BIM (building information modeling) 技术作为建筑业信息化发展的重要支撑之一, 已受到业界和政府的大力关注。BIM把与项目相关的信息通过参数模型在项目的全生命周期中进行传递和共享, 是项目在不同阶段、不同参与方之间协同工作的基础^[1]。

目前针对BIM技术在高铁站房中的应用研究不多, 主要集中在装修、施工、节能仿真等方面^[2,3,4,5,6]。本文从施工安全控制的角度, 结合实际工程探索BIM技术在高铁站房施工中的应用价值。

BIM技术相比传统的三维建模技术除了具有可视化的特点, 还具备参数化、可模拟、可协调、可优化等特点, 不仅是技术上的革新, 更是管理理念和思想的一次重要变革。BIM技术的发展与应用离不开软件开发技术的支持。目前, 国内外BIM技术相关的软件种类繁多, 根据项目的类型和特点选择合适的BIM系列工具或平台是BIM技术应用的关键, 而能否实现信息的有效传递与共享主要取决于软件工具之间的兼容性能。

BIM技术应用的基础是构建建筑物的三维信息模型, 该模型不仅能够直观地表达建筑系统物理结构, 而且包含建筑系统各个组件的各类信息, 当然信息的精度和类型取决于后期的应用需求。目前, 由于国内BIM技术的局限性, 核心建模工具主要采用国外主流软件, 如Autodesk公司、Bentley公司、Graphisoft公司、Dassault公司、Tekla公司旗下的BIM系列产品, 适用于不同类型项目的建模^[1]。

高铁站房往往采用大跨度、大空间的设计形式, 内部空间中一般设有站台层、承轨层、候车层、商务层等功能层, 受设计荷载、空间布置等限制, 其结构形式多为大跨度钢结构或钢混组合结构。基于高铁站房的结构特点以及考虑到软件的兼容性, 建模宜选用Autodesk Revit和Tekla软件平台。Revit平台主要用于钢筋混凝土结构构件建模, Tekla主要擅长钢结构构件建模, 2种平台具有较好的兼容性, 可以传递与共享数据。

1) 施工模拟BIM技术的可模拟性特点体现在施工前可以针对各种工况、方案等制作模拟动画, 提前演练施工过程, 从而直观地评价方案是否合理, 也可以用于对工人的技术交底。因此, 在安全控制工作中, 可以通过建模、施工模拟提前识别安全风险, 防患于未然^[7]。

2) 虚拟漫游BIM的可视化特点使得在还未正式开工前就能虚拟构建施工场景, 利用漫游功能可以置身于虚拟工地中, 甚至可以通过VR技术进行虚拟施工, 感受真实的环境。不仅可以用于工人的安全教育培训, 还可用于安全检查与评价^[8]。

3) 临边安全性分析BIM技术的参数化特点使得计算机可以自动分析出临边洞口等危险区域, 从而为设置安全防护设施提供依据和参考。

4) 安全管理信息化BIM的兼容性可以结合其他信息技术对其进行二次开发, 根据企业管理的需求建立信息管理系统, 从而实现安全数据的有效管理, 为企业的安全管理决策提供数据支撑^[8]。

BIM技术的可视化、参数化、可模拟性等优势为安全控制提供了新的思路和方法。基于上述BIM技术在安全控制中的应用价值, 具体分析其应用思路及步骤 (见图1) 。

1) 建立安全信息模型基于BIM相关建模软件平台构建项目3D结构模型和三维场布模型, 形成BIM安全信息模型, 为下一步虚拟漫游、施工方案模拟、安全性分析提供必要的模型信息。

2) 传递及使用安全信息将BIM安全信息模型导入BIM相关模拟软件和安全分析软件中, 通过加载进度信息和设置安全分析的限定条件, 分别进行施工方案模拟以及相关安全分析, 以便及时发现施工方案中存在的安全隐患, 提前采取安全防范措施, 有利于施工前的安全教育培训。

