城市軌道交通數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程研究與應(yīng)用*

龔 鋮 ，胡賢國 ，2，彭孔曙 ，2，陳 詩 ，2，3

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311100；3.浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100）

城市軌道交通建設(shè)工程項(xiàng)目屬于政府投資的大型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)投資項(xiàng)目，以及國家及地方大力推動(dòng)BIM技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)項(xiàng)目，住建部2016年專門針對(duì)城市軌道交通領(lǐng)域建立課題“BIM技術(shù)在城市軌道交通設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用研究”，以進(jìn)一步推進(jìn)BIM技術(shù)在城市軌道交通設(shè)計(jì)、施工階段的應(yīng)用，并為全生命期內(nèi)的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)[1]。

隨著BIM技術(shù)的普及和相應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，建筑行業(yè)即將進(jìn)入全BIM設(shè)計(jì)時(shí)代，城市軌道交通工程作為建筑行業(yè)的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)過程進(jìn)入全BIM設(shè)計(jì)時(shí)代也將成為必然趨勢(shì)[2]。

1 傳統(tǒng)軌道交通設(shè)計(jì)流程及特點(diǎn)

傳統(tǒng)城市軌道交通工程設(shè)計(jì)流程是線性的，先由建筑專業(yè)牽頭對(duì)整個(gè)車站的公共區(qū)及設(shè)備管理用房進(jìn)行功能分區(qū)和平面布局，建筑專業(yè)提資給結(jié)構(gòu)、暖通、動(dòng)照、給排水等下游專業(yè)，下游專業(yè)再反提資給建筑專業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)。下游專業(yè)需要等建筑專業(yè)的提資才能開展設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)進(jìn)度受建筑專業(yè)的影響較大。提資與反提資的過程煩瑣，在此過程中設(shè)計(jì)人員在容易混淆提資資料，造成專業(yè)之間的設(shè)計(jì)圖紙不一致。

在出具最終的設(shè)計(jì)成果時(shí)還需要圖紙會(huì)簽，而城市軌道交通工程涉及的專業(yè)眾多，會(huì)簽工作量巨大，通常需要1周時(shí)間才能完成會(huì)簽，延長了設(shè)計(jì)周期。

2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程

車站BIM協(xié)同設(shè)計(jì)使用BENTLEY系列軟件來完成：BENTLEY Project Wise作為項(xiàng)目的協(xié)同軟件，AECOsim Building Designer（AECOsim BD）作為項(xiàng)目的核心設(shè)計(jì)與建模軟件。BENTLEY軟件平臺(tái)針對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)的一般特點(diǎn)，采用了工程創(chuàng)建平臺(tái)和工程管理平臺(tái)相結(jié)合的方式進(jìn)行協(xié)同工作。其工程管理平臺(tái)為Project Wise，作為工程管理平臺(tái)的同時(shí)也兼做協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。在設(shè)計(jì)階段，各專業(yè)基于文件通過Project Wise進(jìn)行文件的傳輸與共享，通過架設(shè)不同的Project Wise服務(wù)器實(shí)現(xiàn)本地與異地協(xié)同工作。

本項(xiàng)目通過子模型的協(xié)同設(shè)計(jì)模式進(jìn)行各專業(yè)、各區(qū)域的協(xié)同工作方式，根據(jù)不同專業(yè)和專業(yè)內(nèi)在項(xiàng)目中不同的區(qū)域進(jìn)行劃分，針對(duì)不同專業(yè)和區(qū)域進(jìn)行人員的分配。在同一項(xiàng)目原點(diǎn)中分別建立相應(yīng)的中心文件，用來進(jìn)行專業(yè)、系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖1所示。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程包括以下四個(gè)步驟。

第一步：召開數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)策劃會(huì)，確定協(xié)同設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)項(xiàng)目組織架構(gòu)、模型創(chuàng)建及應(yīng)用要求、模型質(zhì)量和進(jìn)度的保障措施。

第二步：配置協(xié)同設(shè)計(jì)工作環(huán)境、梳理外部設(shè)計(jì)輸入條件。

第三步：依次創(chuàng)建結(jié)構(gòu)、建筑、暖通、動(dòng)照、給排水等專業(yè)初步模型，開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)逐步細(xì)化模型，在協(xié)同設(shè)計(jì)過程中一個(gè)專業(yè)模型發(fā)生任何變動(dòng)，其他專業(yè)都能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)解決碰撞，隨著協(xié)同的深入設(shè)計(jì)方案逐步向合理、可實(shí)施方向發(fā)展。

