星火站交通枢纽工程BIM技术应用

1 工程概况

星火站交通枢纽工程的规划总用地面积约为5.44万m²，总建筑面积约13.3万m²，其中地上建筑面积约3.1万m²，地下建筑面积约10.2万m²，是一座集铁路、轨道交通、公交、出租车、网约车、社会车等多种交通接驳方式于一体的综合交通枢纽。

2 工程重点与难点

2.1　复杂深基坑施工风险高，施工组织困难

星火站枢纽施工基坑东邻地铁朝阳站，西侧、北侧邻近现有交通道路，南侧为地铁在施工地，开挖基坑为坑中坑形式，其中枢纽一级基坑开挖深度约19.55~22.22 （基坑长296 、宽158 ），距国铁朝阳站原施工基坑约8 ，二者基坑深度相近，地铁二级基坑开挖深度为22.22~40 ，位于枢纽基坑范围内，M 3线与R 4线纵横向穿越本基坑，M 3线埋深约30 ，R 4线埋深约40 。基坑开挖如图1所示。

图1 基坑开挖示意

2.2 钢结构体量大，结构复杂，施工组织困难

本工程地上结构体系为钢结构，总用钢量约12400t，其中枢纽部分有2根曲面结构相连的钢柱，为树状柱托起屋盖，节点构造复杂，尺寸大，给钢构件制作及安装带来了较大的困难。同时，本工程为超大型综合工程，钢结构、安装、混凝土施工、幕墙以及设备安装各专业均紧密相关，互相影响，存在大量交叉施工。

2.3 交通枢纽与地铁同期施工，施工组织困难

交通枢纽与地铁分界按投资界面划分，平面及立面均存在交叉施工。交通枢纽工程体量大、标准高、专业多、协调组织复杂、工期紧张。工程涉及施工内容多，包括房建、机电、市政道路；需要协调、配合的外部单位多，包括电力、燃气、热力、道路、地铁等，配合难度大。且周边施工场地狭小，施工基坑东临地铁朝阳站，西北两侧邻近现有交通道路，南侧为地铁在施工地，施工占地红线区域：基坑占地区域面积为1.08∶1。

3 复杂深基坑邻近既有结构施工BIM技术应用

3.1 复杂深基坑邻近既有结构施工有限元分析

枢纽地铁一体化复杂深基坑包括4种标高，分别是–12.000m、–20.000m、–30.000m、–40.000m。基坑支护形式包括地下连续墙+预应力锚索、地下连续墙+环形混凝土支撑、地下连续墙+对撑（钢支撑、混凝土支撑）、双排桩支撑4种支护形式。基坑紧邻已运营国铁朝阳站，最近距离8m。

为保证复杂深基坑安全，减少复杂深基坑施工对国铁朝阳站影响。项目根据图纸、地勘报告、施工组织设计等数据，采用基于有限元的midas GTS（ANSYS）软件建立模型，对枢纽施工全过程进行方案模拟。根据模拟分析结果，提出以下方案优化意见：（1）优化支护设计方案，对于基坑东侧地下连续墙悬臂过高部位，设置连系梁与既有国铁朝阳站围护结构连接；（2）优化施工方案，邻近国铁朝阳站侧基坑土方采用分层分块开挖，及时施作预应力锚索；（3）优化监测方案，确定国铁朝阳站变形最大处，确定监测预警值，增加监测点数量和监测频率。

3.2 基于BIM技术的可视化编程地层分析

为了确保前期土方施工阶段的顺利进行，本项目利用dynamo可视化编程技术，将勘探钻孔数据转化为地层地质模型，分析地层情况，防止因出现特殊地质情况导致发生安全生产事故，或因出现硬质岩层而产生额外成本等。项目利用dynamo可视化编程技术编程，使导入的地勘数据形成多个地形表面，整合多个地形表面形成地层实体模型，通过分析地层地质模型，提前制订施工应急预案及土方开挖方案。

3.3 一体化基坑土方开挖阶段BIM模拟

枢纽与地铁利用Revit组织土方一体化筹划，合理规划±0~–40m范围土方开挖施工组织，确定马道留设位置及留设时间，在–12m、–20m穿插施作基础桩，–30m、–40m基础桩提前在–20.000m标高施作，可减少施工工序穿插，有效提高土方开挖施工速度，减少工期和施工机械投入。

3.4 环撑分段拆除有限元分析

双环撑拆除位于施工关键线路上，提前拆除双环撑或减少环撑拆除，对整体工期提前具有重要意义。项目利用ANSYS有限元软件分析拆除部分环撑产生的应力，通过设置倒撑实现环撑提前拆除。

大环撑结构安全评估分析采用有限元软件ANSYS，用梁单元Beam3模拟大环撑结构，用弹簧单元Link10（只受压）等效模拟中间圆环支撑相连接的支撑作用。对弹簧单元外部施加固定约束，对梁单元施加荷载，计算得到环撑结构内力及传力支座反力，并检算环撑结构安全系数是否满足规范要求。环撑部分拆除有限元分析如图2所示。由变形结果显示，施加传力支座拆除北侧后变形最大处位于东南角部位，为13.641 mm，此处也是荷载最大部位。

图2 环撑部分拆除有限元分析

（a）变形图；（b）弯矩图；（c）轴力图；（d）剪力图

4　大跨度钢结构网壳屋架施工全过程信息化管理

4.1 设计阶段BIM技术应用

由于枢纽大厅大跨钢结构屋盖的结构体系较复杂，在项目设计阶段采用ABAQUS软件进行整体结构稳定性分析，并建立MIDAS模型导入Revit和rhino模型，多专业协同设计。设计阶段生成的可视化模型提高了方案沟通效率，为施工阶段钢结构深化设计奠定了技术基础，有助于快速了解设计意图，避免重复建模，提高了深化设计效率，减少了人员及软硬件投入。

