建筑技术丨综合交通枢纽工程智能建造关键技术研究与应用

1 工程概况

1.1 项目概况

北京城市副中心站综合交通枢纽工程位于北京市通州区杨坨地区，该枢纽工程铁路核心区部分分为3层，铁路核心区面积为190 374 平方米。地下1层层高12 m，其功能主要为进站及公共服务。地下2层层高8.4 m，为候车、出站层。地下3层为站台层，层高9 m。车站剖面如图1所示。

图1 车站剖面示意

1.2 工程重难点

城际车站工程投资规模较大、空间结构复杂，且专业信息量庞大、协调难度极高，项目实施重难点主要分布在以下几个方面。

（1）本项目建筑面积大，基坑深，结构复杂，涉及的专业和领域众多。同时，本项目的施工场地环境复杂，导致工程组织筹划难度较大。

利用BIM技术对复杂节点进行深化设计，利用三维可视化特性方便各专业对接，同时结合倾斜摄影技术进行场地布置，合理规划施工要素。

（2）本项目意图打造出合理、美观、舒适、绿色的国际一流交通枢纽站，因此对空间布局及效果、环境舒适度和碳排放等要求较高。利用BIM技术的可视化特性，开展方案比选与优化，以保证方案效果，打造国际一流交通枢纽站水平。

（3）本项目基坑体量较大，基坑土方量超多，对基坑工法和工筹造成了很大影响，且对主体及地下围护结构的施工精度要求较高，增加了施工难度。利用BIM技术进行三维可视化交底，展示施工方案细部构造、施工顺序等内容，以保证施工质量，同时结合放样机器人进行智能放样，保证施工精度。

（4）本项目共有2个标段，有4家设计单位和6家施工单位参与，各专业之间沟通和对接难度高，难以保证施工信息的同步和实效性。

利用BIM技术进行数字化交付，可以实时查看BIM模型与属性信息，方便各专业之间探讨交流和成果对接。

（5）本项目在新冠肺炎疫情防控期间积极响应防疫政策，以保障人员安全为第一要义，在施工现场严格实行封闭式管理，影响了施工进度，因此需要缩短工期的技术和方法。

应用BIM技术和物联网技术研发项目级智慧化安全生产综合管理平台，提升现场管控能力和决策水平，实现人员管理、机械管理、物料管理等，以节约工期。

（6）本项目响应建筑业智能化转型升级的大趋势和国家智能建造相关政策要求，积极研发和应用各种智能建造技术，培养智能建造人才。本项目积极研发和应用BIM技术、倾斜摄影技术、物联网技术和建筑机器人技术等，解决工程难题，提高施工质量，保证施工安全和进度，成效显著，树立了建筑行业的标杆。

针对以上工程重难点，本项目以BIM技术为核心，与云计算、物联网、GIS等信息技术相结合，提高了工程建设数字化、智能化和信息化水平，顺应时代发展趋势和相关政策要求，提高了施工质量和施工效率，保障了施工安全，从建造全过程提高项目智能化水平。

2 智能建造关键技术及其应用

2.1 BIM技术

BIM是基于数字化的形式表达工程项目各种信息的技术。BIM以三维模型的形式表达建筑设施，可将建筑设计信息可视化。在建筑施工过程中有很多场景都应用了BIM三维模型可视化的功能，同时通过对BIM模型或BIM软件进行二次开发，实现更多扩展应用，或可以另行开发需要的BIM应用平台，将BIM技术与其他技术相结合，实现更高级的应用。

针对北京城市副中心站综合交通枢纽工程项目，建立了其专有的信息化族库，方便各施工阶段的应用，是后续BIM模型建立和应用的基础。

本项目根据施工图纸搭建了北京城市副中心站综合交通枢纽工程整体模型及场地模型，并随时配合总包施工中的变更信息进行实时更新，保持BIM模型的一致性和有效性，根据图纸和施工需要及时进行结构模型的维护，并于项目竣工后进行汇总和更新。

利用BIM模型可以进行图纸问题的查找，BIM模型具有三维可视化功能，创建模型过程中记录问题，并将问题反馈给设计人员进行错误问题的修改。从而提高项目设计质量和效率，减少后续施工期间的洽商及返工，保障施工周期，节约项目资金，将抽象的二维图纸变为三维立体，使其更加直观便捷，提高建筑多专业、多系统、多成员间的配合，提高设计质量与效率，帮助建立高质量、准确、安全的建筑物。