3) 优化管理方案通过施工方案模拟和安全分析结果进行施工方案优化并实施安全防护措施, 有效地降低安全风险事故发生的概率。

柳州市新建高铁站位于原火车站位置, 属于既有客站改扩建工程, 建好后由西站房、东站房和站台雨篷3部分组成。整个项目的施工过程分为3个阶段: (1) 第1阶段在不中断旧火车站运营的前提下先修建新的西站房; (2) 第2阶段在不中断铁路线运营的前提下, 改建站台, 同时启用西站房; (3) 第3阶段拆除旧站房, 原址重建东站房。其中, 西站房在邻近铁路线部位施工, 货运列车较多, 施工场区范围内的大型机械、材料运输、土方开挖、基础和主体施工等均受不同程度的影响。高架范围内施工区间为既有线施工, 西侧货运列车运行, 东侧客运列车正常运行, 受既有线干扰大, 属于典型的邻近既有线施工、跨线施工, 安全控制尤为重要。

采用BIM技术对西站房进行临边分析, 对部分跨线高架层钢结构吊装施工方案进行模拟, 提前发现施工中可能存在的安全隐患, 从而采取措施进一步优化施工方案, 降低事故发生率, 杜绝重大事故的发生, 保障既有线的安全运营。

柳州站西站房主体结构为钢筋混凝土结构, 屋盖为钢结构。根据上述BIM技术适用性分析, 同时考虑建模工作的专业分工和效率, 选用Revit软件进行主体结构和三维场布模型的建立。屋盖部分选用Tekla软件进行三维建模, 为减少数据的丢失, 屋盖模型文件以IFC格式通过链接方式导进Revit软件, 从而实现与主体结构模型的整合。实践证明, 虽然2款软件具有较好的兼容性, 但仍然存在数据丢失现象。

1) 结构模型构建根据项目需求, 首先确定建模的等级, 即信息的精度和维度。模型的信息精度越高, 对计算机的性能要求越高, 处理信息的速度会受到一定程度的影响。西站房及其部分高架层模型主要是为了进行施工模拟和临边分析, 为了提高工作效率, 只需要建立工程结构模型。通常有2种建模方式:导入CAD图纸进行翻模和直接利用设计方交付的BIM模型。根据实际情况采用第1种建模方式, 通过导入CAD图纸后建立标高轴网, 依据图纸信息完成西站房主体结构模型的创建, 如图2所示。

2) 三维场布模型构建为了模拟施工, 需要虚拟重建整个施工环境。基于高铁站房环境的特殊性, 需要建立大量的构件族:临时设施构件族、施工机械设备族、铁路轨道及设施系列族、钢结构构件族等。Revit最大的优势是参数化建族, 通过建立可载入族将创建好的外部族载入到项目中, 为三维场地模型的构建提供基础。

根据业主提供的施工图、铁路既有轨道及设施位置图以及相关规范, 结合现场情况建立了三维场布模型。包括现场临时设施、施工机械、安全文明施工标语、道路景观等内容。通过链接方式将结构模型与三维场布模型进行整合, 如图3所示。

柳州站高架候车厅部分为钢结构, 横跨12~16道铁路线, 高架站房由钢柱、钢桁架主梁和H型钢次梁组成。施工场地狭窄, 邻近出站通道口, 钢结构构件体量大, 施工过程中需要跨线施工, 施工难度较大。施工方案的合理可靠是保障安全生产的关键。因此, 利用BIM技术模拟钢结构吊装施工方案, 提前发现问题, 不断优化施工方案, 从而降低施工安全风险, 保障铁路运营线的安全。BIM工具性软件, 如Navis Work、Fuzor等都可以模拟施工过程。Fuzor软件不仅可以模拟施工, 还可进行安全性分析, 为了提高工作效率, 本次吊装模拟选用Fuzor2017软件完成。

高架候车厅部分平面投影为矩形, 长48.28m, 宽112.65m, 基本柱距为20, 24m, 跨度约38.5m。钢柱为H型钢劲性柱和箱形劲性柱, 主梁采用H型钢巨型桁架, 次梁为H型钢梁, 整体柱、主梁结构布置如图4所示。

根据工期要求, 吊装施工分为3个阶段:先施工高架候车厅层中间天桥部位的 (9) ~ (10) 轴, 再退位向南施工 (9) ~ (5) 轴, 最后起重机转场吊装北侧的 (10) ~ (14) 轴, 其中钢柱采用4点吊装, 主梁采用8点吊装, 次梁采用2点吊装。

