BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

2021年3月24日
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依托京雄城际铁路,以数字化、信息化为手段探索智能建造、精细管理的新模式

    可行性研究、初步设计阶段

建立北京新机场至雄安站全部工程结构的LOD2.0地理模型和地质模型,为方案比选、结构布置以及施工图精度模型的建立提供基础数据,利用三维GIS功能,实现虚拟踏勘,同时利用低精度模型轻量化的特点,进行设计方案的快速比选,辅助方案设计。

    施工图设计阶段

利用卫星影像、航空摄影以及无人机摄影数据,叠加全线、全专业LOD3.0模型,重点工程LOD4.0模型,建立全线的三维可视化场景,实现线位两侧200m范围地形地貌和铁路设施设备的精细化展示,包含河流、房屋、高速公路和国道信息。

将大型临时设施、施工便道设计成果以三维模型的形式展示,并建立信息查询目录,方便设计成果的查看。利用三维GIS的分析计算功能,结合施工组织设计,辅助开展大型临时设施、施工便道选址设计等,完成弃土场、梁场等大型临时设施选址20余处。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

大型临时设施场地布置模型

针对雄安特大桥七线并行段存在线间距小、设计边界条件复杂、多线桥共基础且多线桥间施工组织困难、桥面板悬臂切割工艺复杂等问题,采用三维BIM模型准确模拟桥梁结构相对空间关系,既可以指导多线桥曲线布置、辅助桥面设计,又可优化多线桥施工组织方案。

在机场2号隧道出口的路隧过渡段、隧道洞门与路堑主体结构之间、隧道边仰坡防护结构与路堑边坡防护结构之间施工和系统排水设计均非常复杂,开展三维BIM设计,校核结构方案。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

雄安站为桥式站。基于BIM技术优化站房结构与桥梁结构之间、桥梁结构与站台梁之间、站房内部各专业结构之间的位置关系,规避不必要的冲突。站场咽喉区道岔梁多且布置困难。基于BIM技术对站场布置方案进行设计,优化多线之间、道岔梁与相邻桥梁之间的位置关系,实现站场方案的优化。

    协同管理

    基于BIM+GIS一张图的建设管理系统

利用BIM+GIS技术,综合三维设计信息、线路周边环境信息和工程现场施工数据,汇总形成京雄城际铁路建设管理综合数据库,并根据业务层级(领导层、执行层)、岗位设置(工程部、安全质量部、物资部、计划财务部、综合部)和管理维度(进度、成本、质量、安全、投资)分类形成标准数据模块,为建设管理提供指导和依据。

基于BIM+GIS一张图的建设管理系统主要面向各级建设管理者。数据内容主要包括卫星航拍影像数据、无人机实测数据、BIM模型数据,以及工程管理平台1.0汇集的各类质量、进度、安全动态数据等。利用BIM+GIS技术形成多维度的可视化的数据视图,制定不同比例尺下模型和信息的展示标准,实现宏观、中观、微观的快速切换和室内室外的自然过渡。主要的建设管理功能如下:

1)具备进度、质量、安全、投资、环保等管理功能,其中进度管理为实际进度和计划进度的比对情况,以及影响进度的关键卡控点信息;质量管理方面为原材料试验结果以及工程实体、大型临时工程、施工作业质量和质量报检结果的分级分类展示;安全管理方面为主要风险管控点的分级分类展示。

2)通过设计交付模块实现设计成果的存储、展示和转发。

3)统一定义了项目、工程实体、组织机构、人员等信息的基础编码,为施工管理系统提供数据接口,通过数据接口实现与施工管理系统的数据共享。

    基于BIM的施工管理

为更好发挥各施工企业在智能建造领域的自主创新性,首次在全路尝试采用“建设管理+施工应用”两级系统。施工应用主要服务施工单位的日常管理,使用建设管理系统统一的基础数据编码,将施工现场的主要信息通过数据接口提交至建设管理系统;主要功能包括施工标段的进度、质量、安全管理等。各标段结合自身的管理需求和工程特点,在满足统一技术要求的基础上,发挥自身能动性研发施工应用。通过统一登录认证,接入到建设管理系统,有力推动了标段精细化管理进程。

    基于文档系统的在线协同

文档系统的目标是实现建设过程中各类文件的线上管理,同时实现各类过程文件的数字化管理,为后续数字化归档奠定基础。若有些资料按照建设项目档案管理办法不具备电子归档条件,可采用机打手签的方式进行纸质归档管理。

文档系统主要包括文档模板管理、文档实例支撑服务和工程资料库管理3部分。其中,文档模板管理主要实现铁路工程建设过程中表、文的格式管理,统一建设过程中格式文档的版式;文档实例支撑服务为各个业务系统提供统一的文件存储服务、文件流转服务、快速的格式转换服务、全文检索服务、文档签章服务;工程资料库管理主要提供面向个人的文件柜和面向各级建设管理机构的资料库和归档库。在京雄城际铁路试点应用过程中,有效提升了文档流转办理的效率,同时避免了文档分散在个人电脑上,造成检索利用、归档管理不佳等情况。

