BIM技術在高速鐵路既有車站建筑改造工程中的應用

劉洋

（中鐵九局集團有限公司，遼寧沈陽 110051）

0 引言

廣深港高鐵是我國“八橫八縱”高速鐵路京哈—京港澳通道的南端部分，聯絡廣州和深圳鐵路樞紐，并將香港特別行政區接入全國高速鐵路網?；㈤T站是廣深港高鐵中間站，站房形式為線正下式，有“空中火車站”之稱［1］。為提高鐵路運力、優化乘車環境，自2017 年起對既有虎門站站房進行改造，工程總建筑面積1.51 萬m2，其中既有建筑面積1.03 萬m2，新增進站廳建筑面積2 605.17 m2、出站廳建筑面積2 236.41 m2、站臺防飄雨棚488.15 m2及配套的電力、通信、給排水、暖通等專業的改造。改造工程主要技術難點為新舊站房建筑結構、裝飾裝修、管線綜合等多專業的協調對接以及改造期間正常乘降的施工干擾等。應用BIM 技術對玻璃幕墻、專項方案、進度工藝等進行深化設計與仿真模擬，有效保證改造施工期間的安全與質量，為BIM 技術在高速鐵路既有站房改造工程中的應用提供較好的借鑒經驗，也為Bentley 平臺在建筑工程中的應用總結了完整的技術體系［2-3］。

1 AECOsim Building Designer 技術體系框架及模型創建

Bentley 平臺軟件工作前期核心是工作環境和種子文件的創建，設置正確的工作環境在項目實施前至關重要［4］。工作環境的設置是為了滿足工程項目實施需求，項目不同，需求也不相同。在Bentley軟件平臺中，這些需求歸結于一些資源文件，如構件類型、類別樣式、界面資源以及啟動特定的程序或圖庫等。Bentley軟件工作核心資源文件、操作界面設置文件等目錄均保存在WorkSpace 下的子目錄（見圖1）。AECOsim Building Designer 定義的信息模型屬性是通過Datagroup+Part 的方式來設置的，Datagroup 定義了不同的構件類型，不同類型具有不同屬性［5］，即區別不同型號；Part包含構件的線性、線寬等基本屬性和渲染材質、填充圖案等有特別需求的高級屬性（見圖2）。工作環境應根據實際需求進行定制，新建項目工作環境需在WorkSpace文件夾下的BuildingDatasets、Interfaces、Project以及Users 目錄分別建立相關資源、項目界面、項目和用戶文件，并在文件字符命令中修改相應參數，使新建的資源文件、項目文件和用戶文件分別一一對應，方便調用。

圖1 WorkSpace目錄結構樹

圖2 構件信息表達理論

在本地的工作模式下，采取將WorkSpace 共享映射的方式，修改指向路徑，方便和建立項目所有BIM 技術人員工作環境的協同。非參數化構件的創建需要三維實體的操作，建模方法基于MicroStation 并將繪制出的構件存儲為cell單元，文件格式上cel和dgn文件格式圴可被Bentley 各軟件編輯，因此，可以直接打開cel文件對構件進行創建或編輯一個單元［6］。

在AECOsim Building Designer 中參數化模型包括了以Parametric Frame Builder 工具創建的bxf 文件和以Parametric Cell Studio 工具創建的paz 文件。Frame Builder 創建構件的建模過程實際上是執行每行的語句命令，選中參數化構件創建器不同的選項，就可以在右側相應的窗口輸入不同的參數，然后點擊建立命令，即可生成對應的語句命令行，多個語句命令行組合在一起，即完成整個構件模型的建立。如數據組更新后，即可在放置門對象中找到所創建的自定義構件并放置對象（見圖3），同時在放置門對象命令中可用數據驅動該參數化構件單元的外觀參數（見圖4）。

圖3 參數化構件創建器Frame Builder

圖4 放置門對像及參數驅動

2 高鐵站房改擴建及施工過渡方案設計應用

廣深港高鐵虎門站為“建橋合一”形式，東西新增站房部分和東側消防水池基礎均包含鉆孔樁、承臺。按照設計要求，新建進站廳與既有站房連接處，二層屋面板需延伸至既有站房內，相應在既有站房內增加梁板柱、基礎梁、樁基礎，樁基礎采用10 根人工挖孔樁，孔深25 m。根據設計意圖：由于站房改造，進站樓梯區域將室外變為室內環境，因此需將防火分區的面積控制在規定的5 000 m2以下。通過BIM輔助論證發現，由于運營站房內人流量大，且增加屋面板處于既有扶梯頂部，該扶梯是旅客進站候車的唯一通道。經過BIM 可視化三維模型動態分析后認為，在無法封閉唯一進站通道的條件下，施工現場作業環境復雜，施工干擾及潛在施工風險極大。為規避該處施工風險，結合BIM 技術與現場環境分析，并遵照《鐵路工程設計防火規范》要求，提出結構優化設計方案（見圖5），取消該處樁基礎設計。

