来源: 铁路BIM联盟
八达岭长城站是我国第一座深埋地下的高铁车站,车站由80多种洞室组成。为了提高设计效率和信息交流的准确性,采用了BIM设计。
八达岭长城站为新建北京至张家口铁路的中间站,位于北京市延庆县境内八达岭滚天沟停车场下新八达岭隧道内。车站中心里程为DK68+050,到发线有效长650m,车站有效站台长450m,车站总长470m,地下建筑面积约为4. 1×104㎡。
八达岭长城站效果
八达岭长城站是目前国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站。车站层次多、洞室数量大、洞型复杂、交叉节点密集;车站两端渡线段单洞开挖跨度达32. 7m,是目前国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道。
八达岭长城站采用了诸多创新设计:采用叠层进出站通道形式,实现了进出站客流完全分离且进出站口均匀布置;首次采用环形救援廊道设计,使其具备了紧急情况下快速无死角救援的条件;采用一次提升长大扶梯及斜行电梯等先进设备,极大地方便了旅客出行;采用精准微损伤控制爆破等先进技术,消除了对文物和环境的不利影响。体现了“古老传统的历史长城,包容创新的人文京张”的核心设计理念,达到了“安全、流畅、明确、便捷、关怀、舒适、美观、文明”的设计目标。为了提高设计效率,本项目采用了BIM协同设计。
目前, 市面上主要的软件平台有Autodesk、Bentley、Dassault。其中,Autodesk平台下的Revit主要应用于工民建领域,优点是建筑构件库较多,相关二次开发内容也比较完善,学习资料也较多,缺点是对于铁路工程这种长大带状工程的支持较差,并且对于三维曲线元素的支持不足。Bentley平台的优点是对于大体量工程支持比较好,并且支持三维曲线元素,缺点是资料较少,二次开发成果较少,二次开发难度大。Dassault平台的优势在于建模能力、参数化及三维仿真能力,缺点主要为缺少铁路行业相关配套软件支持,且对大体量模型处理效率低。综合各方面分析,选择Bentley 软件作为BIM平台。
BIM应用软件
BIM协同平台建设
通过Bentley的协同工作管理平台ProjectWise,对各专业进行实体工程划分,形成适合信息化管理的单元,配置相关设计人员,设置不同的管理权限。项目内各专业人员同步进行设计,实现模型的实时更新,确保设计工作合理、有序、高效。
工作环境建立
- 在ProjectWise 上建立项目所需的模板库、族库、资源及标准配置。
- 建立项目结构树,按规范命名并建立关键文档,基于《铁路工程实体结构分解指南》,对项目模型进行分解及装配。
- 建立项目组成员,并按角色设定相应的权限。
工作流程管理
- 制定设计阶段和施工阶段的BIM实施流程。
- 设定平台工作流程。
协同平台工作流程示意
协同设计
- 各专业之间资料互用、共用。
- BIM设计中各专业的关联引用与变更。
- 各专业模型的组装及层次关系管理。
模型及文件管理
- 各专业模型及总装模型的查看。
- 模型及构件属性的查看。
- 文件查看、查找及版本历史管理。
最后,在建模过程中逐步建立各专业的族库。BIM建立
建模精度
按照《铁路工程信息模型交付精度标准》的规定与要求,采用铁路工程信息模型LOD3. 0级精度进行模型设计。单元实体几何精度等级的划分应符合《铁路工程信息模型表达标准》中模型等级的相关要求。
几何精度等级
属性信息包括几何信息和非几何信息:几何信息包含构件长度,体积等信息;非几何信息宜根据实际应用需求进行分解,部分数据可采用非结构化方式存储,并附加到铁路工程信息模型中(如环境评价、经济参数等)。模型单元属性的信息深度应符合下表。
信息深度等级
如模型以轻量化方式进行项目建设管理,允许模型单元以低几何精度和高信息深度存在。
建模工作
