基于BIM的地鐵車站深化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

田 瓊,周 基,,黃 良,蔡 強(qiáng)

(1.湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 永州 425199;2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

BIM 技術(shù)是新興的信息技術(shù),是促進(jìn)建筑行業(yè)技術(shù)升級改造與推動工程數(shù)字化、信息化的助推器,支撐著國家創(chuàng)新型戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃的實(shí)施.近年來,不少學(xué)者與工程技術(shù)人員持續(xù)聚焦BIM 技術(shù)在地下工程的應(yīng)用研究.劉卡丁等[1]針對地鐵車站管線綜合安裝復(fù)雜性的特點(diǎn),應(yīng)用BIM 技術(shù)較好地解決了綜合管線碰撞檢查問題,實(shí)現(xiàn)了施工的優(yōu)化.李坤[2]在地鐵車站建設(shè)中應(yīng)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)建模、碰撞分析的基礎(chǔ)上,拓展了結(jié)構(gòu)計(jì)算和工程量統(tǒng)計(jì)等功能,為實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在地鐵車站全生命周期的應(yīng)用提供了參考.周少東等[3]探索了將地鐵施工過程中的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等信息與3D-BIM 模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成集成管理系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)施工過程多維度信息的準(zhǔn)確高效傳遞與集成管理.錢七虎[4]指出了基于BIM 與大數(shù)據(jù)技術(shù),地下工程從數(shù)字化走向智慧化的工程建設(shè)信息化發(fā)展方向.2017年后,基于BIM 技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)、BIM+GIS、BIM+VR、BIM 與物聯(lián)網(wǎng)及三維激光掃描技術(shù)、BIM 信息化平臺等理論研究與工程應(yīng)用進(jìn)入了新的發(fā)展階段[5～7].雖然BIM 技術(shù)理論研究發(fā)展迅速并不斷走向深入,但工程的實(shí)際應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步提升.本文在借鑒已有理論研究及實(shí)際應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,依托長沙軌道交通4 號線(也稱為長沙地鐵4 號線)工程,主要開展基于BIM 技術(shù)的漢王陵公園站深化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究,探索BIM 技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用效果.

1 工程概況

漢王陵公園站為長沙地鐵4 號線一期工程的第四個站,位于北二環(huán)路與銀杉路交叉口北側(cè),呈南北向布置,為雙層箱型框架結(jié)構(gòu).總平面圖如圖1所示.車站有效站臺中心里程為DK18+334.000,設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為DK18+134.650,設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為DK18+414.600,總長為279.95 m.車站有效站臺中心里程處軌面高程(絕對值)為32.86 m,標(biāo)準(zhǔn)段線間距15 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度20.7 m,地面標(biāo)高約47.933 m,車站主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度約為3.5 m.車站南北兩端均設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井,為地下二層島式站臺車站.車站設(shè)站后停車線,島式站臺寬度12 m,車站寬20.7 m,總建筑面積15492.88 m2.地下一層為車站站廳層,地下二層為車站站臺層.車站共設(shè)4 個出入口(其中4 號出入口為預(yù)留出入口)與2 組風(fēng)亭.

圖1 長沙地鐵4 號線漢王陵公園站總平面圖

2 深化設(shè)計(jì)方法

2.1 深化設(shè)計(jì)主要工具

建立達(dá)到施工精度要求的BIM 模型是開展基于BIM 技術(shù)的地鐵車站深化設(shè)計(jì)的首要工作.目前能實(shí)現(xiàn)三維信息模型的主流BIM 軟件平臺及其特點(diǎn)見表1[8～10].考慮到Revit 軟件具有強(qiáng)大的協(xié)作性能、較強(qiáng)的細(xì)節(jié)展示以及能快速搭建模型等優(yōu)勢,故選擇以Revit 軟件為核心,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等為輔助軟件,共同組成漢王陵公園站深化設(shè)計(jì)的BIM 軟件平臺.

表1 幾種常見BIM 平臺優(yōu)點(diǎn)及不足

Fuzor 能與建模軟件實(shí)時同步,模擬現(xiàn)實(shí),VR 查看,但模型不能輕量化Lumion 實(shí)時可視化3D,快速渲染,但在編輯時不能連續(xù)撤銷光輝城市Mars PC/VR 雙模編輯,3D 信息及時傳遞,實(shí)時渲染,但模型精細(xì)化程度有待提高草圖大師 簡易,快速建模,但數(shù)據(jù)化較差

2.2 深化設(shè)計(jì)內(nèi)容及模型建立

考慮地鐵車站優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容可能包括建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)與空調(diào)、給排水及消防、動力照明以及裝飾裝修等,為了能夠較好地進(jìn)行工作協(xié)同與信息傳遞,根據(jù)長沙地鐵4 號線漢王陵公園站相關(guān)的土建設(shè)計(jì)圖、機(jī)電設(shè)計(jì)圖、裝修設(shè)計(jì)圖,采用Revit 軟件分別建立土建BIM 模型、機(jī)電BIM 模型以及裝修BIM 模型,如圖2至圖4所示.確保各專業(yè)模型的精度能夠滿足實(shí)際需要,從而能方便實(shí)現(xiàn)基于BIM 平臺信息的協(xié)同交流[11].