第四步：三維出圖。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程

對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程有以下三點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：（1）沒有提資、會(huì)簽流程，在避免了煩瑣流程的同時(shí)，也避免了信息不對(duì)稱、信息傳遞不及時(shí)等問題。（2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中是對(duì)圖紙的質(zhì)量控制，而在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中，圖紙是模型的產(chǎn)物，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)模型的質(zhì)量控制來保證圖紙的質(zhì)量，將傳統(tǒng)的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制，進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。（3）數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)所有的圖紙是基于同一個(gè)模型抽出，各個(gè)專業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同，避免了專業(yè)間圖紙不一致，以及同一專業(yè)平、剖面圖不一致的問題。

3 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程應(yīng)用

3.1 工程概況

某城市軌道交通車站總建筑面積為11142.17m2，車站主體建筑面積為7936.96m2，車站附屬建筑面積為3205.21m2。車站設(shè)4個(gè)出入口、1個(gè)緊急疏散出入口、2組風(fēng)亭（2組均為敞口低風(fēng)亭）。站臺(tái)中心線處軌頂面絕對(duì)標(biāo)高為-9.200m；站臺(tái)裝修面絕對(duì)標(biāo)高為-8.150m；站廳裝修面絕對(duì)標(biāo)高為-3.050m；結(jié)構(gòu)頂板頂絕對(duì)標(biāo)高為2.550m；地面絕對(duì)標(biāo)高為5.870m；頂板覆土厚3.32m。車站主體采用2‰的坡度坡向車站大里程端（北高南低）。

3.2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施流程

（1）設(shè)計(jì)環(huán)境配置。根據(jù)軌道交通行業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)指引、總包管理辦法、各專業(yè)總體設(shè)計(jì)要求、工點(diǎn)設(shè)計(jì)管理要求以及模型制圖標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)地完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)環(huán)境配置。通過PW協(xié)同管理平臺(tái)，對(duì)集團(tuán)級(jí)、項(xiàng)目級(jí)、工點(diǎn)級(jí)、專業(yè)級(jí)等各層級(jí)工作空間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)托管、統(tǒng)一管理、自動(dòng)推送、實(shí)時(shí)同步，滿足各個(gè)層次的設(shè)計(jì)和管理需求。通過設(shè)計(jì)環(huán)境定制，將模型制圖標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置到BIM設(shè)計(jì)軟件中，規(guī)范設(shè)計(jì)建模，為三維模型出圖、算量、編碼等應(yīng)用提供模板及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。對(duì)各層級(jí)設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)托管，避免專業(yè)內(nèi)部、各專業(yè)之間、同一項(xiàng)目內(nèi)不同工點(diǎn)之間因設(shè)計(jì)環(huán)境不一致帶來的問題，滿足項(xiàng)目、工點(diǎn)、專業(yè)等各個(gè)層次的需求[3-4]。

（2）模型創(chuàng)建。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，利用傾斜攝影模型、地質(zhì)模型、周邊管線模型、車站體量模型創(chuàng)建車站及周邊環(huán)境模型，如圖2所示?？梢暬治鲕囌局苓叚h(huán)境，便于設(shè)計(jì)單位比選站位和附屬布置，進(jìn)行管線遷改、交通疏解、風(fēng)險(xiǎn)源分析，從而提高業(yè)主決策效率。在車站體量模型的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)專業(yè)初步布置梁、板、柱、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為其他專業(yè)提供基礎(chǔ)模型。建筑專業(yè)在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上對(duì)車站公共區(qū)及設(shè)備管理用房進(jìn)行功能分區(qū)和平面布局，如圖3所示。機(jī)電管線以先大管后小管的原則排布，依次創(chuàng)建暖通、給排水、動(dòng)照等專業(yè)的初步模型并進(jìn)行實(shí)施協(xié)同，任何一個(gè)專業(yè)的模型上可實(shí)時(shí)查看包含其他所有專業(yè)車站的模型如圖4所示，在協(xié)同過程中逐步解決專業(yè)間的碰撞并細(xì)化模型，設(shè)計(jì)方案一步步落地[5]。

