京張高鐵八達(dá)嶺地下車站BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙 琳 張 軒 陳鵬飛 楊啟凡

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 項(xiàng)目背景

新建京張高鐵地處北京市西北和河北省北部，是連接北京市和張家口市的高速鐵路，設(shè)計(jì)速度為250～350 km/h，同時(shí)也是2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)的配套基礎(chǔ)設(shè)施之一。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是目前國(guó)內(nèi)埋深及提升高度最大的高速鐵路地下站。車站層次多、洞室數(shù)量大、洞型復(fù)雜、交叉節(jié)點(diǎn)密集；車站兩端渡線段單洞開(kāi)挖跨度達(dá)32.7 m，是目前國(guó)內(nèi)單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站采用了諸多創(chuàng)新設(shè)計(jì)：采用疊層進(jìn)出站通道形式，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出站客流完全分離且進(jìn)出站口均勻布置；首次采用環(huán)形救援廊道設(shè)計(jì)，使其具備了緊急情況下快速無(wú)死角救援的條件；采用一次提升長(zhǎng)大扶梯及斜行電梯等先進(jìn)設(shè)備，極大地方便了旅客出行；采用精準(zhǔn)微損傷控制爆破等先進(jìn)技術(shù)，消除了對(duì)文物和環(huán)境的不利影響。體現(xiàn)了“古老傳統(tǒng)的歷史長(zhǎng)城，包容創(chuàng)新的人文京張”的核心設(shè)計(jì)理念，達(dá)到了“安全、流暢、明確、便捷、關(guān)懷、舒適、美觀、文明”的設(shè)計(jì)目標(biāo)[1-2]。

為了提高設(shè)計(jì)效率，本項(xiàng)目采用了BIM協(xié)同設(shè)計(jì)。

2 工程概況

八達(dá)嶺長(zhǎng)城站(見(jiàn)圖1)為新建北京至張家口鐵路的中間站，位于北京市延慶縣境內(nèi)八達(dá)嶺滾天溝停車場(chǎng)下新八達(dá)嶺隧道內(nèi)。車站中心里程為DK68+050，到發(fā)線有效長(zhǎng)650 m，車站有效站臺(tái)長(zhǎng)450 m，車站總長(zhǎng)470 m，地下建筑面積約為4.1×104m2。

3 平臺(tái)軟件的選擇

目前，市面上主要的軟件平臺(tái)有Autodesk、Bentley、Dassault。其中，Autodesk平臺(tái)下的Revit主要應(yīng)用于工民建領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)是建筑構(gòu)件庫(kù)較多，相關(guān)二次開(kāi)發(fā)內(nèi)容也比較完善，學(xué)習(xí)資料也較多，缺點(diǎn)是對(duì)于鐵路工程這種長(zhǎng)大帶狀工程的支持較差，并且對(duì)于三維曲線元素的支持不足。Bentley平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于大體量工程支持比較好，并且支持三維曲線元素，缺點(diǎn)是資料較少，二次開(kāi)發(fā)成果較少，二次開(kāi)發(fā)難度大。Dassault平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于建模能力、參數(shù)化及三維仿真能力，缺點(diǎn)主要為缺少鐵路行業(yè)相關(guān)配套軟件支持，且對(duì)大體量模型處理效率低。綜合各方面分析，選擇Bentley軟件作為BIM平臺(tái)。協(xié)同設(shè)計(jì)軟件如表1[3]。

圖1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站效果

表1 BIM應(yīng)用軟件

4 BIM協(xié)同平臺(tái)建設(shè)

通過(guò)Bentley的協(xié)同工作管理平臺(tái)ProjectWise，對(duì)各專業(yè)進(jìn)行實(shí)體工程劃分，形成適合信息化管理的單元，配置相關(guān)設(shè)計(jì)人員，設(shè)置不同的管理權(quán)限。項(xiàng)目?jī)?nèi)各專業(yè)人員同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)更新，確保設(shè)計(jì)工作合理、有序、高效[4]。

4.1 協(xié)同平臺(tái)工作環(huán)境建立

(1)在ProjectWise上建立項(xiàng)目所需的模板庫(kù)、族庫(kù)、資源及標(biāo)準(zhǔn)配置。

(2)建立項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹(shù)，按規(guī)范命名并建立關(guān)鍵文檔，基于《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》，對(duì)項(xiàng)目模型進(jìn)行分解及裝配。