施工前在施工图BIM模型的基础上完成各专业施工图的深化设计，包括塔式起重机基础结构深化、侧墙支撑深化、轨顶风道钢筋深化及模型更新等。地下2层和地下3层钢柱与板交接钢筋优化如图2所示。

图2 地下2层和地下3层钢柱与板交接钢筋优化示意

利用BIM技术进行工程量统计。建立各专业模型，计算总工程量和不同阶段的工程量。基于建筑信息模型和相应的数据、信息，结合盖挖逆作施工现场具体情况，也能够及时发现施工中的不足，以此模型工程量为基础规范施工过程，保障工程资金的合理利用，最终呈现有效的造价管理。

本工程结构，尤其是某些节点处十分复杂，传统的二维图纸在信息传递和表达上存在很大的局限性，施工人员可能不了解或误解设计师的意图，而BIM技术的三维可视化特性可以有效解决这个问题。

图3展示了基于BIM的钢管柱预埋件节点模拟，利用BIM模型和施工模拟软件可以展示方案的细部构造、施工顺序等内容，有助于解决传统二维图纸复杂、注释标注繁多、人员识图困难等问题，减少设计信息传递中的衰减。

图3 钢管柱预埋件节点模拟示意

北京城市副中心枢纽交通、人流复杂，为了创造一个安全舒适的环境，为枢纽管理者提供灵活便利的组织方式，本项目利用BIM技术实现设计方案与客流、车流模拟的交互式设计，通过对高峰期内不同特征的人流及人流群组成的移动特征、车流的行驶特征进行研究，分析枢纽空间的利用率、交通冲突及瓶颈拥堵，有利于提高移动效率，解决各部位设施能力不均衡问题，从而有效评价和优化枢纽功能布置、运营组织方案。

城际车站工程超大钢结构屋盖，施工工艺复杂，工序众多。本项目采用BIM技术对钢网架屋盖的施工方案进行模拟和比选，利用专业软件对屋盖节点进行有限元计算、结构整体变形计算，从工程进度、施工质量等方面综合考虑后，确定“分区独立施工、独立卸载、总体合龙”的总体施工思路和钢结构屋盖拼装方案。

2.2 物联网技术

物联网技术是指通过传感器、二维码、射频识别技术和无线数据通信技术等，形成一个物与物联通的环境。物联网被认为是一个重大的发展和转型机遇。

物联网可以被看作是把诸如传感器网络、RFID读取设备、条码与二维码设备、GPS系统和其他以物–物通信方式为基础的短距离无线自组织网络等的各种信息传感设备及系统，通过接入网和互联网联系起来，从而构成的大型智能网络。简单来说，物联网是人与物体、物体与物体之间沟通和对话的桥梁，实现了人–物、物–物之间的连接与交互。

城际车站工程项目规模大，管理难度高，安全风险多，周边环境复杂。基于物联网及三维GIS技术，在BIM模型上显示隐患排查人员巡查路径、隐患位置及状态、工程周边环境信息、大型机械位置、人员密度分布等信息，尽可能地还原工程项目现场真实状态。同时，实现隐患在线填报销账、风险线上监控、应急响应等功能，实现工程项目全局安全监督管理，以确保现场安全。

建设单位将BIM技术、物联网及三维GIS技术深度融合，自主研发以BIM技术为核心的项目级智慧化安全生产综合管理平台。该平台实现工程进展、隐患信息、风险监测、人员巡查路径、设备设施状态等方面的实时展示，为线上安全隐患及重大风险全局跟踪、安全生产与工程进度的关联性分析以及项目现场安全管控态势分析提供有力工具，有效提升工程管理信息化水平，对推动工程建设向数字化、信息化、智能化发展具有理论价值和现实意义。

以“物联网+智能硬件”为手段，通过GPS卫星定位及大数据处理，对人员异常警告，实施区域定位，实现数据自动收集、上传和语音安全提示，在移动和电脑端实时显示工人现场分布、巡视等信息，现场全体管理人员均配备智能安全帽。同时在移动机械上安装了定位设施，能够在平台上进行可视化管理，全程监督作业机械移动位置和工作情况，也可通过终端设备统计车辆油耗信息，为项目部进行机械台班核算以及制订机械使用计划提供充分依据。此外，还具备自动抓拍功能，可以对司机不规范操作（使用手机、衣着不符合规定）进行抓拍，抓拍数据实时储存至云端，供相关责任人进行问责及处理，以提高管理水平。通过设置电子围栏，对超过围栏的车辆进行断油处理，防止超重车辆行进至限重区域。

