建筑信息模型技術(shù)在軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

姜 超

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210034）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）一詞自在工程建設(shè)行業(yè)興起以來(lái)，逐漸成為支撐建筑設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等各方面的核心技術(shù)。BIM技術(shù)不僅是一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也在各方面引導(dǎo)業(yè)務(wù)流程上的變革。BIM以智能構(gòu)件為基礎(chǔ)來(lái)表達(dá)一個(gè)建筑，一是可以集成構(gòu)件本身的詳細(xì)信息，二是能描述建筑信息模型中各構(gòu)件之間的相互關(guān)系［1］。BIM技術(shù)不僅是將傳統(tǒng)的二維建筑圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型及可視化展現(xiàn)，同時(shí)也潛移默化地改造著工程施工的各參與方的參與方式和關(guān)鍵過(guò)程。BIM通過(guò)參數(shù)化建模及屬性附加，以更智慧、更高效的方式來(lái)影響工程全生命周期過(guò)程。

目前，隨著在民用建筑領(lǐng)域內(nèi)BIM技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)成熟，BIM技術(shù)逐漸被引入其他更廣泛的工程項(xiàng)目領(lǐng)域。其中，城市軌道交通項(xiàng)目由于其規(guī)模大、周期長(zhǎng)、復(fù)雜性高的特點(diǎn)，成為BIM應(yīng)用的重要領(lǐng)域。目前，BIM技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在管線綜合碰撞檢測(cè)和場(chǎng)站環(huán)境的可視化設(shè)計(jì)中。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)軌道交通發(fā)展趨勢(shì)和BIM技術(shù)的應(yīng)用前景，可以預(yù)見(jiàn)BIM技術(shù)將逐漸取代傳統(tǒng)工程施工流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程全生命周期的可視化數(shù)據(jù)和資源管理，優(yōu)化軌道交通工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)階段的資源共享。

1 軌道交通BIM發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，特別是歐美的發(fā)達(dá)國(guó)家，BIM技術(shù)正逐漸成為城市軌道交通工程建設(shè)的基礎(chǔ)技術(shù)，應(yīng)用于模擬分析、3D設(shè)計(jì)、施工管理和物資信息管理等各方面。軌道交通各相關(guān)專業(yè)通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，減少各專業(yè)之間的物理穿插和參與方之間的信息傳播不及時(shí)造成的影響。BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維階段中，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期統(tǒng)一管理。

在國(guó)內(nèi)，BIM技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用正在快速發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一大批城市地鐵項(xiàng)目中均一定程度地應(yīng)用了BIM技術(shù)。但是，目前大部分BIM應(yīng)用主要集中于模型的可視化視覺(jué)效果展示，管線綜合設(shè)計(jì)等點(diǎn)式應(yīng)用，遠(yuǎn)未達(dá)到BIM全生命周期統(tǒng)一管理的水平。

目前，BIM技術(shù)在我國(guó)軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用水平仍較為淺顯。受限于我國(guó)BIM發(fā)展的大環(huán)境，即使是在已經(jīng)實(shí)施BIM戰(zhàn)略的北京、上海和廣州等城市軌道交通行業(yè)，系統(tǒng)化思維不足的缺陷仍然突顯［2］。因此，針對(duì)BIM技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展還有待于進(jìn)一步深入。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)和相關(guān)流程在核心的工程設(shè)計(jì)與施工中起到重要作用，它在應(yīng)對(duì)大型、復(fù)雜、長(zhǎng)周期的項(xiàng)目，同時(shí)在提高可持續(xù)性、降低成本和可持續(xù)性利用方面也起到很大的作用。

2.1 概念階段應(yīng)用BIM技術(shù)的效益

2.1.1 概念、可行性和設(shè)計(jì)的好處

對(duì)于工程施工，在業(yè)主正式啟動(dòng)項(xiàng)目之前，必須事先考慮好工程的尺寸大小、質(zhì)量水平、理想的成本預(yù)算和工程進(jìn)度。一個(gè)給定的工程方案是否滿足業(yè)主的各項(xiàng)需求，基于構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)建造的工程模型，對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)有很大的價(jià)值和幫助。