4.2 方案比选阶段BIM技术应用

本工程工期紧，场地狭小，钢结构从土建作业面交付到钢结构完工仅4.5个月。结合现场场地情况提出了4种不同钢结构施工方案模拟分析，利用MIDAS模型计算施工荷载，利用3D max辅助决策，确定北侧滑移施工方案可以解决施工场地狭小问题，总工期节约40d，临时拼装胎架由±0调整至3.6m，减少措施钢支撑用量2000t。

4.3 深化设计阶段BIM技术应用

钢结构体系复杂，网格柱、斜柱、V形撑等支撑结构节点形式复杂。枢纽区屋盖平面尺寸146m×146m，总重量5500t大跨度钢结构网壳屋架滑移施工，利用MIDAS模型对滑移方案进行精细化施工分析。

4.4 加工阶段BIM技术应用

本工程体量大、构件数量多、规格杂，构件标识及合理进场顺序是加工厂及现场重要衔接点。钢结构采用工厂预制化加工，利用构件信息化管理技术（数字钢构管理系统和构件二维码标识系统），对构件的生产计划及进度监控、成品管理、包装发运及现场收货进行管理，实现对构件信息的追溯管理，使加工厂和现场有效对接，以达到事半功倍的效果。

4.5 现场施工阶段BIM技术应用

现场施工过程应用钢结构内力及滑靴同步滑移自动化监测、焊接机器人、三维扫描技术辅助现场管理，有效提高焊接质量，可减少人员高空作业，保证人员安全，并可辅助金属屋面专业精细化加工，节约成本。

5 枢纽与地铁同期施工BIM技术综合应用

5.1 承接设计模型

收集整理全专业设计模型，通过可视化信息模型，充分了解设计意图。以结构专业模型为基础链接建筑专业、机电专业、钢结构专业等多专业模型，发现图纸问题，提出优化方案，避免重复建模，提高沟通效率。

5.2 全专业深化设计

项目针对大跨度菱形网壳钢结构及金属屋面施工困难、专业衔接多等特点。利用Tekla、Rhino、Revit等软件对各专业模型进行深化设计，用于指导构件加工，将复杂节点按照实际施工情况进行BIM模型建立，以三维可视化的形式将图纸中的二维复杂节点向现场施工作业人员进行展示，方便人员理解与现场施工。并将BIM作为工具，直接用于施工方案的编制，检查方案的不足，协助施工人员充分理解和执行方案。

5.3 管线综合及碰撞检查

针对项目电气设备类型多、数量多、管线多且复杂等问题，运用BIM技术在施工过程中进行综合管线碰撞检查、整改，以达到优化的目的。总结了BIM技术进行碰撞分析的流程和技术。针对工程管线综合安装工程中存在的问题，有效提高建设效率，减少资源浪费。基于设计图纸分别创建暖通、给排水、电气、弱电、空调等机电单专业模型，通过Navisworks平台实现枢纽区土建、钢结构、机电多专业模型的整合，并针对施工中机电自身管线、机电与其他专业之间的碰撞进行检查分析，导出碰撞分析报告，通过管线综合实现模型优化。

5.4 施工方案模拟

在施工模型的基础上附加建造过程、施工顺序等信息，进行施工过程的可视化模拟，并充分利用建筑信息模型对方案进行分析和优化，提高方案审核的准确性，实现施工方案的可视化交底。

5.5 三维技术交底

基于三维的施工方案交底，使班组清晰直观地快速了解施工方案关键点。通过二维码技术，可现场实时查看交底内容。

5.6 狭小施工场地BIM技术应用

（1）BIM技术辅助全阶段施工场地布置。通过引人BIM技术，对本工程的施工场地进行科学合理的规划，在有限的区域内布置办公区、生产区、材料堆放场所、垂直运输机械、临时道路等，从而减少占用施工场地，保证现场道路通畅，避免二次搬运以及施工便利，提高工程项目的精细化管理水平。

（2）BIM技术辅助钢结构利用既有楼面作为拼装场地。通过荷载验算及施工方案模拟，将物料加工区布置于北侧公交停车楼结构面上，钢结构采用滑移法施工，利用北侧公交停车楼3.6m结构楼面作为钢结构拼装场地，可节约施工场地、减少钢结构施工措施量及临时设施投入。

（3）预制化加工。现场工程体量大，施工场地狭小，现场钢筋加工及物料存放无法满足施工要求。项目将钢筋、钢结构构件等材料应用于工厂预制化加工。运用BIM技术对复杂节点精细化建模，指导工厂加工。钢筋智能加工的应用，最大限度地利用钢筋原材，减少废料产生。钢筋加工质量整齐可控，精度高。大幅减少了现场用地面积和施工人员，在极端天气可持续保障材料输出。

6 结束语

BIM技术在星火站交通枢纽工程施工中的应用，解决了复杂深基坑邻近既有结构施工、大跨度钢结构网壳屋架施工、TOD模式枢纽地铁一体化施工等难题。BIM技术的应用使项目顺利按期履约，并创造经济效益约300万元，实现了设计意图，得到了业主的高度认可，取得了良好的社会效益。项目总结的一种在TOD模式下一体化快速施工的施工方法，对于今后类似工程施工具有示范作用。