(3)建立項(xiàng)目組成員，并按角色設(shè)定相應(yīng)的權(quán)限。

4.2 工作流程管理

(1)制定設(shè)計(jì)階段和施工階段的BIM實(shí)施流程。

(2)設(shè)定平臺(tái)工作流程(如圖2所示)。

圖2 協(xié)同平臺(tái)工作流程示意

4.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

(1)各專業(yè)之間資料互用、共用。

(2)BIM設(shè)計(jì)中各專業(yè)的關(guān)聯(lián)引用與變更。

(3)各專業(yè)模型的組裝及層次關(guān)系管理。

4.4 模型及文件管理

(1)各專業(yè)模型及總裝模型的查看。

(2)模型及構(gòu)件屬性的查看。

(3)文件查看、查找及版本歷史管理。

4.5 族庫(kù)的建立

在建模過(guò)程中逐步建立各專業(yè)的族庫(kù)。

5 BIM模型建立

5.1 建模精度

按照《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定與要求，采用鐵路工程信息模型LOD3.0級(jí)精度進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。單元實(shí)體幾何精度等級(jí)的劃分應(yīng)符合《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》中模型等級(jí)的相關(guān)要求(見(jiàn)表2)。

模型單元屬性的信息深度應(yīng)符合表3的要求。屬性信息包括幾何信息和非幾何信息：幾何信息包含構(gòu)件長(zhǎng)度，體積等信息；非幾何信息宜根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行分解，部分?jǐn)?shù)據(jù)可采用非結(jié)構(gòu)化方式存儲(chǔ)，并附加到鐵路工程信息模型中(如環(huán)境評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)等)。

表2 幾何精度等級(jí)

表3 信息深度等級(jí)

如模型以輕量化方式進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)管理，允許模型單元以低幾何精度和高信息深度存在。

5.2 建模工作

項(xiàng)目各專業(yè)可以具有不同的技術(shù)實(shí)施路線，但所有專業(yè)BIM模型的建模坐標(biāo)應(yīng)與實(shí)際工程坐標(biāo)保持一致，如采用軸網(wǎng)坐標(biāo)系建模時(shí)，應(yīng)提供軸網(wǎng)坐標(biāo)系與實(shí)際工程坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系信息。模型單元應(yīng)以模型中心點(diǎn)或者特征點(diǎn)為原點(diǎn)，可基于工程坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)在協(xié)同平臺(tái)的整體拼裝。

(1) 隧道專業(yè)

首先將單個(gè)隧道拆分為多個(gè)工點(diǎn)，建立隧道專業(yè)單元庫(kù)及模型，并組裝全隧道模型。

隧道工點(diǎn)的拆分：依據(jù)設(shè)計(jì)工區(qū)的劃分，從模型規(guī)模及計(jì)算機(jī)承載能力的角度出發(fā)，將長(zhǎng)度及復(fù)雜程度較大的模型分解為長(zhǎng)度較小的模型，形成較小的工點(diǎn)。單元庫(kù)包含隧道斷面、輔助措施、初期支護(hù)、特殊構(gòu)件。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用單元庫(kù)形成各工點(diǎn)模型，最后形成全隧道模型。

①洞身模型

使用PowerCivil，建立正線線路、斜井線路的三維曲線模型。

將線路三維空間模型參考進(jìn)隧道模型文件，從單元庫(kù)中選定參數(shù)化斷面，使用二次開(kāi)發(fā)工具，利用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)形成斷面并沿線路敷設(shè)，最終生成隧道洞身模型(如圖3、圖4所示)。通過(guò)BIM建模，可以精細(xì)化描述隧道支護(hù)措施間的相互關(guān)系。

圖3 完整隧道洞身模型

圖4 隧道剖切模型

以八達(dá)嶺長(zhǎng)城站結(jié)構(gòu)斷面底板頂中線為基準(zhǔn)點(diǎn)，先在模型上繪制出結(jié)構(gòu)中線線位，將車站斷面沿中線拉伸形成車站結(jié)構(gòu)，然后使用替換面，對(duì)結(jié)構(gòu)連接處進(jìn)行擬合，并進(jìn)行開(kāi)洞操作，以形成地下車站模型(如圖5、圖6所示)。

