京津冀重点客站工程建造信息化智能化技术研究及应用

智 鹏，钱桂枫，林巨鹏

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；3.中铁建设集团有限公司，北京 100040)

雄安站、丰台站和北京朝阳站等京津冀地区重点客站具有造型复杂、工程体量大、工艺工法复杂、建设难度大，工程规模大、施工作业面广、工期紧张，专业施工相互交叉多、专业综合性强，安全风险点多、安全风险等级高，文明施工及环水保标准要求高，施工质量控制难度大、要求高，本工程创新多、技术含量高，涉及的专业分包多、人员管理协调难度大。

为了贯彻落实国铁集团提出的“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”客站建设新理念[1]，努力将雄安站、丰台站、北京朝阳站打造成具有国际影响力的精品工程、智能客站。为此，需要积极探索客站建造全生命周期管理创新，创新应用BIM+物联网、移动互联网、5G、云计算、大数据等新型技术，与客站工程建造和运营技术深度融合，通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习、智能决策等手段[2-3]，构建客站全生命周期管理体系，实现客站建造和运营精细化管理、智能化提质[4]。

1 BIM工程化创新应用关键技术研究

积极探索客站建造全生命周期管理新模式，研究编制客站BIM相关技术应用和实施标准，创新应用BIM+移动互联、5G、IOT、倾斜摄影等新技术，开展全专业、全过程采用BIM(建筑信息模型)工程化实施技术，为精品客站全生命周期建造奠定信息基础。

1.1 客站BIM标准研究

参照铁路BIM联盟发布的《铁路工程信息模型交付精度标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型分类和编码标准》等相关BIM技术和实施标准，以及建筑行业发布的《建筑信息模型施工应用标准》《建筑信息模型分类和编码标准》等BIM技术和实施标准，结合铁路客站自身专业特点和工程建造本身需求，制定了《铁路站房信息模型技术标准》《建设管理平台管理体系标准》《铁路站房信息模型深化应用标准》《铁路站房信息模型设计标准》《站房施工阶段BIM标准》等京津冀地区客站 BIM实施应用标准，明确了建造阶段的模型精度、数据要求、流程等内容，为实现设计向施工交付、施工向运维交付传递模型提供统一的BIM标准体系，为BIM的全生命周期应用提供技术支撑[5-7]。

1.2 BIM工程化技术应用

积极探索客站建造全生命周期管理新模式，大胆创新应用BIM+移动互联、5G、IOT、VR、倾斜摄影等新技术，围绕土建及施工策划、结构深化设计、装修装饰深化设计、样板间深化设计、机电深化设计、三维可视化交底六大应用场景，重点开展基于BIM的施工策划与场地布置应用、重大及专项方案模拟论证、装饰深化设计应用、装饰样板间模型深化、机电管线综合排布应用、工艺工法交底应用等20项BIM技术核心应用，以及基于BIM的清水混凝土，基于BIM机电设备装配式、交互式VR虚拟仿真，基于BIM深基坑自动监测，基于BIM高支模自动监测，基于BIM钢结构自动监测等10项创新应用，为精品智能客站建设打下坚实基础[8]。客站BIM工程化技术应用示例如图1所示。

图1 客站BIM工程化技术应用示例

2 建造安全质量信息化监测技术研究应用

围绕客站建设施工过程存在的重大风险源和安全风险隐患，广泛应用信息化、可视化、自动化建造技术，开展客站大体积混凝土温控、高支模自动监测系统、深基坑实时监测、群塔吊防碰撞监控、环境环保自动监测、无人机全景航拍等关键建造技术研究及工程应用，极大地提高了客站工程建造安全风险和生态环保管控能力。

2.1 大体积混凝土温度数字化实时监测

针对大体积混凝土工程水泥水化过程中由于温度变化导致混凝土开裂等质量问题，采用自动测温技术，准确而迅速地检测出混凝土浇筑体内最高温升、里表温差、降温速率及环境温度变化情况，基于物联网实时进行数据传输存储，基于BIM进行专业数据分析、可视化显示和预警报警预判，实现对保温保湿养护动态分析卡控，确保各项温度指标可控，做到混凝土的及时养护，保证混凝土工程施工质量。底板混凝土温度监测应用如图2所示。

