BIM模型在科隆尼佩斯動(dòng)車段項(xiàng)目中的運(yùn)用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

BIM模型在科隆尼佩斯動(dòng)車段項(xiàng)目中的運(yùn)用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

德鐵國(guó)際公司作為項(xiàng)目總包承接了德鐵長(zhǎng)途客運(yùn)公司的新建科隆尼佩斯ICE動(dòng)車段的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該動(dòng)車段將承擔(dān)全部新購(gòu)ICE高速列車以及用于長(zhǎng)途客運(yùn)的新一代城際特快列車ICx的養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)。

為了完成這一艱巨任務(wù)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)組使用了建筑信息模型（BIM）。

1 項(xiàng)目要求

（1）動(dòng)車段項(xiàng)目投資大約2．2億歐元，其中6 000萬歐元是設(shè)計(jì)目標(biāo)的建設(shè)成本。

（2）主體功能分布在一個(gè)長(zhǎng)443 m的維修車間內(nèi)，其中鋪設(shè)4條維修股道和6個(gè)不同的作業(yè)面。此外，還有4層的辦公和管理區(qū)，包括幾個(gè)會(huì)議室、1個(gè)接待室和內(nèi)部餐廳。在一個(gè)附樓內(nèi)有6個(gè)不同的輔助車間，1個(gè)設(shè)有750個(gè)衣帽柜的更衣間和1個(gè)2層的技術(shù)區(qū)。在另外一個(gè)附樓內(nèi)設(shè)立了多個(gè)重要功能區(qū)，如氣候試驗(yàn)室、變電室和大型儲(chǔ)藏單元。對(duì)各維修工序所需要的材料都規(guī)定有相應(yīng)的存放位置：對(duì)小部件配置了專用的自動(dòng)托舉系統(tǒng)，放置在7 m多高的窄貨架上的托盤和格柵箱中；對(duì)大部件和輪對(duì)也規(guī)定了相應(yīng)的地面存放位置。

（3）動(dòng)車段配備最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備：

● 8臺(tái)載質(zhì)量為1．6 t、能縱向行走的旋臂起重機(jī)，用于更換長(zhǎng)途列車車頂上的笨重大部件，如空調(diào)設(shè)備。

● 轉(zhuǎn)向架更換設(shè)備，用于更換完全組裝好的整個(gè)轉(zhuǎn)向架和位于車輛下方的其他比較笨重的主要部件，因此也可進(jìn)行繁重的修理作業(yè)。

● 專用的、與轉(zhuǎn)向架更換設(shè)備構(gòu)成邏輯聯(lián)系的轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái)。在模擬載質(zhì)量的條件下對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行測(cè)量，對(duì)彈簧進(jìn)行調(diào)整作業(yè)。

● 維修股道安裝橫向軌道梁，用于快速和直接更換輪對(duì)；還安裝可走行的作業(yè)平臺(tái)。

● 空心軸超聲波檢測(cè)系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備維修車間以及其他檢測(cè)室和車間。

為達(dá)到建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建筑模擬實(shí)驗(yàn)，以提出更理想、高效率且可持續(xù)的能源供應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)。此外，利用地下水在冬天供應(yīng)熱能，夏天則用于制冷。光伏發(fā)電設(shè)備能使地?zé)嵩O(shè)備的運(yùn)行更加環(huán)保。消防水箱還用于儲(chǔ)存熱能，所儲(chǔ)存的熱能用于冬天對(duì)列車除冰。辦公室、其他公共空間和外部設(shè)備都采用了LED照明燈，以實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的目的。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，車間外墻采用了大面積的聚碳酸酯保溫層，這就像一層輕薄皮膚覆蓋在堅(jiān)固的混凝土外部基底上。多顏色的保溫層向外界展現(xiàn)德鐵集團(tuán)Logo的顏色；由于其透光性高，能充分利用陽光。智能照明控制系統(tǒng)按需求自動(dòng)打開燈光照明。

2 設(shè)計(jì)階段

為進(jìn)行如此復(fù)雜的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先規(guī)定了基本要求，以了解設(shè)計(jì)任務(wù)的規(guī)模。除了進(jìn)行傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)外，還要研究如何進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)方法（見圖1）。非常重要的是要促進(jìn)專業(yè)設(shè)計(jì)組之間的合作，以及向所有項(xiàng)目參與者提供最新的設(shè)計(jì)狀況信息，以避免信息損失。