圖5 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站結(jié)構(gòu)模型

圖6 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站長(zhǎng)大扶梯模型

②大跨段模型

在隧道設(shè)計(jì)中，提出了關(guān)于剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的圍巖自承載體系理論。該理論改變了基于塌落拱理論的結(jié)構(gòu)荷載，從而可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)使用超越100年的目標(biāo)。通過(guò)BIM，形象直觀地展示了支護(hù)體系的構(gòu)成及相互關(guān)系，驗(yàn)證了支護(hù)理論的完備性(如圖7所示)。

圖7 八達(dá)嶺隧道大胯段4.0級(jí)模型

③洞門模型

由于八達(dá)嶺隧道采用特殊洞門結(jié)構(gòu)，故未將洞門列入族庫(kù)，而是直接使用bentley的實(shí)體建立和編輯工具，建立特殊洞門結(jié)構(gòu)模型(如圖8所示)。

圖8 八達(dá)嶺隧道出口洞門

④模型屬性附加

作為BIM模型中的重要一環(huán)，信息對(duì)于BIM模型的使用起著決定性的作用，除了模型本身體現(xiàn)出的幾何信息外，還有一部分非幾何信息需要手動(dòng)附加到模型上(如圖9所示)[5]。

圖9 明洞拱墻襯砌附加屬性

(2)建筑專業(yè)

因當(dāng)前裝修方案還未穩(wěn)定，車站建筑專業(yè)現(xiàn)階段工作為車站軸線定位及內(nèi)隔墻建立。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站洞室布置和排水坡度復(fù)雜，建筑專業(yè)需對(duì)各部分隧道接口處軸線進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以便于隧道專業(yè)進(jìn)行多洞室模型拼裝。

①軸網(wǎng)建立：參照隧道專業(yè)，建立八達(dá)嶺長(zhǎng)城站建筑軸網(wǎng)。充分利用MicroStation軟件的功能，將隧道專業(yè)模型及dwg圖紙參考進(jìn)模型，結(jié)合樓層管理器功能控制高程，保證樓板空間位置的準(zhǔn)確性。繪制時(shí)，可同時(shí)打開(kāi)平面、立面和軸側(cè)面三個(gè)視窗，隨時(shí)檢查空間位置的準(zhǔn)確性(如圖10所示)。

②模型建立：參照隧道專業(yè)，根據(jù)軸網(wǎng)定位及設(shè)計(jì)圖紙，采用ABD(AECOsim Building Designer)進(jìn)行車站內(nèi)隔墻及樓梯建模。

圖10 車站軸線定位及隔墻模型建立

③管線綜合：配合環(huán)控專業(yè)，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)(專業(yè))的管線布置，合理利用管線布置的有限空間，避免施工過(guò)程中各專業(yè)管線“打架”。

④附加信息：對(duì)地下建筑專業(yè)BIM模型中隔墻的非幾何屬性和IFD編碼進(jìn)行添加。

(3) 環(huán)控通風(fēng)專業(yè)

建模內(nèi)容包括出站層通風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)站層通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)以及設(shè)備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)。八達(dá)嶺隧道建模內(nèi)容還包括隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

①構(gòu)件庫(kù)建立：根據(jù)專業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)并結(jié)合工程的實(shí)際需要，建立本專業(yè)的構(gòu)件庫(kù)(如圖11所示)。

②構(gòu)件組裝：根據(jù)站前及建筑專業(yè)提供的模型，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)方案進(jìn)行布放和組裝(如圖12所示)。

③附加信息：對(duì)專業(yè)BIM模型中每一個(gè)構(gòu)件的非幾何屬性和IFD編碼進(jìn)行添加。

④模型優(yōu)化：利用設(shè)備廠家提供的中標(biāo)設(shè)備構(gòu)件模型，優(yōu)化專業(yè)總裝的BIM模型。

5.3 模型碰撞檢查

(1)單專業(yè)模型檢查

①文件名、文件編碼檢查：按照《文件命名及編碼規(guī)則》，檢查本地文件名和編碼是否符合規(guī)則要求。

②無(wú)用構(gòu)件檢查：分別在平面、三維等主要視圖中確定文件是否有遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)內(nèi)容的無(wú)用構(gòu)件；如發(fā)現(xiàn)此類構(gòu)件，必須及時(shí)清除。

