BIM在地鐵站點工程中的應(yīng)用探索

蘇 斌 蘇 藝 趙雪鋒 王 磊

1 前言

地鐵站工程屬于地下隱蔽工程，工程環(huán)境和外部條件十分復(fù)雜。首先，地鐵沿線建筑物眾多、管線復(fù)雜，甚至需要多次下穿或近距離穿過既有環(huán)線地鐵線路、橋梁、護城河及歷史古跡。其次，周邊交通繁忙，施工的工作面十分狹窄。第三，工程量巨大，工程計劃組織協(xié)調(diào)工作繁重，尤其是地鐵施工機械體量龐大，需要統(tǒng)籌合理安排。第四，地鐵工程技術(shù)難度較高，涉及眾多專業(yè)，專業(yè)之間較易形成“信息孤島”，產(chǎn)生施工沖突。

BIM是基于參數(shù)化、可視化而建立的建筑模型數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)共享和傳遞實現(xiàn)各專業(yè)、各用戶之間協(xié)同。由于本地鐵站施工過程中引進(jìn)了BIM技術(shù)，為工程施工提供了幫助，縮短了工期和節(jié)省了大量的變更費用。對于局部復(fù)雜形狀難以表達(dá)的地方，可以通過BIM模型實現(xiàn)可視化，充分了解工程局部內(nèi)外結(jié)構(gòu)和施工難點。3D模型中加入時間維度，可以實現(xiàn)4D虛擬施工［1］，優(yōu)化施工方案和施工工藝，模擬工程施工工序，減少工程變更。BIM模型為各專業(yè)、各參與方搭設(shè)了一個共同的交流平臺，信息自由調(diào)用，避免了信息割裂、不統(tǒng)一。

地鐵站工程社會影響顯著，施工難度較大，容易發(fā)生施工安全問題，同時工程本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對設(shè)備安裝，管線綜合排布精度要求高，項目各參與方不易進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)工作，本文通過BIM技術(shù)在復(fù)雜條件下地鐵站施工中的應(yīng)用，探索了BIM對地鐵站工程的技術(shù)支撐和施工管理。［2］

2 本工程BIM應(yīng)用技術(shù)路線圖(見圖1)

3 BIM在設(shè)計階段中的應(yīng)用

BIM在設(shè)計階段的應(yīng)用主要有:

(1)三維建模，實現(xiàn)可視化，獲得直觀的設(shè)計環(huán)境，并且可以由模型自動生成施工圖紙，減少二維圖紙中的“錯漏碰缺”。三維建模主要分為場地建模、土建建模、設(shè)備專業(yè)建模，最后整合，形成全專業(yè)整體模型。各參與方通過模型相互溝通更加方便，同時對構(gòu)件的形狀、尺寸大小易于理解，形成了整體感的認(rèn)知。對二維圖紙分析是面向局部的工作，然而應(yīng)用BIM技術(shù)建立三維模型可以直觀看清工程的整體情況，因為BIM模型中各視圖之間是有機聯(lián)系的，形成了聯(lián)動機制。

目前建模的方法主要是利用設(shè)計院給出二維設(shè)計圖紙，重新建立模型。本工程的核心建模軟件

圖1 地鐵站工程BIM應(yīng)用技術(shù)路線圖

采用了歐特克公司的Revit軟件系列。基于二維圖形搭建三維模型可分為三步進(jìn)行:一是對CAD施工圖進(jìn)行識別，了解建筑、結(jié)構(gòu)及管線設(shè)備的大致結(jié)構(gòu)以及布局，體會二維圖形所涵蓋的設(shè)計思想;二是將CAD文件鏈接到Revit軟件中，依照圖中給出的圖元、軸網(wǎng)、標(biāo)高等信息，合理利用Revit里面所含有的三維模型構(gòu)件，沿著二維圖形的分布畫出Revit軟件里的二維圖形，就是用Revit描畫二維CAD施工圖，進(jìn)而生成三維圖形;三是所有CAD圖的內(nèi)容描完之后，打開Revit三維視角，便可看見基于二維施工圖的三維模型［4］。圖2－3給出了本工程的建筑、設(shè)備信息模型。

圖2 設(shè)備信息模型圖

(2)突出模型局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)行直觀分析。通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析為重要部位施工提供視覺上的參考，對建筑的構(gòu)造和布局也有了更加清晰的認(rèn)識和理解。例如檢查空間是否能夠確保車輛正常運行，檢查復(fù)雜節(jié)點鋼筋布置以及混凝土澆灌空間檢查、管道排布之間的碰撞檢查。

圖3 土建信息模型圖

(3)碰撞檢測，本工程主要分為兩個方面:一是單專業(yè)模型碰撞檢測，分別為土建模型碰撞檢測和綜合管道碰撞檢測。二是全專業(yè)整體模型碰撞檢測。

土建模型碰撞檢測主要是土建模型內(nèi)部的建筑與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不合理布局以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的連接構(gòu)造問題，通過二維圖紙建立三維模型，Revit軟件可以自動校核，檢查出以上問題。例如構(gòu)造柱剛好面對窗戶，使窗戶無法打開等。