利用BIM技术创建参数化塔式起重机模型，同时在塔式起重机上布置传感器，获取塔式起重机位置信息和工作情况，利用物联网技术接入塔式起重机防碰撞系统，与相邻塔式起重机联调联试，通过实时碰撞监测数据，确保施工过程中吊装作业运行稳定、安全可靠。

本项目工程体量大且结构复杂，需要的物资数量巨大，类型众多，传统的物资管理方式需要大量的人力资源，并且费时费力，易出现统计错误，对施工质量和施工进度有一定的消极影响。因此本项目将物联网技术与BIM技术相结合，并将所有物资都粘贴了统一的二维码标识牌，进场后扫描得到相关属性信息进行查验，信息公开透明，一目了然，合格后将物资快速放置于指定位置，便于进行统计管理。

另外，基于BIM三维场地布置，材料运送司机通过扫描场区入口处的二维码，即可显示各种材料的堆放区位置并显示进场和退场路线，以避免材料乱堆乱卸、散乱无序现象，材料集中堆放便于清点和管理。

2.3 倾斜摄影技术

近10年来，测绘领域发展起来一种高新技术——无人机倾斜摄影技术，该技术的理论基础仍是传统摄影测量技术，具有非接触性和高精度性等特点。无人机倾斜摄影技术利用无人机从5个视角（1个垂直角度和4个倾斜角度）采集不同角度的丰富影像信息，能够完整、真实地反映地面上物体的信息，同时可以结合定位、融合和建模等技术，搭建城市三维模型。

城际车站工程施工场地面积大，施工范围广，因此将倾斜摄影技术应用于场地测量。倾斜摄影技术能够为技术人员提供更全面的场地和人员信息，有助于管理者协调机械，为管理人员提供便利。同时将倾斜摄影技术引入BIM技术应用中，为BIM模型的建造提供详细、真实、精确的地物信息，扩展遥感影像的应用领域，为项目建造过程积攒三维真实信息的地理、建筑物、建造物等数据信息，为BIM模型的更新提供资料，同时也为施工进度的分析模拟提供影像资料。基于无人机倾斜影像，对施工进度分析和管理，为进一步施工计划做好准备。

本项目中无人机倾斜摄影技术的实施流程为首先确定航测范围，安排合理且高效的航拍路线和方案。然后再进行倾斜航测的飞行参数设定，参数包括高度、速度、拍摄间隔、航向间距、向间距等，不同的参数设置对航测的精度、效率等产生影响。航测作业前，综合考虑飞控距离、电池消耗、地形地貌、建筑物分布、测量精度等因素，使用地面站软件进行航线规划和参数设定，飞行高度、地面分辨率及物理像元尺寸满足三比例关系。然后进行无人机航测作业，在地面站设置及无人机组装完成后，即可开始航测作业。无人机将依据指定的航线及参数设置，自动完成航拍任务，操作人员观察无人机位置及地面站实时飞行参数即可每天完成2~3 平方千米的航测任务。最后进行航测数据后处理。

获取无人机倾斜摄影数据后，利用三维建模技术建立倾斜摄影三维模型，同时利用多源BIM数据，将BIM数据直接转换数据交换格式构成BIM模型，或通过BIM软件及导出插件构成BIM模型，再将BIM模型与倾斜摄影三维模型进行位置配准与模型优化，得到多源数据融合的三维模型，进而进行工程进度分析。BIM+倾斜摄影的技术路线如图4所示。

图4 BIM+倾斜摄影的技术路线

2.4 建筑机器人技术

针对建筑业当前存在的建筑工人老龄化、生产方式粗犷、安全事故频发和项目管理信息化滞后等问题，各种建筑机器人等智能施工机械被研发和应用于施工现场，建筑机器人是在工程建造场景下使用的按照计算机程序自动进行施工操作的机器人系统。建筑机器人能够有效推动传统的工程建造过程，实现数字化、信息化和智能化，并实现智能建造，国内外众多企业和高校都在研发建筑机器人及基于建筑机器人的智能建造模式。

