BIM技術(shù)在特大地下交通樞紐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

夏 東，甄 建，譚子龍

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)已進(jìn)入城市軌道交通的快速發(fā)展期。建筑信息模型（BIM）作為建筑業(yè)的全新技術(shù)也逐漸應(yīng)用于軌道交通工程設(shè)計(jì)中。

我國(guó)香港與臺(tái)灣是最早在城市軌道交通項(xiàng)目中應(yīng)用BIM技術(shù)的，目前已應(yīng)用到項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化與細(xì)部設(shè)計(jì)、施工優(yōu)化與工程進(jìn)度檢測(cè)、設(shè)施資源管理、防災(zāi)與逃生分析等方面。

在內(nèi)地，城市軌道交通行業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用處于蓬勃發(fā)展階段，北京、上海、廣州、深圳、寧波、武漢、無(wú)錫、長(zhǎng)沙、南寧、廈門(mén)、石家莊、南京、西安、杭州、蘇州、沈陽(yáng)、大連等城市的地鐵項(xiàng)目均一定程度應(yīng)用了BIM技術(shù)。但大部分城市地鐵的BIM技術(shù)應(yīng)用主要集中于模型的視覺(jué)效果展示、管線綜合設(shè)計(jì)等點(diǎn)式應(yīng)用[1-3]。

依托武漢光谷綜合體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及建造，對(duì)BIM技術(shù)在特大地下交通樞紐項(xiàng)目中的應(yīng)用和影響進(jìn)行研究，為以Autodesk公司軟件為核心的系列軟件在地下交通樞紐中的應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

武漢光谷綜合體項(xiàng)目是在建的全球最大地下綜合交通樞紐，位于武漢市東西湖國(guó)家自主示范區(qū)東北光谷廣場(chǎng)下方。光谷廣場(chǎng)現(xiàn)狀為內(nèi)直徑160 m、外直徑300 m的環(huán)島路口。該環(huán)島路口由珞喻路、民族大道、虎泉街、魯磨路等6條道路交叉形成，地區(qū)內(nèi)商業(yè)開(kāi)放林立，周邊又有多所高校、小區(qū)和科研辦公機(jī)構(gòu)。隨著城市的發(fā)展，該地區(qū)人行、車(chē)行交通量日益增大，預(yù)測(cè)近期2020年光谷廣場(chǎng)車(chē)行交通量將達(dá)到15 500 pcu/h，人流達(dá)到40萬(wàn)人/d。

該項(xiàng)目總投資60億元，總建筑面積約16萬(wàn)m2，相當(dāng)于10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地鐵站。工程包含3條地鐵線、4個(gè)地鐵站、2條市政隧道工程及綜合利用隧道上部空間設(shè)計(jì)的地下公共空間工程。車(chē)站總埋深約33 m，結(jié)構(gòu)采用地下3層多跨箱型框架結(jié)構(gòu)。

1.2 工程特點(diǎn)及應(yīng)用BIM技術(shù)的必要性

（1）該項(xiàng)目為特大地鐵—市政—地下空間交通綜合體，線路交織，內(nèi)部流線極為復(fù)雜，同時(shí)兼有地鐵換乘、人行過(guò)街、非機(jī)動(dòng)車(chē)交通、地面6條道路與2條市政隧道車(chē)行交通功能，需保證最優(yōu)地鐵和公路交通功能。

（2）工程體量大、人流量大，逃生疏散、消防防災(zāi)必須簡(jiǎn)單便捷，設(shè)計(jì)方案需結(jié)合客流進(jìn)行真實(shí)的疏散模擬和研究[4-5]。

（3）3條地鐵線、2條市政隧道相互交叉分隔，建筑空間復(fù)雜，空間效果、采光通風(fēng)、空調(diào)溫度、舒適度要求必須得到保證。

（4）如此復(fù)雜大型地下空間內(nèi)，緊急情況下的通風(fēng)排煙效果，需結(jié)合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入模擬驗(yàn)證。

（5）室內(nèi)綜合管線、室外市政管線繁多復(fù)雜，需協(xié)調(diào)全專(zhuān)業(yè)管線布置，合理利用管線空間，提升地下空間凈高和舒適度。

面對(duì)如此復(fù)雜的情況，BIM技術(shù)手段的出現(xiàn)可以很好地解決以上問(wèn)題：利用BIM技術(shù)進(jìn)行車(chē)流仿真模擬，以優(yōu)化線路、隧道布置方案；結(jié)合BIM模型進(jìn)行復(fù)雜空間設(shè)計(jì)、采光分析以及空調(diào)舒適度模擬；結(jié)合BIM沖突檢查協(xié)調(diào)全專(zhuān)業(yè)管線布置，優(yōu)化管線空間；結(jié)合BIM模型進(jìn)行真實(shí)的疏散模擬分析。