圖4 模型碰撞圖

圖5 碰撞2維CAD圖

綜合管道碰撞檢測主要是管道之間的搭接碰撞，即電氣、水、暖通設(shè)備管線之間的碰撞檢測。在傳統(tǒng)二維CAD圖紙設(shè)計中，管線的設(shè)計屬于粗放型的，而采用Revit進(jìn)行三維管線綜合設(shè)計則是精細(xì)化設(shè)計。設(shè)計師為施工人員提供的不都是示意圖，而是能夠滿足工程嚴(yán)格凈高要求的精細(xì)化設(shè)計的三維管道模型，能夠明晰構(gòu)造要求以及管道布局。即便是在某些局部復(fù)雜且管線較多的地方，施工人員也能夠根據(jù)模型完成安裝。利用Revit MEP軟件自身的功能，對管線模型進(jìn)行自動檢測，生成問題報告，再由具有施工經(jīng)驗的工程師對問題報告進(jìn)行篩選，選出有必要調(diào)整的部分，最終對管道模型設(shè)計再次進(jìn)行方案優(yōu)化。目的是為了滿足建筑體功能并留出足夠的凈高和空間。這樣做不僅幫助施工人員提高工作效率，縮短施工進(jìn)度同時也能對施工質(zhì)量加以保證。如圖4－5管線碰撞及表1所示。

全專業(yè)整體模型碰撞檢測，主要是土建模型與綜合管道模型之間的碰撞。在多專業(yè)碰撞檢測中，以修改管道布局為主，當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造不合理時才會重新調(diào)整建筑構(gòu)造。Revit軟件會自動檢測，并生成問題報告。由建模人員反饋給設(shè)計單位，重新調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計方案，進(jìn)而完成對模型的跟蹤修改。

表1 問題報告

(4)BIM模型的參數(shù)化特點，用戶可以從模型中自動提取豐富精確的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行工程量統(tǒng)計，對全生命周期的造價管理具有很大幫助。從BIM模型中獲取工程量統(tǒng)計目前主要有三種方法:一是利用應(yīng)用程序接口(API)在BIM軟件和成本預(yù)算軟件中建立連接;二是利用開放式數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)直接訪問BIM軟件數(shù)據(jù)庫;三是利用BIM的自動算量功能將工程量導(dǎo)入到Excel表中，然后按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行成本核算。［5］

例如地鐵站工程中機械設(shè)備、墻、風(fēng)管明細(xì)表清單的自動生成，如表2所示。

表2 風(fēng)管、墻、機械設(shè)備明細(xì)表

基于BIM的自動化算量方法可以減少造價工程師的勞動量，提高工作效率;相較于傳統(tǒng)工程量算法BIM的自動算量功能更加準(zhǔn)確;基于BIM的自動化算量方法可以更快地計算工程量，及時將設(shè)計方案的成本反饋給設(shè)計師，便于在設(shè)計的前期階段對成本進(jìn)行控制，傳統(tǒng)的工程量計算方式往往因耗時太多而無法及時地將設(shè)計對成本的影響反饋給設(shè)計人員。［6］

圖6 管道設(shè)備預(yù)留孔洞圖

(5)在出圖方面，建立BIM模型后可以自動生成施工圖，產(chǎn)生的平立剖圖之間的信息是相互聯(lián)系的，無法單獨更改。由于BIM模型是基于參數(shù)化設(shè)計而成的，所以生成的二維圖紙中的信息，無法隨意更改，減少了主觀設(shè)計錯誤，確保了施工圖的準(zhǔn)確度。［7］在全專業(yè)模型碰撞檢測之后，經(jīng)過設(shè)計方案優(yōu)化，可以自動生成預(yù)留孔洞圖，如圖6為某管道設(shè)備預(yù)留孔洞圖。

通過BIM模型自動生成的預(yù)留孔洞為后續(xù)施工提供了幫助，準(zhǔn)確洞口預(yù)留可以幫助減少工程變更，加快了施工進(jìn)度，讓后續(xù)施工更加順暢。

4 BIM在施工階段的應(yīng)用

為了實現(xiàn)虛擬施工，本工程建立了基于BIM的4D信息模型。4D信息模型是在基本信息模型的基礎(chǔ)上增加工程進(jìn)度信息以及相關(guān)的資源、過程和管理信息等所形成的4D時空模型。［8］

BIM可以四維模擬實際施工，以便在早期設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)后期真正施工階段可能出現(xiàn)的各種問題，進(jìn)而提前處理，為后期工作打下堅實的基礎(chǔ)。在后期施工時能作為施工的實際指導(dǎo)，也能作為可行性指導(dǎo)，以提供合理的施工方案、人員及材料，最大程度實現(xiàn)資源的合理運用。