圖2 車站土建模型

圖3 車站機(jī)電模型

圖4 車站裝修模型

3 基于BIM 的漢王陵公園站深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 可視化協(xié)同交互設(shè)計(jì)

工程規(guī)模大、需要考慮的專業(yè)多、功能分區(qū)復(fù)雜及設(shè)計(jì)協(xié)作難度大是地鐵項(xiàng)目的主要特點(diǎn)[11].如圖5所示,基于BIM 技術(shù)平臺Revit 軟件的鏈接模式及工作集模式,能使多方設(shè)計(jì)人員對漢王陵公園站按照各專業(yè)或區(qū)域信息同時進(jìn)行模型創(chuàng)建、編輯與調(diào)整等綜合協(xié)同設(shè)計(jì),促進(jìn)各專業(yè)間及專業(yè)內(nèi)信息的及時溝通,實(shí)現(xiàn)對所設(shè)計(jì)模型的相互印證,從而提升整體協(xié)同工作效率,促進(jìn)項(xiàng)目模型的高效整合與數(shù)據(jù)有效融合.

圖5 基于BIM 平臺的漢王陵公園站可視化協(xié)同交互設(shè)計(jì)

3.2 管線綜合深化設(shè)計(jì)

地鐵工程項(xiàng)目中,機(jī)電管線相對較多,給精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與精細(xì)施工帶來較大的困難.采用BIM 技術(shù)能有效預(yù)判機(jī)電管線間高度、位置以及施工安裝環(huán)境情況,減少了后期不必要的返工、降低了施工難度,加快了施工進(jìn)度、節(jié)約了成本.漢王陵公園站站廳層設(shè)備區(qū)水泵機(jī)房深化設(shè)計(jì)成果如圖6所示.在對該水泵機(jī)房進(jìn)行合理排布時,共發(fā)現(xiàn)30 處地方存在問題,需要深化設(shè)計(jì).圖6(a)與圖6(b)顯示了系統(tǒng)管道優(yōu)化前后對比.設(shè)計(jì)人員利用BIM 技術(shù)對模型不斷地優(yōu)化,最終獲得精細(xì)化的BIM 管線綜合排布圖(圖6(c))和BIM深化設(shè)計(jì)模型(圖6(d)).

圖6 漢王陵公園站站廳層設(shè)備區(qū)水泵機(jī)房管線綜合深化設(shè)計(jì)成果

3.3 碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)

碰撞是地鐵工程項(xiàng)目中經(jīng)常出現(xiàn)的問題.常用的碰撞分析軟件為Navisworks,它是一款優(yōu)秀的BIM三維設(shè)計(jì)軟件[12].在對漢王陵公園站工程項(xiàng)目進(jìn)行碰撞分析時,共發(fā)現(xiàn)問題964 處,在各專業(yè)構(gòu)件之間的碰撞中,裝修與機(jī)電、土建與機(jī)電、土建與裝修的碰撞是最多的,所占比率達(dá)到了92%.碰撞類型與數(shù)量如圖7所示.

圖7 漢王陵公園站碰撞類型與數(shù)量

碰撞問題可分為硬碰撞和軟碰撞,其中軟碰撞又稱為間隙碰撞.橋架與風(fēng)管之間的碰撞是硬碰撞中很常見的類型.如圖8所示,在設(shè)計(jì)時就可考慮將橋架向上折彎后直走,再向下折彎繞過風(fēng)管進(jìn)行安裝,避免了管線之間的碰撞,提前解決了施工安裝過程中會遇到的問題.站廳層公共區(qū)裝修天花鋁板與風(fēng)管風(fēng)口位置沖突是軟碰撞類型.如圖9所示,在BIM 模型中對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),調(diào)整風(fēng)管風(fēng)口的位置,可達(dá)到通風(fēng)效果.

圖8 漢王陵公園站橋架與風(fēng)管硬碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖9 漢王陵公園站站廳層公共區(qū)裝修天花鋁板與風(fēng)管風(fēng)口位置軟碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.4 其他深化設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.4.1 優(yōu)化預(yù)留洞口

土建模型與機(jī)電模型的融合匹配在地鐵車站設(shè)計(jì)中是非常關(guān)鍵的,通常需要預(yù)留較多孔洞.漢王陵公園站機(jī)電預(yù)留孔洞優(yōu)化模型如圖10 所示.在BIM 平臺軟件輔助下,應(yīng)用插件可快速完成洞口預(yù)留優(yōu)化,為土建施工方技術(shù)交底時各參與人員明確預(yù)留孔洞的位置和尺寸創(chuàng)造了有利條件.

