BIM技術在地鐵車站施工階段的應用研究

黃兆凱

（中鐵十六局電氣化工程有限公司，北京 100020）

1 引言

BIM技術的起源是美國，這一技術最早由美國斯坦福大學于2003年提出，其最初形態(tài)實質(zhì)上是一個動態(tài)模擬施工過程的軟件。其在發(fā)展的過程之中逐步加入了信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、建筑環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的加入極大地擴展和豐富了BIM技術的作用，實現(xiàn)了對建筑施工過程的模擬和有效管理。這一技術在我國也得到了全新的發(fā)展，2008年我國的相關研究學者和專家將這一技術同建筑節(jié)能技術相結合，成功開發(fā)了全新的BIM建筑數(shù)據(jù)管理平臺。2009年我國的科學家將這一技術同有限元分析整合為一個整體，使其實現(xiàn)了施工建筑過程和建設結構設計過程信息的交互。2010年我國科學家借助這一系統(tǒng)構建了完整的建筑成本預算信息模型。2011年我國科學家和技術人員借助這一技術成功的開發(fā)出了對施工資源進行動態(tài)管理的數(shù)據(jù)系統(tǒng)和成本監(jiān)控系統(tǒng)。

近年來國外在應用BIM技術的過程之中也取得了一系列的科研成果和實踐成果。美國將這一技術成功地應用到鳳凰城的輕軌建設項目之中，對項目之中涉及的軌道進行了優(yōu)化，在保證了施工質(zhì)量的前提下有效的縮短了工期，減少了成本預算。新加坡將這一技術應用到了綜合管線的監(jiān)測之中，其有效提高了相關工作的工作效率，提升了施工的速度。英國在建設海峽隧道的過程之中采用BIM技術對隧道整體進行三維建模，進而將BIM技術應用到了隧道設計、施工、運營的各個環(huán)節(jié)之中，成功實現(xiàn)了BIM技術在隧道建設過程之中的系統(tǒng)化應用。國內(nèi)最早對于這一技術的應用是在2006年，在成都的地鐵建設過程之中相關的技術人員利用BIM技術對涉及的管線進行了深入的研究，并進行了數(shù)字化三維設計。此后我國在地鐵建設的過程之中逐步加大加深了對這一技術的應用，其有效地解決了地鐵建設過程之中的協(xié)同設計問題，極大地提升了設計和施工的效率。從整體上看近年來國內(nèi)外對于BIM技術的應用已經(jīng)取得了一定的實踐成果，有效地解決了建筑過程之中存在的諸多問題。加強這一技術在地鐵建設過程之中的應用，對于提升地鐵建設的效率，降低地鐵建設的成本具有積極的意義。

2 BIM技術應用基礎條件概述

2.1 BIM軟件選擇

采用BIM技術的第一步是選擇合適的BIM軟件以及同這一軟件相匹配的硬件和服務器設施?，F(xiàn)階段國際上得到廣泛應用的BIM軟件有三種：一是美國的Revit軟件；二是法國的CATIA、DELMIA軟件；三是芬蘭的Xsteel軟件。這三種軟件有著各自不同的特點和優(yōu)勢，在使用的過程之中需要根據(jù)自身工程建設項目的特點進行針對性的選擇。CATIA、DELMIA這兩種軟件非常適宜對各種復雜的空間進行三維建模以及進行三維模擬動畫的制作。Xsteel的優(yōu)點主要體現(xiàn)在鋼結構的建模過程之中，此外其在完成建模之后能夠直接輸出高標準的圖紙，極大地減輕了建筑設計過程之中的圖紙繪制工作量。Revit軟件的優(yōu)點，一是能夠輕易地實現(xiàn)協(xié)同設計，即將建筑物之中的各種要素整合為一個整體進行設計；二是具備完善的建筑結構設計和建筑功能設計的工具，其實現(xiàn)了對各種材質(zhì)的物理模型的集成，有效地提升了設計效率；三是其提供了對外連接的AIP接口，其能夠同其他類型的結構分析軟件、管理軟件等聯(lián)合，從而實現(xiàn)對設計內(nèi)容的處理和管理，此外也可以通過其接口自行編程以實現(xiàn)設計者需要達到的目的。從整體上看Revit軟件非常適合各個工種進行協(xié)同設計。在大型項目建設的過程之中，為實現(xiàn)將所有的建設內(nèi)容集成為一個整體并有效地對這一個整體進行管理，通常選用Revit軟件。