2.1.2 工程性能和質(zhì)量的好處

創(chuàng)建一個(gè)模型取決于模型的詳細(xì)程度，一個(gè)詳細(xì)的工程模型可以用來(lái)評(píng)估該方案是否符合工程的功能和可持續(xù)發(fā)展的要求［3］。利用分析和模擬工具評(píng)估設(shè)計(jì)能夠有效提高工程的性能和整體質(zhì)量。

2.1.3 集成交付提高項(xiàng)目合作的好處

當(dāng)業(yè)主在項(xiàng)目中使用一體化綜合交付模式時(shí)，在設(shè)計(jì)階段的就可以利用BIM技術(shù)增加他們對(duì)項(xiàng)目需求的理解，并為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供成本估計(jì)。通過(guò)集成交付的方式可以避免使用文件交流的延遲。

2.2 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)的效益

2.2.1 精確的可視化設(shè)計(jì)

采用BIM技術(shù)使用3D模型進(jìn)行可視化表達(dá)，BIM模型本身是由BIM軟件采用參數(shù)化建模方式創(chuàng)建的，各構(gòu)件之間的相互關(guān)系可通過(guò)三維模型進(jìn)行直觀展現(xiàn)。同時(shí)，BIM模型中的參數(shù)化屬性信息，也將為BIM技術(shù)在全生命周期中的應(yīng)用提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

2.2.2 設(shè)計(jì)變更自動(dòng)修正

BIM技術(shù)采用參數(shù)化建模，工程構(gòu)件能夠通過(guò)參數(shù)化的規(guī)則被控制，各項(xiàng)構(gòu)件屬性可通過(guò)修改參數(shù)由BIM建模軟件自動(dòng)修正與其相關(guān)的其他參數(shù)，這將會(huì)大大減少使用者對(duì)于設(shè)計(jì)變更的管理。

2.2.3 一致性的二維圖紙

傳統(tǒng)的三維模型是先有各角度的二維圖紙，然后依照各角度的尺寸利用建模軟件建立模型結(jié)構(gòu)。一旦二維圖紙中的某一尺寸發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致多處相關(guān)視角的圖紙變更，三維模型并不能及時(shí)的更新。而利用BIM技術(shù)是直接建立3D模型結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)不同的視角投影生成二維圖紙。借助于參數(shù)化建模方式，三維模型中某一處尺寸的修改，均可直接導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)的變化。當(dāng)需要修改設(shè)計(jì)時(shí)，只要修改好模型就可以同步且迅速地生成一致的圖紙。

2.2.4 各專業(yè)間的協(xié)作

BIM技術(shù)利用模型的統(tǒng)一管理，可以促進(jìn)了各專業(yè)間的協(xié)同工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決各專業(yè)之間的沖突，減少后續(xù)的不必要的返工。同時(shí)，利用BIM技術(shù)各專業(yè)可以同步開(kāi)展工作，而不必在等待其他專業(yè)完工后再開(kāi)始工作，大大縮短了整體工程周期。

2.2.5 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

利用BIM技術(shù)提供的三維可視化展示，驗(yàn)證各專業(yè)之間的設(shè)計(jì)方案是否存在沖突，并對(duì)三維空間的面積、材料等相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使得成本預(yù)算更準(zhǔn)確。

2.2.6 成本估算

BIM技術(shù)采用參數(shù)化建模，可以自動(dòng)計(jì)算生成建筑空間尺寸、體積以及構(gòu)件所選的物料清單，以此作為成本估算的依據(jù)可以大大減小估算的誤差。隨著設(shè)計(jì)的推進(jìn)和詳細(xì)的數(shù)據(jù)逐步產(chǎn)生，可以對(duì)工程進(jìn)行更精確的成本估管。