图2 大体积混凝土温度监测应用

2.2 深基坑实时监测与可视化监控

对于超过一定规模的危险性较大的深基坑工程，出于安全考虑，采用BIM+自动监测技术，实现对基坑各类监测数据定时采集、统计汇总、专业数据分析和可视化显示，并按照标准、规范对超标结果进行预警报警，对监测结果及时反馈并采取相应措施，形象直观、快速高效地预判深基坑及周边环境安全态势。有效预防基坑安全风险，达到防灾减灾的目的，全面提高深基坑信息化监测管理水平[10]。

深基坑实时监测监控系统如图3所示。

图3 深基坑实时监测监控系统

2.3 高支模板自动监测与可视化管理

由于站房为高大支模体系，且跨度大、荷载压力大，为杜绝安全事故的发生，通过采用BIM+基于互联网、物联网和自动采集技术，实现基于BIM的高支模模板体系整体三维虚拟设计和受力分析，确保在现场实际工况下整体的变形、主要构件的应力比等满足安全需要；基于物联网技术实现对模板体系的沉降、水平位移、立杆轴力、立杆倾角、支架整体水平位移等监测数据实时采集，有线和无线及时远程传输，基于BIM的专业数据分析、可视化显示、超限预警和危险报警[9]。

应用高支模体系自动监测信息化系统，提高高支模施工现场安全紧急响应速度，预防高支模安全事故的发生，达到提升高支模安全管理水平的目标。

高支模体系自动监测架构及监控系统如图4所示。

图4 高支模体系自动监测架构及监控系统

2.4 群塔吊防碰撞安全监控

为高效组织施工，避免群塔作业出现的安全隐患问题，采用塔吊防碰撞系统，利用BIM进行三维建模，动态模拟塔机和建筑物之间、塔机与塔机之间、塔机与材料堆场之间的位置关系，实现三维空间中塔机布置的合理性，达到整个塔机群作业的安全控制；利用高度、风速、幅度、角度感应器实时采集和监控塔机运行参数，实现塔机运行状态以及群塔交叉作业情况的实时监控，并对塔机发生碰撞等安全隐患及时报警、制动控制，防止发生重大安全事故。

2.5 环境环保自动监测

针对目前客站工程施工过程中环境监测不到位的问题，采用自动环保监测技术实现对现场PM2.5、PM10、噪声、温度、湿度、风速、风向等实时在线监测，当监控值超过报警值时，自动触发报警装置和喷淋装置，对现场环境采取雾化喷淋降尘措施，实现智能化恒流喷淋以及恒压供水的功能，达到自动控制扬尘治理的目的。

3 智能化装配式建造技术研究应用

广泛应用智能化建造技术，开展钢结构智能加工、机器人智能焊接、三维数字放样量测，实现客站建造智能化提质，使客站智能建造水平迈上新台阶；积极采用模块化制造和装配式集约化施工技术，进行装配式站台及吸声墙、装配式可回收边坡支护、深基坑绿色装配式护坡、装配式机电机房等建造施工[11]，实现了工厂化生产、提高了施工效率，积极实践绿色环保降耗建造。

3.1 钢结构智能化建造技术研究应用

针对钢结构总用钢量大，施工穿插管理难度高等特点，通过采用BIM技术、工厂化及数字化技术，进行钢结构三维深化设计，并将BIM模型数据与数控机床直接对接，减少了人工二次转换的工作量，并提高了制造准确性；通过激光跟踪测量，实时掌握杆件加工精度，减小制造误差，保证钢结构加工质量。

同步基于BIM技术开展工艺工法模拟、现场虚拟预拼装、整体自动提升和焊接质量检查等，提高钢结构安装精度、施工质量；采用智能放样机器人，通过BIM模型中设置现场控制点坐标和建筑物结构点坐标分别作为BIM模型复合对比依据，创建放样控制点，导入智能放样机器人进行现场智能定位放样，实现放样施工自动化、精细化。