2 實(shí)施架構(gòu)

2.1 軟件選用

項(xiàng)目中BIM技術(shù)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查及綜合比對(duì)，選擇以Autodesk為主平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1）?？紤]項(xiàng)目需求及各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，各專(zhuān)業(yè)選用不同的軟件創(chuàng)建模型。在創(chuàng)建所有模型后，相關(guān)專(zhuān)業(yè)利用Inventor、Midas、Legion、Ecotect、Fluent、FDS等軟件開(kāi)展鋼筋創(chuàng)建、三維漫游、車(chē)流分析、人流分析、采光分析等模擬。

表1 軟件對(duì)比選用

2.2 項(xiàng)目協(xié)同

由于項(xiàng)目涉及多專(zhuān)業(yè)的協(xié)同問(wèn)題，依據(jù)項(xiàng)目需求，項(xiàng)目組在中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司搭建的云平臺(tái)上進(jìn)行協(xié)同工作。項(xiàng)目中，采用Revit軟件創(chuàng)建主體模型。Revit軟件中協(xié)同工作主要有2種：文件鏈接方式和工作集方式。不同專(zhuān)業(yè)之間采用文件鏈接方式，使專(zhuān)業(yè)間數(shù)據(jù)能夠可視化共享；單一專(zhuān)業(yè)間采用工作集方式，利用工作集的形式對(duì)中心文件進(jìn)行劃分，工作組成員在屬于自己的工作集中進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以及時(shí)在本地文件與中心文件間進(jìn)行同步，成員間可以相互借用對(duì)方構(gòu)件圖元進(jìn)行交叉設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)溝通。

針對(duì)涉及的航測(cè)、地質(zhì)、客流模擬、結(jié)構(gòu)計(jì)算、疏散模擬等其他數(shù)據(jù)，以Revit軟件創(chuàng)建的模型為核心，進(jìn)行不同格式的轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖1），導(dǎo)入至各專(zhuān)業(yè)軟件中進(jìn)行分析模擬。后續(xù)將所有模型統(tǒng)一導(dǎo)入至Navisworks軟件中進(jìn)行合成。

3 BIM技術(shù)方案應(yīng)用

3.1 線路優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)線路規(guī)劃，項(xiàng)目包含3條地鐵線路、2條市政隧道，為優(yōu)化最佳線路方案，將線路進(jìn)行三維立體呈現(xiàn)，并對(duì)方案進(jìn)行交通模擬。采用Infraworks軟件，經(jīng)過(guò)多輪方案比選及模擬，最終將地鐵9號(hào)線站臺(tái)和魯磨路隧道上抬至地下一層夾層，設(shè)置貫通的地下一層作為交通層；地鐵2號(hào)線南延線與珞喻路隧道位于地下二層；地鐵11號(hào)線站臺(tái)布置于地下三層（見(jiàn)圖2）。地鐵無(wú)縫換乘，實(shí)現(xiàn)了交通功能的最優(yōu)化。

圖1 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

3.2 地表和環(huán)境建模

采用先進(jìn)的半自動(dòng)建模軟件DPModel基于傾斜影像建立整體三維地表和環(huán)境模型；采用點(diǎn)云建模軟件基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)異形建筑和傾斜攝影無(wú)法建模的建筑進(jìn)行高精度建模，并基于傾斜影像和數(shù)碼單反相機(jī)影像進(jìn)行紋理映射。將建模后的相關(guān)要素導(dǎo)入3DMax軟件中進(jìn)行精修，最后基于3DGIS軟件將所有模型進(jìn)行集成、檢查，形成三維地表和環(huán)境模型。

3.3 地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模技術(shù)在虛擬三維環(huán)境下，利用空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析與預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具進(jìn)行地質(zhì)分析。三維地質(zhì)建模技術(shù)能夠提升行業(yè)解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的能力。項(xiàng)目依托QuantyView軟件，并對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用鉆孔數(shù)據(jù)建模的方法建立三維地質(zhì)模型（見(jiàn)圖3）。

結(jié)構(gòu)面是地質(zhì)體三維建模的基礎(chǔ)，利用已有的離散數(shù)據(jù)資料構(gòu)建地質(zhì)體的地形面及各個(gè)構(gòu)造面是建立合理的三維地質(zhì)模型的前提。QuantyView軟件提供支持CAD所產(chǎn)生的.dxf格式文件的接口，將CAD中構(gòu)造的等高線地形圖導(dǎo)入，經(jīng)處理后自動(dòng)生成三維地形面。同時(shí)，按照QuantyView軟件所支持的鉆孔輸入格式制成的文本文件可直接導(dǎo)入，生成鉆孔布置圖，并可由鉆孔信息生成三維地層面。