建筑机器人对于建筑行业可持续发展有以下意义：

（1）降低用人成本，解决劳动力短缺问题；（2）加速建造过程，提高建造效率；（3）实现绿色建造，降低安全风险；（4）赋能与串联施工生产关键要素，打通项目管理数字化连接。

北京城市副中心项目顺应智能建造发展潮流，积极引进与研发建筑机器人技术及智能建造模式，在本项目中使用了BIM放样机器人。BIM放样机器人的基本原理是利用BIM的三维可视化技术，在BIM平台中进行施工放样，施工人员再根据放样后的BIM模型进行现场施工放样作业。

在北京城市副中心站综合交通枢纽工程项目中，首先根据现场坐标，在revit中根据项目基点和测量点输入相关坐标值，再将BIM模型转换到实际的项目坐标体系中，同样CAD图纸也可以根据现场坐标体系进行转换。

本项目中与BIM放样机器人匹配的软件支持一键批量提取放样点信息，即自动提取每个点的（x、y、z）坐标、属性，无需人工手动输入。本项目根据施工要求对放样点进行选取，主流的AutoCAD、Revit、SketchUp、Tekla、Rhino等软件均可无缝支持。

BIM放样机器人的手簿控制器是一台win10的平板电脑，可以选择使用U盘、移动硬盘、QQ、微信或以邮件的方式将“放样点文件和模型文件”导入其中。

最后，将BIM放样机器人带到施工现场，选择一个比较稳定、安全的地点，通过现场的控制点对仪器设站。然后由机器指挥人去做具体的事情。在这整个过程中，识图、计算位置、计算角度、测量、显示标识等工作都是放样机器人自动处理的，现场人员主要负责用铅笔做记号即可。

测量工作完成后，BIM放样机器人支持导出放样报告、每日工作报告，同时也支持将放样点导入电脑与设计模型比对查看误差等，以方便后期工程管理。

在建筑行业结构件焊接中，因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影响，加工精度可能与实际值有所偏差。为了提高焊接效果，本项目将焊接机器人引入其中。焊接机器人具有较强的感知功能，与人类的视觉、触觉十分相近。

将自动化加工技术应用于大量简单重复性工作，通过机器高效保质地进行加工生产，且可以节省大量劳动力投入，焊接机器人通过输入焊接参数、运行轨迹等，焊接质量高、产品周期明确、产品产量可控。

3 结论

北京城市副中心站综合交通枢纽工程项目通过智能建造技术应用，提高了本工程数字化、信息化、智慧化管理水平。在行业内树立了标杆，起到了示范、引领的作用，推动了国内工程建设领域的数字化、信息化、智慧化管理水平的提升。通过研发及应用各种智能建造技术，实现了经济效益，环境效益和社会效益。

（1）经济效益。本工程运用BIM进行可视化指导、碰撞检测、方案比选、空间布局优化等技术手段，达到节约工期、减少返工、节约成本、节约劳动力、提高生产效率等目标。利用物联网技术实现了物料的数字化管理，并且在BIM模型上显示隐患排查人员巡查路径、隐患位置及状态、工程周边环境信息、大型机械位置、人员密度分布等信息，实现了工程项目全局安全监督管理，确保现场安全。

利用倾斜摄影技术，为BIM模型的更新提供资料，同时为施工进度的分析模拟提供了影像资料，并对施工进度进行分析和管理。利用BIM放样机器人技术，直接利用BIM模型在施工现场进行高精度自动化放线，与传统人工放样相比更加准确便捷，大幅提高了生产效能，减少了施工成本。

（2）环境效益。基于BIM技术的深化设计，最大限度地优化路径，找出最短、最合适的路径，节省了材料。BIM模型的精细表等功能可以精确地计算出材料采购计划，并能精确地放样下料，减少材料的损耗。通过基于物联网技术的数字化管理平台的应用，实现了构件质量管控、人员信息管理的数字化；人脸识别技术的应用，避免了出入书面登记的手续；这些技术最大限度地促进了无纸化办公，节约了资源。

（3）社会效益。通过全员参与智能建造技术研发与应用，推动项目智能建造人才的培养，打造智能建造精品团队，培养了一批具备专业技能和智能建造应用能力的复合型人才，同时全面提高了智能建造人员的专业技能水平和综合协调能力，为行业的发展提供了良好的支撑。