雄安站钢结构智能化建造如图5所示。

图5 雄安站钢结构智能建造

3.2 钢筋数字化加工与智能焊接技术研究应用

针对客站主体结构钢筋用量大，加工强度大，工作效率低下等施工问题。首先，基于BIM技术进行钢筋数字化建模，完成对钢筋碰撞检测、优化调整、深化设计和绑扎模拟等，提前规避影响钢筋加工的成品质量和加工生产效率。

其次，研究钢筋数字化模型与工厂加工设备接口技术，通过将可识别的钢筋加工单导入钢筋加工设备，结合研制的数控钢筋锯切套丝生产线、数控钢筋剪切弯曲中心、数控钢筋弯箍机等自动化设备，完成从钢筋调直、切断、弯钩和弯箍等自动化加工；同时成功解决了结构梁、柱截面中部均设凹缝造型所需的连续小尺寸弯折和框架柱阳角处造型由下向上逐渐收分、竖向钢筋无法直通到顶等要求。

进一步研究应用钢筋网片焊接机、钢筋骨架自动焊接设备，提高钢筋网片和骨架焊接质量和加工效率。

最终实现节约现场的临时用地，达到节约投资、绿色环保。

3.3 站台及吸声墙集约装配式技术研究应用

在现阶段铁路客站建设中，装配式技术尤其是混凝土装配式建造技术尚处于起步阶段。雄安站站台吸声墙采用预制拼装装配式技术，利用具有吸声功能的装配式复合构件取代传统现浇挡砟墙，在不改变原有挡砟墙整体造型的前提下，将离心玻璃棉复合于墙体中部，通过整体正立面预留密排孔洞将列车通过时产生的噪声声波引入中间离心玻璃棉内，实现吸声降噪的目标；在安装方面利用正面平口耳板和背面镀锌角钢与现浇结构固定，可拆性强，便于后期养护维修；采用定制加长膨胀螺栓将角钢连接件端部与顶部穿孔锁死，最大限度消除由于列车振动引起的墙板松动，从而提高装配式站台吸声墙的整体稳定性。

雄安站9～11站台承轨层至站台层装配式站台主体结构和8～11站台预制吸声站台墙站台结构形式为框架结构进行施工，通过预制叠合梁、复合吸声墙板、桁架钢筋叠合板、SPD预应力空心板、预制帽檐等打造了国内首个预制装配式站台及吸声板，预制率达到80%，实现“绿色、环保、节能”的建设理念，在客站混凝土装配式建造方面取得了突破。

雄安站装配式站台及吸声墙施工效果如图6所示。

图6 雄安站装配式站台及吸声墙

3.4 深基坑绿色装配式支护技术研究应用

传统的深基坑采用土钉墙支护，存在对施工现场环境造成污染、施工周期长、全隐患大等弊病。为此，研究采用了绿色装配式支护技术，有效解决了上述问题，并且材料可以周转使用，符合绿色可持续发展理念。

在土钉墙支护机理的基础上，面层采用由轻质高强新型混凝土、人工聚合高分子材料、高强度钢材、生物材料和其他组合型材料等形成的绿色装配式可回收面层取代喷混面层，经过在工厂预制成标准块件运输至现场，通过热轧带肋固定坡顶及坡脚处绿色装配式面板，起固定支座作用，与面板表面的钢丝绳共同固定坡面处绿色装配式面板，用钢筋连接构件将锚钉(土钉)连接成一个整体的绿色装配式土钉墙支护结构。实现能耗低、污染小、节省材料、绿色节能环保，有效防止膨胀土膨胀的目标，克服了因传统土钉墙支护刚性连接的局限性。

北京朝阳站深基坑绿色装配式支护如图7所示。

图7 北京朝阳站深基坑绿色装配式支护

3.5 机电设备及管线数字化建造技术研究应用

机电设备及管线安装工程是客站工程的重要组成部分，所牵扯的范围十分宽泛，错综复杂，子系统众多，对人工劳动力严重依赖，施工作业效率普遍低下，原材料消耗大，环境污染严重；采用数字化、可视化和虚拟仿真技术提升整体机电建造的技术水平和工程质量具有重要意义。