    监理业务数字化

监理业务管理系统主要包括统计看板、诚信信息、监理日志、平行试验、监理指令、监理月报、人员管理等。

通过监理业务管理系统平台端和移动端,实现监理业务的在线管理,通过监理日记、旁站记录等填报功能进行标准化语句的设置,监理工程师可通过标签功能选择填报范本,改变了原有传统手工填写不规范、格式不一致等现象,同时提高了填报效率。通过手机移动端定位打卡、现场拍照等功能,确保监理工程师在岗履约,有效规范了监理行为,提高了监理业务的管理水平。

    环水保管理数字化

环水保管理系统包含基础信息、综合管理、主体工程、临时工程、取弃土场、环保工程、竣工验收7个功能。实现对建设项目环水保管理过程数据、基本工作流程、关键环节、资料档案等的全面系统管理。通过环保管理系统,实现京雄城际铁路环保工作的在线管理,及时收集建设过程中环保数据,通过统计分析功能发现问题并整改处置,不仅为环保管理决策提供了数据支持,而且有利于环保过程文件的归档、验收资料的汇总。

积极采用物联网、遥感监测等新技术,利用环境监测系统监测大气颗粒物、噪声等指标;利用水质监控系统监测COD,TOC,SS,NH3,pH等相关指标变化情况;利用地下水监控系统实时监控地下水水位、流量、区域降雨量等关键信息。探索利用多时相的遥感影像,基于深度学习和面向对象的遥感数据分类方法,对地形、植被、土壤类型等水土流失因子进行自动识别,并结合遥感影像包含的三维数据信息对水土流失、植被生物量等进行统计分析,实现水土流失、生态监测的辅助评估。

    四电工程接口管理在线协同

研发基于BIM的四电工程接口管理系统,将站前土建施工单位和站后四电施工单位互检和交接检时线下互提纸质表格变为在线业务协同,减小施工协调难度,提高施工管理水平。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

四电工程接口检查系统功能架构

通过梳理站前工程各专业和四电工程专业接口台账,依据综合接地、接触网支柱基础、无砟轨道绝缘处理、各类过轨管道、电缆上下桥锯齿孔、电缆槽、手孔等接口工程进行分类,并利用BIM模型建立接口工程的三维虚拟样板,将施工作业指导书和检查要点与模型关联,并在BIM模型上进行动态标注。

施工过程中,利用BIM模型指导站前施工单位进行接口施工;施工完成后,依据BIM模型和国家、行业标准以及每条线的设计要求,指导施工和监理单位检查验收,发现问题立即整改,减少专业间的矛盾和冲突。四电施工单位进场后,也可根据四电接口BIM模型进行检查,能够快速建立接口类型台账,定位接口位置,若发现问题要求站前施工单位进行整改。

    智能化工厂和工地

京雄城际铁路在标准化与数字化融合方面开展了更广泛的探索和实践,尤其是在工厂和工地数字化方面。

    冬季施工温度监测系统

针对冬季气温低、施工保温困难,混凝土工程易产生冻胀、裂纹、表面结霜等质量问题,结合冬季施工质量控制难点,在混凝土拌和、施工养护环节应用温度监测系统,掌握混凝土施工养护各个环节的温度变化情况,确保混凝土不受冻。具体措施主要包括:

1)在原有拌和站系统基础上,对料仓温度、出料口温度进行监测,并适当延长拌和时间,确保混凝土拌和温度满足要求。

2)在浇筑和养护环节,对现场保温棚进行实时温度监测与预警。根据结构具体尺寸、形式和浇筑方向,确定测温点的布置方法。利用信息化手段提高冬季大体积混凝土温度变化的预测分析能力,通过合理设置后浇带,削减温度应力,预防温度裂缝产生,确保冬季施工质量。

    基于BIM的连续梁转体施工监测

在连续梁转体施工过程中,影响桥梁线形、主梁内力和位移的因素众多。为了使转体之后的各段梁体及成桥线形达到要求,保证施工质量和安全,在转体过程中必须进行严格监控。

建立转体桥梁的BIM三维可视化模型。将现场监测的风速、应力、应变、转速、环境温度等参数输入模型,对桥梁施工进行监测与预警,模拟展示转体过程,为现场施工提供参考。该系统在跨廊涿高速特大桥(72+128+72)m连续梁施工中应用,该工点采用支架现浇+转体施工工艺。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