利用結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線BIM模型進(jìn)行工程深化設(shè)計，是當(dāng)前施工階段BIM應(yīng)用的重要體現(xiàn)。其應(yīng)用方法有兩種:①將所創(chuàng)建的模型，通過IFC或．rvt文件導(dǎo)入專業(yè)設(shè)計軟件中進(jìn)行深化設(shè)計;②根據(jù)碰撞檢測的分析結(jié)果，直接在BIM建模軟件中對結(jié)構(gòu)、水暖電管網(wǎng)及設(shè)備等專業(yè)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整、細(xì)化和完善。［9］

以機電設(shè)備安裝為例本工程采用了第二種方法對機電設(shè)備安裝輔助深化設(shè)計如圖7所示。

利用Revit軟件系列建立模型，導(dǎo)入到Navisworks進(jìn)行碰撞檢測，根據(jù)問題報告對模型調(diào)整，基于協(xié)調(diào)好的模型，剖切任意截面，提高機電安裝深化設(shè)計的準(zhǔn)確度和效率。在后期施工過程中，根據(jù)4D施工模擬可以明確機電設(shè)備的安裝順序，避免安裝錯誤。如圖8所示。

5 總結(jié)

通過地鐵站BIM應(yīng)用，我們總結(jié)出其應(yīng)用價值為:(1)實時瀏覽、觀察設(shè)計模型，提高各專業(yè)、各參與方的理解效率，促進(jìn)工作的協(xié)同性;(2)直觀觀察設(shè)計模型，減少施工方對施工圖紙的理解差異，幫助優(yōu)化施工方案，縮短工程進(jìn)度，有效控制工程的成本，實現(xiàn)資源的合理配置;(3)集成建筑、設(shè)備屬性，提高信息集成度從而幫助運營商維護管理。

圖7 機電深化設(shè)計圖

圖8 機電設(shè)備安裝模擬動畫圖

本工程將現(xiàn)代先進(jìn)信息化方法融入并體現(xiàn)到具體的項目建設(shè)管理過程中，實現(xiàn)地鐵工程從二維文檔管理向三維模型管理和四維虛擬仿真管理的層級跨越。同時，它將促進(jìn)地鐵建設(shè)管理工作的系統(tǒng)化、規(guī)范化和信息化，為工程建設(shè)管理提供科學(xué)、可操作的技術(shù)支持，并及時、有效地指導(dǎo)工程建設(shè)各管理部門的管理工作。地鐵項目施工組織模型中的信息能直接指導(dǎo)地鐵的運營維護和改擴建，真正實現(xiàn)地鐵工程的全壽命期管理。［10］BIM技術(shù)在國內(nèi)地鐵站工程中的應(yīng)用尚在探索階段，本工程將對其他地鐵建設(shè)城市的履約管理和信息化管理有良好的參考和借鑒價值，通過結(jié)合地方特點進(jìn)行優(yōu)化完善，并可逐步推廣應(yīng)用。

［1］柳娟花，李艷妮．基于BIM的虛擬施工技術(shù)應(yīng)用探究［J］．電腦知識與技術(shù)，2011，7(29):7266-7268．

［2］龔郁杰，滕曉敏．用于施工管理的建筑信息模型BIM［J］．海外縱覽，2011，7(29):79-82．

［3］Eastman C，Teicholz P，Sacks R．BIM Handbook:A Guide to Building Information Modeling for Owners，Managers，Designers，Engineers and Contractors［M］．NY John Wiley and Sons，2008:93-460．

［4］趙靈敏，岳廣飛．山東省文化中心項目BIM應(yīng)用實踐［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(4):51-57．

［5］Eastman C，Teicholz P，Sacks R．BIM Handbook:A Guide to Building Information Modeling for Owners，Managers，Designers，Engineers and Contractors［M］．NY John Wiley and Sons，2008:93-460．

［6］王廣斌，張洋，譚丹．基于BIM的工程項目成本核算理論及實現(xiàn)方法研究［J］．科技進(jìn)步與對策，2009，21(26):47-49．

［7］馬洪娟，姚守儼，戈祥林，林忠和．BIM技術(shù)在南寧規(guī)劃展示館項目施工中應(yīng)用體會［J］．土木工程信息技術(shù)，2011，12(3):82-86．

［8］張建平，范喆，王陽利，黃志剛．基于4D-BIM的施工資源動態(tài)管理與成本實時監(jiān)控［J］．施工技術(shù)，2011，4(40):37-40．

［9］張建平，李丁，林佳瑞，顏鋼．BIM在工程施工中的應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2011，4(371):10-17．

［10］王廣斌，張洋，姜陣劍，張俊生．建設(shè)項目施工前各階段BIM應(yīng)用方受益情況研究［J］．山東建筑大學(xué)學(xué)報，2009，10(24):438-442．