圖5 進站廳樁基礎結構優化設計方案

虎門站站房改造工程中，新建出站廳原為虎門站舊站房消防水箱位置，為保證工期進度與虎門站消防用水，必須提前做好管線遷改等過渡工作。原設計消防水池連接管道埋設1.25 m，位于新建出站平臺基礎梁下方。按照常規工序，秉著“先地下后地上”的原則，樁基礎施工完畢后需進行溝槽開挖、管道安裝工作，再進行承臺、基礎梁及上部構造施工（見圖6（a））。受春運影響，工期緊張，按原工序施工無法保證該站正常交付。應用BIM 技術對管線與結構關系、進度進行模擬分析，將管道標高抬高，在出站廳基礎承臺、基礎梁上方繞過（見圖6（b））。此方案避免管道遷改影響結構主體施工，保證了主體工程施工工期，在春運開始前順利達到交付條件。

圖6 出站廳樁基礎下管線設計優化方案

3 鋼結構、管線綜合、幕墻深化設計應用

在鋼結構雨棚及消防疏散鋼結構樓梯施工中，應用 了 AECOsim Building Designer及ProStructures對鋼結構進行深化設計。原消防鋼結構樓梯與二層標高平臺間存在空隙，該空隙高差0.96 m，但設計文件給出的消防鋼梯配套玻璃欄桿高度應為1.10 m，不滿足配套扶手安裝要求，應用BIM 技術對該處設計缺陷提早發現，并進行深化設計，有效避免了后期返工和材料浪費（見圖7、圖8）。

改造工程最困難的問題是新舊管線的協調與設計，往往造成新設計管線與既有管線對接困難。針對此情況，在綜合管線施工前應用三維掃描儀對既有管線進行三維掃描，獲得站房既有建筑結構、機電管線彩色點云數據，通過降噪處理和格式轉換后將點云數據導入AECOsim Building Designer 進行逆向建模和管綜檢查，有效解決了設計碰撞及新舊管線的設計銜接問題，提高了設計與施工效率（見圖9、圖10）。

圖7 消防疏散鋼結構樓梯深化設計

圖8 消防樓梯與玻璃護欄深化設計

圖9 站房改造管線綜合布置

虎門站改造后骨架幕墻1 011 m2，主要為進站廳南北兩側及西側建筑幕墻裝飾，形式為半隱框玻璃幕墻（豎明橫隱），幕墻位于既有橋墩間。幕墻加工前對既有橋梁建筑輪廓進行三維掃描測量，發現幕墻完全按照設計文件尺寸制作，最外側骨架將與既有橋墩產生碰撞，遂采用AECOsim Building Designer 對幕墻結構進行深化設計。將西側幕墻中部兩端幕墻間距由原設計的2 250 mm 變更為2 175 mm，將西側幕墻南北兩側最外端幕墻間距由2 425 mm 變更為2 350 mm，將南北兩側幕墻西端幕墻間距由1 380 mm 變更為1 373.5 mm，并對幕墻中多種形式的節點單元進行了優化和碰撞檢查，對幕墻與進站廳衛生間西側墻體間縫隙加裝了護欄，提高了整體施工質量和局部效果（見圖11、圖12）。

圖10 新管道模型與三維掃描點云模型對接

圖11 站房外幕墻尺寸深化設計

圖12 幕墻與進站廳衛生間西側墻體間縫隙

4 仿真模擬及工藝輔助應用

采用Synchro PRO 將BIM 模型與CPM 計劃任務關聯，添加施工任務之間的邏輯關系，以及機械設備運動路徑，在工程的不同時段、不同進度階段的模型以不同的顏色顯示，進行施工方案模擬、施工動畫制作及發布，最終達到提高施工效率、優化施工流水的目的。Synchro PRO 支持多種文件格式的導入，可直接讀取Project軟件編輯的進度計劃（見圖13）。

圖13 Synchro PRO進度仿真模擬

采用BIM-FILM 虛擬施工交底系統對施工工藝進行模擬，以可視化的動態操作提升技術交底效果。BIM虛擬施工系統是基于BIM 技術、結合3D 動畫編輯技術，整合了建設工程行業通用的“施工模板”“素材庫”，支持常用的“標注類模型”“構件類模型”及“材料類模型”的自定義編輯、并且可以導入BIM、CAD、IFC、FBX、OBJ 等行業軟件常用模型文件格式，同時支持輸出效果圖、課程視頻、微課視頻、VR 全景視頻等多種格式，為工程交底和工藝提供了直觀的表現方式（見圖14）。

圖14 梁模板安裝施工工藝模擬

5 結束語

通過建立模型整合工程信息，并對BIM 模型節點進行深化達到實際使用需求，為整個工程提供可信賴的信息資源和數據基礎，是今后基于BIM 技術進行施工管理需要實現的目標［7］。依托實際工程對Bentley 平臺在建筑改造工程中的應用進行深入研究，在三維掃描、管線綜合、方案深化、工藝仿真等方面進行有益嘗試，為項目的施工提供了較好的輔助手段，經濟和社會效益顯著，具有廣泛的推廣和借鑒價值。