转体过程模拟

    大体积混凝土自动温控系统

温度应力引起的裂缝对结构的承载力、防水性能和耐久性都会产生很大影响。建立大体积混凝土结构BIM模型,优化温度监测点和水管的埋设路径,应用混凝土自动温控系统,实时监测温度变化,自动调整通水量,排出混凝土内部大量热量,降低芯部温度,有效控制内外温差,防止混凝土出现有害温度裂缝。温度监测系统如图5所示。该系统在跨106国道支架现浇连续梁525#、南大堤57#主墩承台施工中得到应用。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

大体积混凝土温度监测系统

    小型预制构件厂管理

为确保预制构件的质量,所有小型预制构件全部在预制场集中预制和养护,再运输至现场施工。小型预制构件厂采用预制件生产管理系统,主要实现智能化生产的追踪、监督、控制与管理,包括车间作业计划、现场作业管控、物资设备管理等功能,提高预制件质量和外观效果,减少质量通病的发生。该系统与建设管理系统互联,实现数据实时上传,方便各参建单位、各级领导随时掌握现场施工动态及施工进展情况。

    基于BIM技术的智能梁场管理

在京张铁路梁场管理系统的基础上,全面推广智能建造新技术,打造基于BIM的智能梁场。

智能梁场生产管理系统的特点:

1)基于BIM技术,面向梁场的生产过程、进度控制和质量安全,建立全过程控制和管理的梁场综合管理平台,集成拌和站生产过程管理、试验室管理、自动张拉、自动压浆、自动静载试验、自动喷淋、视频监控等系统相关数据,有效消除“信息碎片”和“信息孤岛”,实现原始资料一次录入、全过程共享,有效减少施工单位的重复录入工作;支持内业资料自动生成和梁体制、运、架全过程质量管控和追溯管理。

2)大力开展智能核心装备的研发与应用,探索钢筋加工、焊接、运输成套技术,建立以BIM为核心的钢筋自动加工成套技术,推进钢筋网片焊接数字化、自动化,实现钢筋半成品“货架式”管理、自动化运输和钢筋加工配送的智能化,将作业人员由常规30人减至10人以内。

3)持续推进梁体提、运、架设备的智能化,应用定位导航系统,并结合胎压监测、雷达预测障碍物报警、视频监控等信息化手段实时监测预警,保障运架安全。采用精准落梁系统,通过控制千斤顶来实现支座反力与位移的自动调整与锁定。

    少人化的板厂生产管理

京雄城际铁路河间轨道板厂采用流水机组法生产,各工序通过“生产控制中心”集中智能控制,通过自动张拉、放张设备实现数据自动采集和上传,通过智能养护系统实现养护池内温度自动监测与控制,应用3D智能检测系统实现了轨道板几何尺寸自动检测及分析。全面启用板厂生产管理系统,实现了张拉、浇筑、蒸养、放张、水养、验收等工序的信息采集。逐步有序推进板厂生产的自动化、少人化。

目前已经完成12道工序中8道工序的自动化升级,剩余混凝土自动布料、钢筋骨架安装、预应力钢筋安装、钢筋绝缘检测4个工序正在试验调试,全部升级到位后,预计作业人数由原来50人减至15人以内。

    路基施工智能化

在路基施工方面探索路基碾压的无人化,集成北斗定位、路基连续压实等技术,通过路径规划和连续压实检测技术,实现无人碾压,并对不合格区域进行自动补压。利用图像识别技术实现填料组分的自动识别,基于电阻率法实现填料含水率的实时随车检测。

BIM智能建造技术在京雄城际铁路的应用

    接触网智能预配管理

利用BIM技术,结合接触网腕臂预配、吊弦预配等深化设计的具体需求,研发接触网工厂化预配管理系统。通过导入设计的几何信息和现场测量数据,自动计算接触网各配件的几何尺寸,自动生成预配件的BIM模型和二维图纸。在预配车间一次性完成上料、定位、打孔、装配等全流程,杜绝返工,减少人力和材料的浪费。同时利用二维码技术开展过程追溯,实现进场验收、使用批次、出库验收、现场安装等过程管理。发生质量问题时可追查厂家、进场批次等信息。

利用BIM技术优化了设计方案,提高了设计质量。利用协同管理平台有效提升了建设管理协同效率和能力。工厂和工地大量采用智能化管控系统,优化了作业工序,确保了作业质量,提升了作业效率。智能建造技术在京雄城际铁路的成功应用对于提高铁路工程安全和质量水平,降低劳动强度、加快建造速度、实现绿色建造和节能减排具有重要意义,在后续工作中,还需对全寿命周期数字化管理、装备智能化等领域开展更深入的探索。

内容来源:

铁路BIM联盟成员单位——中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所

解亚龙,王万齐,杨斌.

智能建造技术在京雄城际铁路的应用[J].铁道建筑.

(铁路BIM联盟文章,转发请注明出处)

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