將建好的地質(zhì)模型導(dǎo)出為.dxf格式文件，并在CAD中將各對(duì)象轉(zhuǎn)成三維實(shí)體。然后導(dǎo)入Revit軟件中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

圖2 線路方案示意圖

圖3 三維地質(zhì)模型

3.4 建筑模型

通過(guò)Revit軟件建立基礎(chǔ)土建模型。為提高工作效率，將項(xiàng)目按樓層、區(qū)域進(jìn)行拆分（見(jiàn)表2），每個(gè)拆分文件相對(duì)獨(dú)立，可單獨(dú)編輯，并對(duì)所有的文件進(jìn)行精細(xì)化建模。

對(duì)建筑模型中的站廳、站臺(tái)、出入口等進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過(guò)鏈接中心文件的方式形成整體BIM模型（見(jiàn)圖4）。模型建成后對(duì)區(qū)域內(nèi)部的復(fù)雜空間進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，將最終模型導(dǎo)入Navisworks軟件進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)輸?shù)嚷窂侥M，查看凈空是否滿足設(shè)計(jì)要求；導(dǎo)入Lumion軟件進(jìn)行三維漫游，輸出動(dòng)畫(huà)效果，核查是否滿足設(shè)計(jì)意圖。

表2 項(xiàng)目拆分

圖4 建筑模型合成圖

3.5 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)選取建筑中心模型作為參照進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建，將模型導(dǎo)入Inventor軟件中進(jìn)行配筋工作（見(jiàn)圖5）。將最終模型輸出至結(jié)構(gòu)分析軟件Midas中進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)性能分析。復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合Navisworks軟件生成節(jié)點(diǎn)三維施工動(dòng)畫(huà)，真實(shí)再現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的鋼筋排布及施工工序。將結(jié)構(gòu)模型與建筑模型一同合成到Navisworks軟件中進(jìn)行土建三維碰撞檢查，降低土建碰撞率。

3.6 機(jī)電模型

機(jī)電專(zhuān)業(yè)選取建筑、結(jié)構(gòu)中心模型作為參照進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，根據(jù)電上、風(fēng)中、水下的綜管排布原則，在相互協(xié)同下創(chuàng)建機(jī)電綜合BIM模型（見(jiàn)圖6）。最后將機(jī)電綜合BIM模型鏈接至建筑與結(jié)構(gòu)BIM模型進(jìn)行全專(zhuān)業(yè)綜合碰撞檢測(cè)，在滿足設(shè)計(jì)施工規(guī)范、體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖、符合檢修空間要求等條件下，使最終設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)零碰撞。機(jī)電專(zhuān)業(yè)的BIM設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)同步其他專(zhuān)業(yè)模型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、實(shí)時(shí)解決問(wèn)題、避免冗余問(wèn)題，有效降低模型后期管線綜合調(diào)整的工作量。

圖5 三維鋼筋節(jié)點(diǎn)圖

圖6 機(jī)電綜合BIM模型

4 BIM輔助設(shè)計(jì)

4.1 交通模擬

在設(shè)定同樣的車(chē)流量及延遲限制的情況下，利用Infraworks軟件進(jìn)行交通模擬。對(duì)比現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)方案完成后的交通情況，可以看出，在增加2條地下隧道之后，地面擁堵情況有較大改善，進(jìn)一步驗(yàn)證了線路設(shè)計(jì)的合理性。

4.2 客流分析模擬

光谷綜合體日均客流量將達(dá)40萬(wàn)人，客流構(gòu)成復(fù)雜、規(guī)模巨大。在Legion軟件中進(jìn)行客流仿真模擬，對(duì)站點(diǎn)平面布局、緊急疏散等進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)化。在光谷綜合體BIM設(shè)計(jì)中運(yùn)用行人仿真模擬軟件對(duì)地鐵車(chē)站空間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)高峰期內(nèi)不同特征的乘客及乘客群組成的客流移動(dòng)特征進(jìn)行研究，分析車(chē)站空間的利用率、車(chē)站空間的交通沖突及瓶頸擁堵，有利于提高車(chē)站內(nèi)的乘客移動(dòng)效率，解決各部位設(shè)施能力不均衡問(wèn)題。

4.2.1 建立二維仿真模型

Legion軟件套裝包含二維和三維2種模塊，其中Legion Space Works是二維處理模塊，Legion 3D是三維處理模塊。三維客流模擬必須基于二維模塊處理得到的數(shù)據(jù)，因此需根據(jù)CAD文件（.dwg或.dxf格式）建立二維仿真模型（見(jiàn)圖7）。