钢柱和主梁选用750t履带式起重机, 次梁选用50t汽车式起重机进行吊装, 工期1个月, 主梁和次梁均在天窗点施工。当高架层南面 (5) ~ (9) 轴的主梁、次梁、压型钢板施工完毕后, 750t履带式起重机从外部转场, 再进入高架层北面进行 (10) ~ (14) 轴主梁、次梁、压型钢板的施工。履带式起重机占位点和汽车式起重机开行路线如图5所示。

1) 3D模型导入Fuzor软件Fuzor软件平台与Revit可以实现双向同步功能, Fuzor作为插件在Revit中可以将Revit模型发布到Fuzor软件中。

2) 创建4D模型Fuzor支持Microsoft project、Primavera P6等项目管理软件, 将制作的施工进度计划进行模型关联, 因此采用Microsoft project软件编制钢结构吊装施工进度计划, 将施工进度计划导入Fuzor软件后, 通过选择每项任务对应的模型构件图元关联该任务, 以此实现施工进度计划与模型的关联, 完成4D模型的建立。

3) 创建机械设备任务Fuzor 2017中有较多的施工机械设备族, 如塔式起重机、汽车式起重机、履带式起重机、泵车、拖车等, 不仅可以修改尺寸, 而且可以模拟施工。根据吊装方案, 在Fuzor中创建新的机械设备任务, 并与相关构件进行关联, 编辑起重机路径便可模拟吊装过程。

4) 吊装模拟在吊装模拟之前, 需要将吊装的钢柱和主次梁分别放在指定的堆场, 并确定各构件吊装的放置定位点。做好准备工作后, 开始模拟钢结构吊装施工。模拟过程中发现了2处安全风险隐患: (7) , (9) 轴次桁架梁与接触网立柱、接触网钢桁架处发生冲突碰撞;吊装 (9) ~ (10) 轴钢构件时, 履带式起重机倒塌侧翻。

5) 吊装施工方案优化通过对钢结构施工方案进行吊装模拟, 发现2处安全隐患点, 针对冲突碰撞和起重机倒塌侧翻分别采取合理的措施, 进行方案优化。冲突碰撞发生的原因是 (7) , (9) 轴接触网立柱和接触网钢桁架顶标高超出次桁架梁底标高0.300m, 故可在施工期间通过临时调整接触网立柱和接触网钢桁架顶标高避免碰撞。起重机倒塌侧翻的原因是吊装钢构件时起重机的站位点位于出站通道口, 起重机失稳发生侧翻。故可以通过在站房通道范围内进行回填处理, 回填压实之后再设置200mm厚的C40混凝土顶板, 并设置超过顶板30cm的临时挡墙, 即可解决此问题。

建筑生产过程中高空露天作业多且危险性大, 根据住房和城乡建设部历年对建筑施工安全事故数据的统计分析, 施工预留洞口及建筑临边、脚手架、模板等部位为事故高发位置。利用BIM技术可以通过漫游和安全性分析功能自动识别临边洞口位置, 为设置安全设施提供可靠依据。Fuzor软件为临边洞口的安全分析提供了技术支持, 主要对没有围挡的楼板族进行临边洞口的计算识别。打开Fuzor软件中的安全分析工具, 根据安全规范输入临边高度最小值、工人身高等参数后, 软件可根据限定条件自动识别临边洞口, 并以红色箭头标记在具体位置;选中临边洞口处的楼板, 通过调整工具可以直接跳转到Revit软件的相应位置, 并根据分析结果直接在Revit软件中设置安全防护设施。

高铁站房施工环境复杂, 又存在邻近既有线施工、跨线施工等典型工况, 现场一旦发生安全事故不仅会造成人员伤亡, 还会给企业带来经济损失, 甚至影响铁路线的正常运营, 给社会乃至国家造成巨大的经济损失。因此, 复杂施工环境下的高铁站房安全控制尤为重要。企业迫切需要运用新技术、新方法、新理念提升管理水平和效率, 实现管理信息化、科学化。BIM技术的发展为革新建筑行业传统粗放式的管理模式带来了新的契机和思路。结合柳州新建高铁站房项目, 探讨了BIM技术在高铁站房施工安全控制中的应用思路, 不仅可以辅助企业对工人进行可视化、沉浸式的安全教育培训、安全技术交底, 还可以进行施工模拟、安全分析, 从而优化施工方案, 提前发现安全隐患, 降低事故发生的概率。