此外，還要求準(zhǔn)備靈活的備選設(shè)計(jì)方案。因?yàn)樵诒倦A段，具體應(yīng)鋪設(shè)幾條維修股道，車間應(yīng)有多大規(guī)模等問題還沒有最終確定。討論中曾提出了鋪設(shè)3條、4條或者6條維修股道的方案。因此在最初的設(shè)計(jì)階段，必須同時(shí)進(jìn)行3種方案的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)組試圖尋找一種解決方法，能從包含不同變通方案的一種設(shè)計(jì)中導(dǎo)出3個(gè)不同的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)模型中將設(shè)計(jì)與大致數(shù)量和估算成本建立邏輯聯(lián)系也非常重要，因?yàn)槿魶]有這種邏輯聯(lián)系，在相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法中就必須人工補(bǔ)充數(shù)量和重量，這可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。此外，計(jì)劃采用一種高效方法通過以后的修改對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，盡量縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并能迅速實(shí)現(xiàn)可視化，從而能方便地向委托方和項(xiàng)目的合作方介紹建議設(shè)計(jì)方案。

2012年第一季度在進(jìn)行房屋建筑設(shè)計(jì)的初步規(guī)劃階段就采用了BIM設(shè)計(jì)方法和支持BIM的3D軟件（見圖2），滿足了上述所有要求。

3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目處理

為了處理設(shè)計(jì)工作，制作了一個(gè)中央房屋結(jié)構(gòu)模型，建筑師在這個(gè)模型內(nèi)貫徹落實(shí)他們的設(shè)計(jì)工作。由8名建筑師組成的小組同時(shí)在該模型上進(jìn)行工作，綜合集成了對(duì)房屋結(jié)構(gòu)最重要的三個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)師，即承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備和建筑技術(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案。

預(yù)先共同商定了對(duì)合作設(shè)計(jì)工作流程的規(guī)定。其中包括需要交換的細(xì)節(jié)深度、對(duì)統(tǒng)一的計(jì)算處理參數(shù)和命名習(xí)慣的規(guī)定。建議使用統(tǒng)一的軟件，但只有在專業(yè)設(shè)計(jì)師來自同一家公司才能保證做到。若使用不同的軟件，就必須確定交換格式。建議通過IFC（Industry Foundation Classes）接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣，所傳輸?shù)哪Ｐ托畔⒈葮?gòu)件的3D結(jié)構(gòu)圖形信息還要多。為了避免不統(tǒng)一，所使用的設(shè)計(jì)軟件要經(jīng)過IFC認(rèn)證。

此外，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)展必須規(guī)定定期進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)。只有這樣才能為其他設(shè)計(jì)組提供最新的設(shè)計(jì)信息，并核查和推動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)展。

在結(jié)構(gòu)模型內(nèi)落實(shí)設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要作用是能規(guī)定各建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，它為推動(dòng)設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生了巨大創(chuàng)新動(dòng)力。在采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)，建筑師必須在2D系統(tǒng)中追補(bǔ)其他建筑物的設(shè)計(jì)，而采用BIM方法后在已明確規(guī)定的責(zé)任范圍內(nèi)只需控制3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的輸入。圖3說明，許多設(shè)計(jì)內(nèi)容不屬于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是這些內(nèi)容對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重大關(guān)聯(lián)。

跨專業(yè)3D設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可在3D模型的任意位置生成傳統(tǒng)2D的平面布置圖、剖面圖和正視圖，因此在設(shè)計(jì)過程中可省去大量的繪圖工作。所插入的其他建筑物的設(shè)計(jì)也會(huì)同時(shí)顯示出來。此外，在3D設(shè)計(jì)范圍很容易看出結(jié)構(gòu)物之間的沖突（見圖4），并能予以消除。

與傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)相比，利用3D設(shè)計(jì)模型能夠高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)可視化，向客戶形象化介紹設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)建議和方案，或者由客戶向公眾演示介紹。例如，為充分利用日光，通過這種3D設(shè)計(jì)模型將模型（數(shù)據(jù)）傳輸至軟件系統(tǒng)，進(jìn)行了日光模擬實(shí)驗(yàn)。

除此以外，可計(jì)算表冊(cè)內(nèi)的所有參數(shù)和構(gòu)件，例如對(duì)房屋建筑內(nèi)部布局明細(xì)表冊(cè)內(nèi)的參數(shù)和構(gòu)件或者質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。采用這些措施還能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量（見圖5）。

目前，德鐵國(guó)際公司正在努力達(dá)到以下目標(biāo)，不僅在一個(gè)數(shù)據(jù)模型中按數(shù)據(jù)交換間隔時(shí)間將主要的房屋建筑物在一個(gè)數(shù)據(jù)模型中拼接起來，還要在一個(gè)模型中同時(shí)開展設(shè)計(jì)工作。這樣整個(gè)設(shè)計(jì)過程就與可視的BIM設(shè)計(jì)很相似（見圖6）。

4 “5D”設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目組可對(duì)進(jìn)入5D設(shè)計(jì)的連接關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。與市場(chǎng)領(lǐng)先的AVA軟件（招標(biāo)、標(biāo)的分配和工程建設(shè)成本核算）開發(fā)公司合作的目的在于，可在所設(shè)計(jì)的3D構(gòu)件以及對(duì)施工流程進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠的成本核算。