3.4.2 專業(yè)圖紙輸出

專業(yè)圖紙的輸出是BIM 技術(shù)工程應(yīng)用的又一大優(yōu)勢.在漢王陵公園站圖紙優(yōu)化設(shè)計(jì)中,通過優(yōu)化設(shè)置統(tǒng)一的BIM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),如預(yù)先規(guī)范圖紙比例、詳細(xì)程度、視覺樣式、規(guī)程、構(gòu)件的填充顏色和填充樣式以及差異的標(biāo)注等,可使得平面圖、剖面圖及局部詳圖等專業(yè)圖紙更精準(zhǔn)、直觀,無需重復(fù)操作,提高工作效率.

3.4.3 工程量清單統(tǒng)計(jì)

不斷優(yōu)化的BIM 工程模型能及時展示豐富的工程信息,是一個強(qiáng)大的數(shù)據(jù)資源庫.優(yōu)化后的BIM 模型數(shù)據(jù)庫,可實(shí)現(xiàn)對車站的各類專業(yè)構(gòu)件、設(shè)備的諸如數(shù)量、尺寸等工程信息的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì),為項(xiàng)目全過程管理提供了可靠的依據(jù).

圖10 漢王陵公園站機(jī)電預(yù)留孔洞優(yōu)化模型

3.4.4 方案動畫模擬

Navisworks、Fuzor 和Lumion 是BIM 平臺的集成軟件,具有虛擬漫游、動畫渲染等功能.通過動畫模擬可直觀、明了地展示所選方案重難點(diǎn),為驗(yàn)證方案的合理性、尋求最優(yōu)的工程解決方案提供了條件.同時,方案動畫模擬方便了項(xiàng)目實(shí)施時的技術(shù)交底與施工協(xié)調(diào)安排等工作的開展.

4 結(jié)論

基于BIM 技術(shù)的長沙地鐵4 號線漢王陵公園站深化設(shè)計(jì),是在創(chuàng)建達(dá)到施工精度要求的BIM 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的.Revit 是BIM 軟件平臺的核心建模軟件,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等BIM 平臺集成軟件為漢王陵公園站深化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐.BIM 技術(shù)的應(yīng)用貫穿了漢王陵公園站設(shè)計(jì)到施工全過程,覆蓋了組織設(shè)計(jì)到現(xiàn)場施工管理多領(lǐng)域,提高了技術(shù)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)及施工管理效率,為項(xiàng)目獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造了有利條件.

(1)BIM 為項(xiàng)目參與人員可視化協(xié)同交互設(shè)計(jì)提供了保障.BIM 技術(shù)平臺為漢王陵公園站各專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模型創(chuàng)建、編輯與調(diào)整等協(xié)同交互設(shè)計(jì)提供了平臺保障,基于標(biāo)準(zhǔn)化的建模體系,促進(jìn)了漢王陵公園站整體協(xié)同設(shè)計(jì)的有力開展,保證了項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)與各專業(yè)圖紙的精準(zhǔn)輸出,推動了設(shè)計(jì)施工一體化及智能建造的有效實(shí)施.

(2)BIM為項(xiàng)目實(shí)施儲備了豐富精確的工程信息數(shù)據(jù)資源.應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建的漢王陵公園站三維參數(shù)化模型包含了豐富的工程信息,隨著漢王陵公園站各專業(yè)模型的不斷優(yōu)化,施工所需的工程信息及環(huán)境信息數(shù)據(jù)資源被精準(zhǔn)創(chuàng)建,建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修等各專業(yè)BIM 參數(shù)化信息數(shù)據(jù)得到有效整合,實(shí)現(xiàn)了各類信息數(shù)據(jù)的快速精確導(dǎo)出,不僅為項(xiàng)目實(shí)施提供了可靠的依據(jù),而且也為后期精益建造與智慧建造提供了有力支撐.

(3)BIM為項(xiàng)目全過程精細(xì)化管理創(chuàng)造了條件.多方協(xié)同下深化設(shè)計(jì)的漢王陵公園站BIM三維模型被實(shí)時、自動呈現(xiàn),避免了因多次修改導(dǎo)致部分內(nèi)容自相矛盾現(xiàn)象的出現(xiàn),進(jìn)一步優(yōu)化了管理部門之間的銜接,保證了管理流程的合理性及決策者決策判定的時效性.同時,通過施工全過程模擬預(yù)判項(xiàng)目實(shí)施過程中的重點(diǎn)關(guān)鍵部位可能產(chǎn)生的各類問題,經(jīng)過土建、機(jī)電、裝修等各專業(yè)綜合深化設(shè)計(jì),碰撞及預(yù)留洞口等問題被較好地優(yōu)化處理,不僅保證了施工的順利進(jìn)行,也降低了項(xiàng)目成本、節(jié)約了時間、提高了工程質(zhì)量,保障了精細(xì)化施工管理有效開展.