项目各专业可以具有不同的技术实施路线,但所有专业BIM模型的建模坐标应与实际工程坐标保持一致,如采用轴网坐标系建模时,应提供轴网坐标系与实际工程坐标的转换关系信息。模型单元应以模型中心点或者特征点为原点,可基于工程坐标实现在协同平台的整体拼装。
隧道专业
首先将单个隧道拆分为多个工点,建立隧道专业单元库及模型,并组装全隧道模型。
隧道工点的拆分:依据设计工区的划分,从模型规模及计算机承载能力的角度出发,将长度及复杂程度较大的模型分解为长度较小的模型,形成较小的工点。单元库包含隧道断面、辅助措施、初期支护、特殊构件。依据设计图纸,利用单元库形成各工点模型,最后形成全隧道模型。
①洞身模型
使用PowerCivil,建立正线线路、斜井线路的三维曲线模型。
将线路三维空间模型参考进隧道模型文件,从单元库中选定参数化断面,使用二次开发工具,利用参数化驱动形成断面并沿线路敷设,最终生成隧道洞身模型。通过BIM建模,可以精细化描述隧道支护措施间的相互关系。
完整隧道洞身模型
隧道剖切模型
以八达岭长城站结构断面底板顶中线为基准点,先在模型上绘制出结构中线线位,将车站断面沿中线拉伸形成车站结构,然后使用替换面,对结构连接处进行拟合,并进行开洞操作,以形成地下车站模型。
八达岭长城站整体模型
八达岭长城站长大扶梯模型
②大跨段模型
在隧道设计中,提出了关于刚柔并济、多重防护的围岩自承载体系理论。该理论改变了基于塌落拱理论的结构荷载,从而可实现设计使用超越100年的目标。通过BIM,形象直观地展示了支护体系的构成及相互关系,验证了支护理论的完备性。
八达岭隧道大胯段4. 0 级模型
③洞门模型
由于八达岭隧道采用特殊洞门结构,故未将洞门列入族库,而是直接使用bentley的实体建立和编辑工具,建立特殊洞门结构模型。
八达岭隧道出口洞门
④模型属性附加
作为BIM模型中的重要一环,信息对于BIM模型的使用起着决定性的作用,除了模型本身体现出的几何信息外,还有一部分非几何信息需要手动附加到模型上 。
明洞拱墙衬砌附加属性
建筑专业
因当前装修方案还未稳定,车站建筑专业现阶段工作为车站轴线定位及内隔墙建立。八达岭长城站洞室布置和排水坡度复杂,建筑专业需对各部分隧道接口处轴线进行准确定位,以便于隧道专业进行多洞室模型拼装。
①轴网建立:参照隧道专业,建立八达岭长城站建筑轴网。充分利用MicroStation软件的功能,将隧道专业模型及dwg图纸参考进模型,结合楼层管理器功能控制高程,保证楼板空间位置的准确性。绘制时,可同时打开平面、立面和轴侧面三个视窗,随时检查空间位置的准确性。
车站轴线定位及隔墙模型建立
②模型建立:参照隧道专业,根据轴网定位及设计图纸,采用ABD(AECOsim Building Designer) 进行车站内隔墙及楼梯建模。
③管线综合:配合环控专业,协调各系统(专业)的管线布置,合理利用管线布置的有限空间,避免施工过程中各专业管线“打架”。
④附加信息:对地下建筑专业BIM 模型中隔墙的非几何属性和IFD 编码进行添加。
环控通风专业
建模内容包括出站层通风系统、进站层通风系统、设备区通风系统以及设备区空调系统。八达岭隧道建模内容还包括隧道通风系统。
①构件库建立:根据专业系统架构并结合工程的实际需要,建立本专业的构件库。
环控通风专业构建库
②构件组装:根据站前及建筑专业提供的模型,按照图纸设计方案进行布放和组装。
车站设备区环控通风BIM模型
③附加信息:对专业BIM模型中每一个构件的非几何属性和IFD编码进行添加。
④模型优化:利用设备厂家提供的中标设备构件模型,优化专业总装的BIM模型。
模型碰撞检查
单专业模型检查
①文件名、文件编码检查:按照《文件命名及编码规则》,检查本地文件名和编码是否符合规则要求。
②无用构件检查:分别在平面、三维等主要视图中确定文件是否有远离设计内容的无用构件;如发现此类构件,必须及时清除。
③坐标检查:对将要上传(检入)的文件与主文件进行坐标一致性检查。
④构造线隐藏:应在视图控制中关闭“构造”内容。