2.2 BIM軟件的硬件配置要求

不同版本的Revit軟件對硬件配置存在一定的差異，但是這些版本的軟件在運行的過程之中具有相似的最低運行環(huán)境要求，在硬件配置的過程之中必須滿足軟件對最低硬件配置的要求，且在這一基礎上盡可能地提升硬件設施的配置。Revit軟件的硬件配置最低要求是具有IntelXeonE5系列CPU，內(nèi)存至少達到32GB，具有支持熱插拔的1T硬盤，具備雙千兆的以太網(wǎng)端口。

3 地鐵車站BIM三維建模過程

在進行地鐵車站的三維建模之前首先要對車站的類型進行劃分，確定車站的等級等內(nèi)容。在明確車站的相關信息之后需要對車站周邊的地理環(huán)境信息進行深入的收集和整合，在完成一系列的基礎信息的整理工作之后開始車站的三維建模。

3.1 三維建模的流程和思路

三維建模的流程可以劃分為以下幾個階段：第一個階段，繪制地跌車站的標高并繪制和導入地鐵軸網(wǎng)圖。第二階段，依托軸網(wǎng)圖繪制地鐵車站涉及的各種豎井和導洞，這一階段的重點是根據(jù)車站的具體設計進行內(nèi)部結構的建模。在三維建模的過程之中為嚴格地按照設計的要求進行建模，需要采用不同的方法對車站的不同位置進行建模。例如對于車站之中存在的外形結構較為簡單的板、梁、柱等結構，可以借助系統(tǒng)之中自帶的模型進行快速的參數(shù)化建模。對于地鐵車站之中涉及的異形結構，要采用軟件自帶的外建族功能進行建設，對于細節(jié)較為復雜的結構則可以采用3DMax軟件進行建模，在建模完成之后再導入到Revit軟件之中。

3.2 建模的特點

在完成地鐵車站的三維建模的過程之中要注重對以下特點的把握：一是針對性，在進行地鐵車站的建設過程之中要根據(jù)車站的具體特點選擇適宜的建模軟件和適宜的建模方法進行BIM模型的構建。二是精準性，在建模的過程之中要嚴格遵照車站的設計進行建模，在模型之中要準確全面地反映各項設計要求和信息。三是建模過程盡可能實現(xiàn)參數(shù)化，對能夠進行準確全面參數(shù)描述的物體應該通過一系列的參數(shù)去構建。四是規(guī)范性，在建模的過程之中要充分考慮到現(xiàn)實的設計規(guī)范和施工規(guī)范，使構建的三維模型在設計變更和施工建設的過程之中切實發(fā)揮作用。五是批量化，在建模的過程之中對于大量使用的部分構件應該參照其二維圖紙進行繪制，進而一次性大批量地完成重復使用的構件的建模。

4 BIM技術在地鐵車站施工階段的應用

在完成對車站的BIM模型構建的基礎上，為了強化這一技術在地鐵車站施工過程之中的應用，需要進行BIM4D管理系統(tǒng)平臺的建設，借助這一平臺實現(xiàn)動態(tài)模擬技術、資源管理技術、沉降監(jiān)測技術、施工進度控制技術以及WBS過濾技術在地鐵車站施工階段的應用。

地鐵BIM4D管理系統(tǒng)是在VS2008的環(huán)境之中采用C#語言開發(fā)出的一種管理平臺。其采用了SQL Server 2005作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，整個系統(tǒng)平臺被劃分為5個層面，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的有效處理和較好的人機交互。這一平臺在使用的過程之中體現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性和兼容性，能夠非常便捷地對其中的數(shù)據(jù)進行修改。