③坐標(biāo)檢查：對(duì)將要上傳(檢入)的文件與主文件進(jìn)行坐標(biāo)一致性檢查。

名稱圖示附非幾何屬性軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)類型、是否變頻、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定風(fēng)量、風(fēng)機(jī)全壓、噪聲、質(zhì)量、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)各類風(fēng)閥公稱直徑、公稱壓力、防火等級(jí)、閥門類型、連續(xù)方式、傳動(dòng)方式、閥體材質(zhì)、質(zhì)量、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)多聯(lián)機(jī)室內(nèi)機(jī)是否變頻、額定風(fēng)量、額定功率、額定容量、工作壓力、水量、噪聲、重量、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)多聯(lián)機(jī)室外機(jī)是否變頻、額定風(fēng)量、額定功率、額定容量、工作壓力、水量、噪聲、質(zhì)量、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)機(jī)房專用空調(diào)室內(nèi)機(jī)匹數(shù)、是否變頻、額定容量、額定功率、風(fēng)扇風(fēng)量、冷媒、質(zhì)量、生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)

圖11 環(huán)控通風(fēng)專業(yè)構(gòu)建庫(kù)

圖12 車站設(shè)備區(qū)環(huán)控通風(fēng)BIM模型

④構(gòu)造線隱藏：應(yīng)在視圖控制中關(guān)閉 “構(gòu)造”內(nèi)容。

⑤重疊模型檢查：在三維視圖和光滑模式下旋轉(zhuǎn)模型，檢查是否有閃爍的部分，即常說(shuō)的“破面”情況。如發(fā)現(xiàn)此類情況，需將多余模型刪除或?qū)δＰ瓦M(jìn)行修改。

⑥材質(zhì)檢查：在能夠顯示材質(zhì)紋理的視圖中檢查材質(zhì)是否有缺失和錯(cuò)誤現(xiàn)象。

⑦文件內(nèi)容報(bào)備：如果是上傳文件，將文件名與文件內(nèi)容提交專業(yè)負(fù)責(zé)人進(jìn)行報(bào)備。

⑧IFD編碼檢查：對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行IFD編碼檢查。

(2)多專業(yè)碰撞檢查

對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析，排除合理碰撞，在施工前解決問(wèn)題，減少因碰撞發(fā)生的設(shè)計(jì)變更與廢棄工程(如圖13所示)。

圖13 多專業(yè)碰撞檢測(cè)示意

5.4 模型展示

使用LumenRT對(duì)模型進(jìn)行渲染，創(chuàng)建關(guān)鍵視角，形成整體的漫游動(dòng)畫(huà)，可進(jìn)行隧道、車站內(nèi)部模型的漫游展示(如圖14、圖15所示)。

圖14 車站內(nèi)部模型漫游

圖15 環(huán)形救援廊道救援路線展示

5.5 變更設(shè)計(jì)

在八達(dá)嶺隧道施工過(guò)程中，出現(xiàn)了站臺(tái)板寬度變更設(shè)計(jì)的情況。根據(jù)工程的實(shí)際情況，對(duì)原BIM模型進(jìn)行了修改(如圖16所示)，為下一階段的使用者提供了真實(shí)的模型文件[6]。

圖16 站臺(tái)板變更設(shè)計(jì)模型

6 IFC/IFD標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

6.1 驗(yàn)證鐵路IFC標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)隧道工程進(jìn)行工程分解，創(chuàng)建基于鐵路1.0標(biāo)準(zhǔn)的隧道構(gòu)件庫(kù)，完成現(xiàn)階段《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》的驗(yàn)證工作。

(1)隧道工程分類

根據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》(1.0版)和《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》的要求，以隧道正洞為例，將隧道進(jìn)行分解，其中隧道構(gòu)件(IfcTunnelElement)組成中包含系統(tǒng)錨桿(IfcSystem AncherBolt)、系統(tǒng)鋼架(IfcSystemSteelFrame)、初支噴混(IfcPrimarySupportShotcrete)、襯砌結(jié)構(gòu)(IfcTunnel LiningStructure)、仰拱填充(IfcTunnelInvertFilling)、超前支護(hù)(IfcTunnelAdvanceSupport)。