2.3 施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)的效益

2.3.1 利用BIM模型裝配組件

由于工程構(gòu)件已被定義成三維形式，利用數(shù)控機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的制造就會(huì)很方便。利用設(shè)計(jì)模型裝配組件，這使得更多的供應(yīng)商在創(chuàng)建模型、研發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要和設(shè)計(jì)師保持聯(lián)系以反映設(shè)計(jì)意圖。這種方法屬于預(yù)制化制造，同時(shí)可以降低成本、減少建造時(shí)間。

2.3.2 更快的設(shè)計(jì)變更

采用參數(shù)化建模的BIM模型，不同于以往三維模型以點(diǎn)線面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格組織，BIM模型中各構(gòu)件均采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格組織。當(dāng)BIM模型中的某一參數(shù)發(fā)生變化后，與之相關(guān)的三維模型即會(huì)自動(dòng)按照參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。更新可以依據(jù)參數(shù)化的規(guī)則直接完成，借助輔助的交互系統(tǒng)也能夠檢查視圖中的碰撞，修改的后果可以準(zhǔn)確地反映在模型和所有的視圖中。

2.3.3 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤檢查

工程模型是多專業(yè)的集合，利用BIM技術(shù)它們之間就可以相互參照，各專業(yè)間的交互既能發(fā)現(xiàn)到內(nèi)部的（硬碰撞和間隙碰撞），也能查看到表面的其他各種錯(cuò)誤。在專業(yè)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)問(wèn)題前這些沖突和可實(shí)施性問(wèn)題就能夠得到檢測(cè)。

2.3.4 協(xié)同設(shè)計(jì)和施工組織設(shè)計(jì)

利用四維CAD技術(shù)進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，需要將施工進(jìn)度計(jì)劃和三維構(gòu)件關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣可以在任意一個(gè)施工節(jié)點(diǎn)上模擬施工過(guò)程、查看到工程和場(chǎng)地中的情況。

2.3.5 高水平施工技術(shù)的應(yīng)用

高水平的施工技術(shù)需要總承包方與所有分包商間的密切協(xié)調(diào)。因?yàn)锽IM能夠提供一個(gè)準(zhǔn)確的工程設(shè)計(jì)模型，針對(duì)施工的任何一個(gè)流程都可以提供一份所需的材料需求計(jì)劃表。這樣它為改善分包商的進(jìn)度安排提供了依據(jù)，并保證正確的時(shí)間上安排好合適的人員、設(shè)備、材料，從而強(qiáng)化了溝通協(xié)調(diào)降低了施工成本。

2.4 運(yùn)維階段應(yīng)用BIM技術(shù)的效益

2.4.1 信息移交方式的改進(jìn)

在施工階段收集安裝材料的信息和工程內(nèi)系統(tǒng)的維修信息，這些信息可被鏈接到工程BIM模型［4］。因此，可將BIM模型移交給業(yè)主，供它們通過(guò)設(shè)施管理系統(tǒng)管理工程施工。

2.4.2 設(shè)施運(yùn)營(yíng)和管理

工程模型提供了工程中所有系統(tǒng)的信息來(lái)源，先前用來(lái)決定機(jī)械設(shè)備，控制系統(tǒng)和其他采購(gòu)產(chǎn)品的分析可提供給業(yè)主。一旦工程投入使用，它可被作為驗(yàn)證設(shè)計(jì)決策的一種方法。這種分析可被用來(lái)檢查工程投入使用后所有系統(tǒng)工作的正確性。