充分结合BIM技术，对机电设备及管线进行深化设计，开展机电各专业间及与结构间的碰撞检查和安装工序模拟优化，科学、合理布置设备及管线，预防工序冲突，避免出现返工等问题；运用 BIM 技术生产机电系统单元预制加工清单和可识别的加工图纸信息列表，通过研究完善预制加工软件提高机电系统单元工厂数字化预制加工能力。

基于二维码等物联网技术进行设备及管线生产、运输、堆场、安装的数字化分拣，实现精准智能、简便有效的数字化装配管理模式[12]。

研究运用BIM与三维激光扫描融合技术进行机电设备及管线数字化现场结构数据复测，通过实际测绘数据与BIM模型数据的精确对比，确保模型与现场实物的一致；并结合施工组织、施工方案和安装工序进行工厂机电单元虚拟预拼装、重点区域安装运输路线及施工工序仿真模拟和机电系统调试虚拟仿真及数字化安装；运用数字化实现机电设备安装精细化进度管理、在线数字化质量控制、可视化安全监控管理。

最终实现降低建造成本、提高工作效率、提升工程质量和整体建筑品质等，最大程度地提高建筑使用空间和满足用户的使用要求，达到降本增效的目的。

机电设备及管线装配式安装如图8所示。

图8 机电设备及管线数字化加工及装配式安装

4 数字化建设施工管理关键技术研究应用

首次研发应用了客站GIS+BIM建造一体化管理平台和数字化综合监控中心，打造施工透明、数据真实、过程可控、质量可溯的“智慧工地”，实现客站建造过程中进度、质量、安全、物资、投资的数字化、精细化管理。

4.1 建造一体化管理平台关键技术研究应用

针对客站枢纽建设单位项目管理工作界面复杂、与项目参与方信息不对称、建设进度管控困难等一系列问题，首次研发京津冀客站工程建设管理BIM平台。

基于GIS一张图多方位、多角度、多层次建设信息综合管理，实现建设辅助决策支持；以施组管理和关键线路的节点控制为目标，基于电子施工日志、施组计划实现客站工程三维形象进度管理；实现对客站工程危大风险源识别、过程管控、处理闭环的“一图四表”进行全方位风险管理，工程特殊部位安全管理关键风险点实时监控量测；基于实验室、拌合站等原材料质量控制，检验批的质量检验管理，工程影像资料的隐蔽工程质量管控。客站建设管理一体化平台主界面如图9所示。

图9 客站建设管理一体化平台

最终积极探索实现客站建造过程中进度、质量、安全、投资的精细化管理水平和智能化建造提质，提高管理效率和降低管理成本。

4.2 绿色智慧工地系统关键技术研究应用

整合物联监测和项目智慧化管理，围绕客站“进度、劳务、物料、设备、监控、调度”六大应用场景，依托客站工程施工过程，进行空间数据和时间维度信息的多方位一体化整合，构建施工信息管理系统。

实现客站施工三级节点三维进度精细管理，基于人脸识别实名制考勤管理和现场人员动态监控，基于RFID和二维码等物联网技术实现混凝土、钢筋、周转料等主要物资准确管理，基于自动监测监控技术实现塔吊监控、基坑监测、电子巡更、能耗监测等监控预警管控，基于信息化技术实现对实验室、拌合站等关键原材料的质量动态监控，施工大型设备集中监控管理和统一调度，工程进度质量及时远程掌握，资料图纸有序便捷等。

最终，实现各参与方协同高效工作，实现对客站施工人、机、料、法、环的全方位监控，变被动“监督”为主动“监控”，有效弥补传统方法和技术在监管中的缺陷[13]。

5 运营维护智能化技术研究应用

创新应用信息化、智能化技术，开展电子客票、站内导航、综合显示、语音广播、求助查询、综合换乘、站台安全门防护等系统关键技术研究应用，为旅客提供出行及安全通行智能便捷；研发智能大脑、结构健康监测、机电设备与能源管理等智能化系统，实现车站智能管理、建筑机电设备节能管控和车站结构物服役状态综合预判。