4.2.2 關(guān)聯(lián)二維和三維

Legion 3D支持的三維模型格式為.3ds和.skp，考慮到Revit對(duì).skp格式有良好的支持，選用.skp格式作為中轉(zhuǎn)，建立仿真模擬所需的三維模型（見(jiàn)圖8）。

4.2.3 客流模擬

光谷綜合體客流主要包括3條地鐵線進(jìn)出站客流和換乘客流、過(guò)街客流以及商業(yè)客流。其中地鐵客流高峰時(shí)段達(dá)88 371人/h，過(guò)街和商業(yè)客流達(dá)23 358人/h。換乘大廳最大客流密度見(jiàn)圖9，密度越高則色彩越偏紅色，密度越低色彩越偏藍(lán)色。由圖9可看出，地下一層中心圓盤(pán)換乘大廳內(nèi)大部分區(qū)域處于舒適范圍內(nèi)（綠色和藍(lán)色），只在較窄的通道處行人密度較高（橙色），但均未發(fā)生擁堵，因此，地下一層換乘大廳內(nèi)乘客服務(wù)水平較好。

4.2.4 疏散模擬

首先根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)定疏散模擬參數(shù)，然后進(jìn)行軟件模擬。

三維模型通過(guò)Revit軟件導(dǎo)出.skp格式，再導(dǎo)入Legion 3D中進(jìn)行模擬。根據(jù)客流模擬得出的各層瞬時(shí)客流設(shè)定緊急情況下綜合體內(nèi)的瞬時(shí)客流。綜合體地下一層乘客疏散模擬結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可知，乘客從9號(hào)線和11號(hào)線站臺(tái)到達(dá)下一個(gè)疏散層的時(shí)間均在3 min以內(nèi)，從站臺(tái)疏散至各個(gè)出入口的總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)6 min，滿足規(guī)范要求。

圖7 二維仿真模型

圖8 三維仿真模型

圖9 換乘大廳最大客流密度圖

4.3 暖通排煙模擬

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)置8個(gè)火源位置共14個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景研究開(kāi)窗方式，驗(yàn)證其可行性。將模型導(dǎo)入FDS軟件中進(jìn)行自然排煙煙氣模擬。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，在2 min內(nèi)，站內(nèi)溫度、能見(jiàn)度、CO濃度均滿足疏散要求。

圖10 地下一層乘客疏散模擬結(jié)果

4.4 站廳氣流組織模擬

從Revit模型導(dǎo)出.sat格式文件，導(dǎo)入Fluent模擬軟件中作為三維模型，在特定送回風(fēng)口加密網(wǎng)格，創(chuàng)建邊界條件，設(shè)置不同的送風(fēng)溫度進(jìn)行不同工況的氣流組織模擬分析，從而驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性，為光谷綜合體的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)和設(shè)備選定提供有力技術(shù)支持，也為未來(lái)的光谷綜合體節(jié)能運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)與理論依據(jù)。

4.5 自然采光模擬

光谷綜合體地下一層自然采光對(duì)地下一層光環(huán)境有著重要影響，同時(shí)自然采光又會(huì)增加地下一層輻射負(fù)荷量，找到自然采光量與輻射負(fù)荷量之間的平衡點(diǎn)對(duì)建筑節(jié)能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。采用Ecotect軟件對(duì)光谷綜合體地下一層自然采光與輻射負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算。Ecotect軟件自帶天氣數(shù)據(jù)，具備建模功能，可以進(jìn)行全陰天的自然采光計(jì)算，也可以直接進(jìn)行逐時(shí)輻射負(fù)荷模擬，直觀清楚地了解一天中輻射負(fù)荷的大小。通過(guò)模擬分析，在局部增加了人工光源，并建議天窗采用可開(kāi)啟形式，在夏季炎熱時(shí)期可以打開(kāi)采光天窗利用熱壓排出地下一層的熱量，降低運(yùn)行負(fù)荷。

5 結(jié)論與展望

光谷綜合體項(xiàng)目利用BIM技術(shù)完成了綜合體周邊三維地理信息模型、三維地質(zhì)模型以及綜合體內(nèi)地鐵車(chē)站、市政隧道、地下空間建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型和三維綜合管線模型。在設(shè)計(jì)方法上采用BIM模型進(jìn)行方案比選，同時(shí)結(jié)合各模擬軟件對(duì)綜合體內(nèi)行人流線、逃生疏散、采光通風(fēng)、煙氣排放等各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，并在施工單位的配合下，利用BIM模型進(jìn)行施工場(chǎng)地的布置和施工模擬，真正實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到施工一體化的BIM應(yīng)用模式，為后續(xù)工程項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用樹(shù)立了具有參考價(jià)值的典范。