5 成本核算

為了能夠進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所有3D構(gòu)件都進(jìn)行編碼，并執(zhí)行同一種命名規(guī)則。在設(shè)計(jì)工作流程中，可把3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸?shù)揭粋€(gè)特別生成的文件中，接著載入AVA軟件。在AVA環(huán)境中，把不同的構(gòu)件分為報(bào)表，并安排在設(shè)計(jì)工作明細(xì)表中的相應(yīng)項(xiàng)目?jī)?nèi)，以便進(jìn)行成本核算。對(duì)這些報(bào)表可通過編程公式從3D模型中逐一地進(jìn)行查詢。初步看這一步驟非常耗時(shí)，但能使以后的設(shè)計(jì)階段更有效率。因?yàn)橹灰迅鳂?gòu)件與一個(gè)相應(yīng)項(xiàng)目構(gòu)成邏輯關(guān)系，以后一旦有變更就會(huì)自動(dòng)計(jì)算所產(chǎn)生的成本。設(shè)計(jì)中若每天都有變更，上述方法就能降低成本，尤其與目前常用的人工計(jì)算修改方法相比更加明顯。從3D模型中生成的設(shè)計(jì)工作明細(xì)表各項(xiàng)目的重量和數(shù)量特別有用，這些表格可根據(jù)當(dāng)時(shí)所需要的參數(shù)，迅速改變分類（見圖7）。

6 施工流程模型

制作施工流程模型，即將第5維“時(shí)間”與成本和構(gòu)件聯(lián)系起來，是實(shí)現(xiàn)建筑工地施工流程的可視化非常有說服力的工具。在早期設(shè)計(jì)階段就可實(shí)現(xiàn)施工流程的可視化，而在設(shè)計(jì)工作比較繁重的大型項(xiàng)目中此前一直是以進(jìn)度表反映施工流程的。但是，這并不意味著傳統(tǒng)的工期進(jìn)度沒有用處，工期進(jìn)度表依然是項(xiàng)目控制中的重要工具，是5D設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5D設(shè)計(jì)，即與成本和時(shí)間要素建立邏輯關(guān)系的作用更多體現(xiàn)于輸出“流程影片”。AVA軟件在仿真過程中能播放施工進(jìn)展、傳統(tǒng)的進(jìn)度表、與施工進(jìn)度模型相似顯示施工項(xiàng)目進(jìn)展最新狀況，同時(shí)還顯示目前所花費(fèi)的成本。因此在設(shè)計(jì)階段就能改進(jìn)施工流程計(jì)劃質(zhì)量，對(duì)施工監(jiān)理而言能更迅速地監(jiān)控整體進(jìn)度。

德鐵國(guó)際公司認(rèn)為，在5D工作流程內(nèi)的3D模型對(duì)于撰寫投標(biāo)書和給施工企業(yè)分配標(biāo)的特別有用。通過將3D構(gòu)件記錄在設(shè)計(jì)工作明細(xì)表的各分項(xiàng)目中，就能使這些項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可視化，這樣可使各個(gè)分項(xiàng)目?jī)?nèi)容更加明晰。與設(shè)計(jì)工作明細(xì)表的分項(xiàng)目建立邏輯關(guān)系可對(duì)各施工企業(yè)的報(bào)價(jià)進(jìn)行比較，避免編制投標(biāo)書出現(xiàn)錯(cuò)誤。所有參與方都能從中獲益，并能在持續(xù)投入的時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步提高質(zhì)量。

7 總結(jié)

為新建“科隆尼佩斯動(dòng)車段”項(xiàng)目選擇上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，是一個(gè)正確的決定。經(jīng)驗(yàn)表明，正確運(yùn)用3D/5D技術(shù)盡管在準(zhǔn)備階段花費(fèi)較高，但能大大降低整體設(shè)計(jì)費(fèi)用，尤其在變更設(shè)計(jì)修改較多時(shí)，費(fèi)用降低的幅度更大。

現(xiàn)在公司正在進(jìn)一步擴(kuò)展BIM工具的用途，最終建筑設(shè)計(jì)部門從最初的項(xiàng)目建議書、拆除目標(biāo)物到項(xiàng)目實(shí)施都可使用該工具實(shí)現(xiàn)可視化目標(biāo)。

Thorsten Koop：德鐵國(guó)際公司，高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，thorsten.koop@db-international.de.

Erik Eifler：德鐵國(guó)際公司，建造設(shè)計(jì)師，erik. eifler@db-international.de.

Thomas Rath：德鐵國(guó)際公司，項(xiàng)目管理經(jīng)理，thomas.rath@db-international.de.

注：本篇文章轉(zhuǎn)載于《鐵路技術(shù)評(píng)論》雜志2015年3月第21卷，但編者對(duì)文章的內(nèi)容進(jìn)行了精簡(jiǎn)和改編。

責(zé)任編輯 王小紅