图21 幕墙零件加工详图

2.8 场地布置及3D打印

结合现场实际情况，将Revit模型导入、分解、切片导入打印机中，通过3D打印BIM沙盘，用于现场施工部署、临建及施工场地布置与调整(如图22所示)。同时，在沙盘上可进行规划道路出口、材料周转、资源调配、优化混凝土罐车及天泵浇筑位置等操作，并形象反映现场CI设计情况，找出最优方案，优化资源配置，有效节约成本，提升项目品质。同时，BIM沙盘模型可用于辅助QC发布、专利申报、工法申报、科技创效等[7](如图23所示)。

图22 场地布置局部

图23 3D打印BIM沙盘

2.9 可视化交底

针对于机电管线复杂区域(如机房、设备层)，宜采用可视化交底技术。机房的管线层次多、相对位置传统三视图难以体现，如用Revit对机房进行单独建模，再利用其他辅助软件渲染，可以完成一个高精度的三维模型。利用该模型对现场作业人员直接交底(如图24所示)。

图24 可视化机房交底模型

2.10 BIM其他应用2.10.1 三维坐标定位及施工模拟

由于锯齿形站台坡屋面空间变化较大，常规的二维坐标定位难以满足精度要求，采用BIM技术对梁柱节点三维绝对坐标进行计算，利用三维坐标进行放样及复核；以BIM技术为辅助对站台各专业模型进行综合排版，保证既满足相关功能的要求，又满足建筑审美的需要，避免后期返工。利用BIM技术对站台雨棚进行建模，涵盖并统筹各个专业，先在模型中将各专业外露设备体现出来，模型效果得到各方认可后并进行工序模拟后再进行施工，避免后期重复。

2.10.2 VR体验馆

项目通过合作引入智慧工地安全体验馆，为每个管理人员及工人提供了安全体验的机会。体验项目包括墙体倒塌、电击、高空坠落、火灾体验等，直观有效地了解到现场违规操作所带来的严重后果。

新兴的科技使得安全培训不再受场地限制，相比传统的培训，VR体验让人身临其境，记忆更为深刻[8]。通过VR体验进一步完善现场安全文明施工及防护和项目安全文明生产制度与规章，推进了项目的安全文明建设，为打造精品项目、创建“鲁班奖”工程提供了保障[9](如图25所示)。

图25 VR体验馆局部

3 BIM总结

BIM为我们展现了三维视觉化效果，提供了新的工作思路。通过BIM进行深化，在部分工作中用BIM三维可视化取代二维平面化，有效地解决了诸如网架拼装、提升、管线净高、内外装效果等问题，同时为有效解决各专业接口，深化细部节点做法，控制项目成本，辅助科技工法申报等提供了有力的支持[10]。

经过项目前阶段的实际应用，我们积累了大量的经验，为项目后期及公司进一步推进BIM在施工中的应用打下了坚实的基础。