5.1 车站智能大脑关键技术研究应用

围绕客运乘降组织，客运、行包及高铁快运作业等业务，提供人员自动排班、任务分发、到岗监控、作业卡控、执行反馈和客运工作量统计等功能，提升客站作业管控能力，保证服务质量和安全生产。

利用5G、物联网、语音广播、标识引导、综合显示等技术构建智能旅客服务系统，提供全面、及时、准确的旅行信息服务，为旅客提供安全、温馨、便捷的旅行服务[16]。采用智能视频监控分析技术，实现客站越界入侵检测、人群密度估计、人流态势检测等分析功能，提升了车站管理的智能性和便捷性。

5.2 电子客票关键技术研究应用

利用图像识别、人机工程等技术构建电子客票系统，为旅客提供购票、进站、检票、退票全程电子客票服务，改善售取票、进出站体验，为旅客提供无纸化、自助化的出行服务；将检票乘车功能和实名核验功能整合，实现人证票一致性核验和开检车次、票种等验检融合服务，节约服务人员，减少核验环节，提升服务质量，减少车站运营成本；实现客票收入管理、值班监控、计划统计、综合查询等车站客票综合管理功能[14-15]。

5.3 机电设备监控与能源管理关键技术研究应用

利用建筑智能化技术构建建筑设备与能源管理系统，依据环境参数及各类传感器采集的数据，实现对车站空调通风、室内给排水、电扶梯、能源管理、智能照明等的集中管理；通过能源数据采集子系统，实现能耗的动态监测、能耗分析、报表统计、措施建议及图形展示等功能[17]；最终通过数据的积累，运用大数据、人工智能等新技术，依托客站大脑对列车到发、人流密度、气候环境、作业时间等信息实时分析，对照明、电梯、空调通风等进行合理控制，实现对雄安站、北京朝阳站高大空间、候车厅、车站交换层、站台层等区域节能优化和能效科学管理，降低建筑总体能耗，提升旅客候乘环境。

机电设备监控与能源管理系统应用效果如图10所示。

图10 机电设备监控与能源管理系统

5.4 客站结构健康监测关键技术研究应用

针对雄安站和北京朝阳站承轨层、屋盖、高架层、幕墙结构等不同区域结构风险，构建结构健康监测系统，对站房重要结构部位进行实时监测，积累原始数据，辅助了解施工后的结构变化；实时获取结构当前环境下相关结构信息的变化，实时监控结构的整体行为，对结构的内力变化、损伤位置和程度进行诊断，预测站房结构的性能变化，实时掌握结构的工作状态与健康状况；通过累计监测，核实复杂结构设计内力与实际情况的一致程度，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为结构的日常保养和管理提供参考；为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时积累历史数据，当结构状态存在安全隐患时及时提供预警[18-20]。

最终实现对结构的使用情况、可靠性和承载能力进行评估，为站房投入运维阶段提供必要的安全运维的保障。

6 结论

在国铁集团提出的“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”客站建设新理念的指引下，针对京津冀地区重点客站建造过程存在的一些管理难题和技术应用难点，深入研究BIM、移动互联、物联网、云计算、5G等新技术与客站工程建造技术深度融合，开展客站建造BIM工程化应用标准和关键创新应用点、施工重大危险源和安全风险信息化监控监测、钢结构智能加工、机器人智能焊接、三维数字放样量测、装配式站台及吸声墙、建造一体化数字化管理平台、绿色智慧工地系统以及运营维护数字化智能化等关键技术研究，并结合雄安站、北京朝阳站、清河站等进行工程全面试点应用和应用效果总结，全面提升京津冀地区重点客站建设和运营信息化、智能化、精益化水平，为将雄安站、北京朝阳站等京津冀重点客站打造成具有国际影响力的精品工程、智能客站奠定了基础。

下一步将继续围绕客站建造全生命周期管理理念，积极创新客站建造管理新模式和新方法，深入研究应用5G、数字孪生、区块链等新技术，全面承载客站勘察设计信息，持续集成工程建设数据，通过数字化交付贯穿运维管理，实现客站建造全生命周期信息化、数字化和智能化提质，积极推动铁路客站高质量发展。