(2)屬性信息

將鐵路IFC中定義的屬性集作為屬性信息添加到模型中，實(shí)現(xiàn)模型和信息的綁定(見(jiàn)圖17)。

圖17 模型上附加屬性信息

6.2 驗(yàn)證鐵路IFD標(biāo)準(zhǔn)(以隧道專業(yè)為例)

“隧道基本信息”中，幾何信息基本都包含在模型自帶屬性中(bentley軟件)，個(gè)別幾何信息需要間接量取，如小導(dǎo)管的間距等，若用表格表示，則失去三維模型直觀的特點(diǎn)。此信息在二維圖紙中表示更加直觀、準(zhǔn)確。建議在模型交付標(biāo)準(zhǔn)中，探討三維模型結(jié)合二維圖紙的可行性。

“隧道基本信息”中，個(gè)別構(gòu)件劃分不夠準(zhǔn)確。如型鋼鋼架包含多個(gè)單元，在施工中鋼架制作也以鋼架單元為最小單位。建議對(duì)鋼架單元進(jìn)行單獨(dú)編碼。

“隧道基本信息”中，只列出了個(gè)別隧道常見(jiàn)構(gòu)件的IFD編碼。為保證構(gòu)件IFD編碼的唯一性及完備性，應(yīng)探討一種可實(shí)時(shí)申請(qǐng)IFD編碼的方式，比如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行申請(qǐng)，并提供IFD信息的實(shí)時(shí)更新。

“隧道基本信息”中，缺少斜井相關(guān)要求。

7 隧道正向設(shè)計(jì)探索

目前，還很難做到完全意義上的BIM正向設(shè)計(jì)。應(yīng)用BIM進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能夠直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，即模塊化參數(shù)設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化、圖紙與模型相互關(guān)聯(lián)以及同步優(yōu)化等。本項(xiàng)目隧道專業(yè)基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)步驟如下。

(1)在Microstation中繪制出標(biāo)準(zhǔn)斷面，根據(jù)斷面的設(shè)計(jì)原則建立斷面內(nèi)部構(gòu)件間的二維約束，在約束關(guān)系中設(shè)定“變量”、“變化”，使斷面形成參數(shù)化模型(如圖18所示)。

圖18 構(gòu)建斷面參數(shù)化模型

(2)根據(jù)適用的圍巖等級(jí)，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，直接形成不同圍巖等級(jí)的斷面形式(如圖19所示)。

圖19 建立不同圍巖等級(jí)下的隧道

(3)根據(jù)地質(zhì)模型確定的圍巖等級(jí)設(shè)定隧道襯砌里程，通過(guò)修改變量L(襯砌長(zhǎng)度變量)與襯砌斷面類型形成隧道模型(如圖20所示)。

圖20 生成隧道模型

在正向設(shè)計(jì)的研究過(guò)程中，同樣發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題需要解決：①使用參數(shù)化模型建立隧道時(shí)，如遇到與輔助洞室連接，則需要對(duì)正洞模型進(jìn)行開(kāi)洞(將參數(shù)化單元轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型)，但失去了通過(guò)參數(shù)調(diào)整控制模型的條件。②在修改襯砌長(zhǎng)度變量時(shí)，目前還不能選取一段三維曲線模型進(jìn)行敷設(shè)，故在曲線地段時(shí)這種方法無(wú)法使用。③襯砌斷面的選取還不能和地質(zhì)模型相結(jié)合，在之后的研究中可嘗試通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，使襯砌斷面能自動(dòng)接收地質(zhì)模型的信息，從而自動(dòng)調(diào)整為適合該地段的斷面[7-8]。

8 結(jié)論

從三維協(xié)同設(shè)計(jì)入手，逐步在協(xié)同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)以階段性結(jié)果為導(dǎo)向的模型文件狀態(tài)流轉(zhuǎn)；在上下序?qū)I(yè)的模型內(nèi)部實(shí)現(xiàn)深層次的信息傳遞和數(shù)據(jù)交換。通過(guò)加強(qiáng)二次開(kāi)發(fā)力度，提高建模的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。促使設(shè)計(jì)從二維向三維轉(zhuǎn)變，由粗放向精細(xì)轉(zhuǎn)型，提升了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的精細(xì)度，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果的方案優(yōu)化[9-11]。