⑤重叠模型检查:在三维视图和光滑模式下旋转模型,检查是否有闪烁的部分,即常说的“破面”情况。如发现此类情况,需将多余模型删除或对模型进行修改。
⑥材质检查:在能够显示材质纹理的视图中检查材质是否有缺失和错误现象。
⑦文件内容报备:如果是上传文件,将文件名与文件内容提交专业负责人进行报备。
⑧IFD 编码检查:对所有构件进行IFD编码检查。
多专业碰撞检查
对碰撞点进行分析,排除合理碰撞,在施工前解决问题,减少因碰撞发生的设计变更与废弃工程。
多专业碰撞检测示意
模型展示
使用LumenR对模型进行渲染,创建关键视角,形成整体的漫游动画,可进行隧道、车站内部模型的漫游展示。
车站内部模型漫游
变更设计
在八达岭隧道施工过程中,出现了站台板宽度变更设计的情况。根据工程的实际情况,对原BIM模型进行了修改,为下一阶段的使用者提供了真实的模型文件。
站台板变更设计模型IFC/IFD标准验证
验证铁路IFC标准
对隧道工程进行工程分解,创建基于铁路1. 0标准的隧道构件库,完成现阶段《铁路工程信息模型数据存储标准》的验证工作。
根据《铁路工程信息模型数据存储标准》(1. 0版)和《铁路工程信息模型交付精度标准》的要求,以隧道正洞为例, 将隧道进行分解, 其中隧道构件(IfcTunnelElement) 组成中包含系统锚杆(IfcSystemAncherBolt)、系统钢架(IfcSystemSteelFrame)、初支喷混( IfcPrimarySupportShotcrete)、衬砌结构( IfcTunnelLiningStructure)、仰拱填充(IfcTunnelInvertFilling)、超前支护(IfcTunnelAdvanceSupport)。
将铁路IFC中定义的属性集作为属性信息添加到模型中,实现模型和信息的绑定。
模型上附加属性信息
验证铁路IFD 标准(以隧道专业为例)
“隧道基本信息”中,几何信息基本都包含在模型自带属性中(bentley软件),个别几何信息需要间接量取,如小导管的间距等,若用表格表示,则失去三维模型直观的特点。此信息在二维图纸中表示更加直观、准确。建议在模型交付标准中,探讨三维模型结合二维图纸的可行性。
“隧道基本信息”中,个别构件划分不够准确。如型钢钢架包含多个单元,在施工中钢架制作也以钢架单元为最小单位。建议对钢架单元进行单独编码。“隧道基本信息”中,只列出了个别隧道常见构件的IFD编码。为保证构件IFD编码的唯一性及完备性,应探讨一种可实时申请IFD编码的方式,比如通过网络进行申请,并提供IFD信息的实时更新。“隧道基本信息”中,缺少斜井相关要求。隧道正向设计探索
本项目隧道专业基于BIM技术的正向设计步骤如下。
在Microstation中绘制出标准断面,根据断面的设计原则建立断面内部构件间的二维约束,在约束关系中设定“变量”、“变化”,使断面形成参数化模型。
构建断面参数化模型
根据适用的围岩等级,通过参数调整,直接形成不同围岩等级的断面形式。
不同围岩等级下的隧道
根据地质模型确定的围岩等级设定隧道衬砌里程,通过修改变量L(衬砌长度变量)与衬砌断面类型形成隧道模型。
生成隧道模型
在正向设计的研究过程中,同样发现了许多问题需要解决:
- 使用参数化模型建立隧道时,如遇到与辅助洞室连接,则需要对正洞模型进行开洞(将参数化单元转换为实体模型),但失去了通过参数调整控制模型的条件
- 在修改衬砌长度变量时,目前还不能选取一段三维曲线模型进行敷设,故在曲线地段时这种方法无法使用
- 衬砌断面的选取还不能和地质模型相结合,在之后的研究中可尝试通过二次开发,使衬砌断面能自动接收地质模型的信息,从而自动调整为适合该地段的断面
从三维协同设计入手,逐步在协同平台上实现以阶段性结果为导向的模型文件状态流转;在上下序专业的模型内部实现深层次的信息传递和数据交换。通过加强二次开发力度,提高建模的自动化程度,实现参数化设计。
内容来源:
铁路BIM联盟成员单位——中铁工程设计咨询集团有限公司