4.1 動態(tài)模擬技術

在地鐵車站建設之前對施工的過程進行動態(tài)模擬有助于及時發(fā)現(xiàn)制定的施工方案之中存在的缺陷和漏洞。此外，在施工的過程之中對于某些設施的施工形成不同意見時，也可以借助動態(tài)模擬施工技術對各種施工方法進行比較，進而選出最優(yōu)的施工方案。從某種程度上分析，這一技術對于優(yōu)化地鐵車站的施工方案起到了較為重大的作用。動態(tài)模擬在傳統(tǒng)上是由Revit的下游軟件Naviswork來完成，但是這一軟件在實踐的過程之中存在動態(tài)顯示效果差的缺陷，對于規(guī)模較大的三維模型，其存在較為嚴重的畫面失真現(xiàn)象。因此現(xiàn)階段通常是借助BIM4D管理系統(tǒng)進行動態(tài)模擬施工，其模擬的過程劃分為5個步驟：一是將Revit、3DMax等軟件之中繪制的模型轉(zhuǎn)化為IFC標準格式；二是將標準格式的模型導入到4D管理系統(tǒng)之中；三是依據(jù)地鐵車站的實際施工進展情況繪制施工進度計劃；四是將編制的施工進展計劃導入到4D管理系統(tǒng)之中；五是將導入的標準模型同施工進度計劃相連接構建完整的施工進度模型。

4.2 WBS過濾技術

WBS技術實質(zhì)上就是對工作進行合理分解的技術，其本質(zhì)是將復雜的項目按照一定的層級分解成為一個一個易于管理和操作的小項目。在BIM4D管理系統(tǒng)之中應用這一技術是指在繪制模型的過程之中就對復雜的地鐵車站施工項目進行劃分，分解為一個個細小的項目。在地鐵車站施工的過程之中依據(jù)分解的結果，執(zhí)行一個個小項目進而完成大項目的建設。這一技術的應用極大地降低了地跌車站建設的復雜性和技術難度，提升了施工的效率。

4.3 施工進度控制技術

在完成地鐵車站模型的構建和施工進度的編制之后，在BIM4D管理系統(tǒng)之中能夠形成工序同時間一一對應的時刻表。在真實施工的過程之中將實際完成各工序的時間輸入到BIM4D管理系統(tǒng)之中就可以對實際施工進度和理論進度進行分析，進而明確在施工的過程之中哪一道工序耗費的時間遠遠超過預期估算的時間。這一技術的應用使地跌車站的施工進度處于一個透明的狀態(tài)，能夠及時準確地了解地鐵車站施工每一時刻的進展進而有針對性地進行人員和物資的部署，極大提升了地鐵車站施工的過程之中對各種物資的使用效率，有效降低了地鐵施工的綜合成本。

4.4 資源管理技術

在進行地鐵車站施工的過程之中需要耗費大量的各種類型的資源，實現(xiàn)對資源的有效管理，能夠極大地提升施工的效率。BIM4D管理系統(tǒng)之中集成了工程量計算模塊、資源消耗分析模塊，資源分攤計算模塊，現(xiàn)場資源查詢模塊等。這些模塊的互相配合實現(xiàn)了對地鐵施工現(xiàn)場所有的資源的高效管理，能夠及時滿足地鐵車站施工的過程之中需要的各種資源，也有效地避免了地鐵車站施工的過程之中對各種資源的浪費。此外，這些模塊的互相配合還能夠減少相關材料的庫存，有效地降低了地鐵車站建設的綜合成本。

4.5 沉降監(jiān)測技術

在地鐵車站施工的過程之中為保證施工安全，需要對施工現(xiàn)場進行實時的沉降監(jiān)測并將相關的監(jiān)測結果實時進行匯總。采用BIM4D監(jiān)測系統(tǒng)其能夠在施工現(xiàn)場設置系統(tǒng)全面的監(jiān)測點，及時對監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行采集并將數(shù)據(jù)導入到系統(tǒng)之中，系統(tǒng)根據(jù)導入的信息進行實時的分析，將每日的沉降量和施工過程之中發(fā)生的總沉降量進行全面及時的統(tǒng)計分析。在完成分析之后將分析結果同允許范圍進行比較，及時發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場存在的沉降危險，確保施工的安全。

5 小結

現(xiàn)階段國內(nèi)外就BIM技術在地鐵車站建設之中的應用已經(jīng)取得了一系列的成果，其在應用的過程之中顯著地提升了地鐵施工的效率，降低了地鐵施工的成本，采用這一技術進行地鐵車站施工將成為未來的趨勢。