2.4.3 設(shè)施運(yùn)營(yíng)和管理系統(tǒng)的整合

BIM模型提供了工程構(gòu)件準(zhǔn)確的屬性信息，這些信息將作為工程設(shè)計(jì)、施工、管理和運(yùn)營(yíng)的重要依據(jù)，并打通工程項(xiàng)目全生命周期管理的數(shù)據(jù)流。通過(guò)將BIM屬性信息與工程運(yùn)營(yíng)和管理平臺(tái)進(jìn)行整合，保證了工程數(shù)據(jù)的可追溯性和可擴(kuò)展性，可基于屬性數(shù)據(jù)擴(kuò)展各項(xiàng)延伸功能。其中的許多能力還沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，但是BIM技術(shù)提供了一個(gè)發(fā)展的理想平臺(tái)。

3 BIM帶來(lái)的挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)和施工中每一階段用于BIM技術(shù)將使與傳統(tǒng)實(shí)踐相關(guān)的問(wèn)題的數(shù)量和嚴(yán)重性減少和減輕。BIM的合理使用將使項(xiàng)目參與者之間的關(guān)系發(fā)生重大的改變和挑戰(zhàn)。

3.1 團(tuán)隊(duì)協(xié)作的挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)為各專業(yè)之間的協(xié)作提供了新可能，同時(shí)也帶來(lái)了新問(wèn)題。如果工程師使用傳統(tǒng)的圖紙，那么承包商搭建模型將有必要，它將被用來(lái)計(jì)劃施工、預(yù)算和協(xié)調(diào)。如果工程師通過(guò)使用BIM來(lái)設(shè)計(jì)，模型對(duì)于施工來(lái)說(shuō)可能不夠詳細(xì)或定義的物體的施工數(shù)量還不夠充分。這可能需要為施工使用創(chuàng)造一種新的模型，要是提供了工程模型，成本和時(shí)間可能會(huì)被加入項(xiàng)目中。如果BIM團(tuán)隊(duì)成員使用不同的BIM建模工具，則必須將模型從一個(gè)環(huán)境遷移到另一環(huán)境，這可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜性的增加并引入新的潛在錯(cuò)誤。一旦涉及誰(shuí)來(lái)設(shè)計(jì)、制作、分析和搭建施工數(shù)據(jù)庫(kù)，誰(shuí)來(lái)支付它們，以及誰(shuí)對(duì)它們的準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)時(shí)，各參與方的關(guān)系就遭受挑戰(zhàn)。

3.2 實(shí)行更改和信息使用

BIM鼓勵(lì)早期設(shè)計(jì)過(guò)程的工程語(yǔ)言的整合，若有能力調(diào)整所有階段的設(shè)計(jì)和施工整合，公司將得到最大的利益。在應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)面臨的最大改變是在設(shè)計(jì)階段使用共享的工程模型和在施工及制造時(shí)使用共同的工程模型，以此作為所有工作進(jìn)程和合作的基礎(chǔ)。這一轉(zhuǎn)變需要時(shí)間和培訓(xùn)，這些是所有技術(shù)和工作流程發(fā)生重大改變所要面臨的事實(shí)。

3.3 應(yīng)用問(wèn)題

應(yīng)用BIM技術(shù)用工程模型系統(tǒng)替代二維或三維環(huán)境，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是軟件、培訓(xùn)和硬件更新所能完成的。有效地使用BIM幾乎需要更改商業(yè)模式的每一方面，需要相關(guān)人員懂BIM技術(shù)和實(shí)施過(guò)程，及需要在轉(zhuǎn)變之前的BIM應(yīng)用計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM涵蓋層面較廣，既是多專業(yè)設(shè)計(jì)、分析、施工和設(shè)施的管理技術(shù)，又是過(guò)程變革的先導(dǎo)。本文剖析了BIM背后的技術(shù)和過(guò)程，BIM實(shí)施相關(guān)的業(yè)務(wù)和組織問(wèn)題，以及有效利用BIM技術(shù)為項(xiàng)目組成員帶來(lái)的好處。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的逐漸應(yīng)用成熟，必將完成軌道交通項(xiàng)目全生命周期統(tǒng)一管理。