（3）三維模型出圖。按施工圖形成的過程，對(duì)三維模型出圖分為三類：①A類指單專業(yè)模型出圖，無須參考其他專業(yè)模型的出圖，如建筑的平剖圖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)平剖圖。如圖5所示。②B類指需要參考其他專業(yè)模型的抽圖，如暖通、給排水的平剖面圖。③C類指通過繪制或者插入圖塊加以編輯而形成的施工圖，如設(shè)計(jì)說明、系統(tǒng)圖。

4 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比分析

圖2 車站及周邊環(huán)境模型創(chuàng)建

圖3 土建模型創(chuàng)建

圖4 機(jī)電模型創(chuàng)建

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由建筑專業(yè)作為牽頭向各個(gè)下游專業(yè)進(jìn)行提資，各個(gè)專業(yè)經(jīng)過本專業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)整后，再返提給建筑專業(yè)，這個(gè)過程極其煩瑣復(fù)雜。特別是在城市軌道交通設(shè)計(jì)中，因下游專業(yè)很多，如結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、動(dòng)照、弱電專業(yè)等，造成設(shè)計(jì)周期加長，項(xiàng)目進(jìn)度緩慢，容易出現(xiàn)“差、錯(cuò)、漏、碰”的情況。BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中各個(gè)專業(yè)可以實(shí)時(shí)協(xié)同其他專業(yè)的模型，提高了溝通效率。在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中建筑專業(yè)可以避免經(jīng)常出現(xiàn)的一些疏漏或錯(cuò)誤，比如車站設(shè)計(jì)中常見的樓梯和結(jié)構(gòu)底、中板凈空高度問題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中首先需要確認(rèn)平面圖、剖面圖及大樣圖等多張視圖的一致性后，才能量取凈空高度，BIM協(xié)同設(shè)計(jì)可以免去各個(gè)視圖確認(rèn)的過程，直接定位就可以確定。

傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)計(jì)中，機(jī)電各專業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容數(shù)量多，功能復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期短，實(shí)際工程中容易與結(jié)構(gòu)梁及機(jī)電本身的位置發(fā)生沖突，有時(shí)甚至需要反復(fù)進(jìn)行管線綜合，常常會(huì)引起工程返工、延期，從而影響美觀，造成不必要的損失。而在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中設(shè)備模型和建筑模型可以在同一個(gè)文件中表達(dá)，各階段有程度不同的管綜工作，由大到小、由粗到細(xì)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，合理排布管線，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，顯著縮短了設(shè)計(jì)和施工周期。通過BIM模型便于施工單位對(duì)復(fù)雜區(qū)域和重點(diǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)要點(diǎn)的理解。設(shè)計(jì)完成后，BIM模型移交給施工單位，施工單位利用BIM模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，有效減輕施工單位的工作量。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)是割裂開來的，設(shè)計(jì)過程是線性的，在完成一個(gè)階段的圖紙后，通過不斷的提資與反提資、不斷的修改，然后才能形成一個(gè)比較統(tǒng)一的成果，最后進(jìn)行會(huì)簽。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不斷反復(fù)、專業(yè)間信息傳遞的不及時(shí)和信息的不對(duì)稱。在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，所有的設(shè)計(jì)工作都是在同一個(gè)模型、同一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境中完成，不需要提資和會(huì)簽，并且所有的模型和圖紙數(shù)據(jù)都是關(guān)聯(lián)的，進(jìn)而保證了圖紙的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中質(zhì)量控制的重點(diǎn)是圖紙，而在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中，圖紙是模型的產(chǎn)物，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)模型的質(zhì)量控制來保證圖紙的質(zhì)量，將傳統(tǒng)的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程控制，進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖5 建筑專業(yè)三維模型出圖

5 結(jié)論

文章提出了基于BENTLEY平臺(tái)的城市軌道交通數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)流程，并將該流程在某地的城市軌道交通車站開展了應(yīng)用，得出結(jié)論如下。

（1）通過數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的四個(gè)流程，將大量設(shè)計(jì)工作前置，改變了傳統(tǒng)線性設(shè)計(jì)的模式，破除了專業(yè)間的溝通壁壘，提前暴露出設(shè)計(jì)過程中存在的問題，避免了由設(shè)計(jì)流程原因引起的返工和設(shè)計(jì)變更。

（2）設(shè)計(jì)環(huán)境配置實(shí)現(xiàn)了各層級(jí)工作環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)托管、統(tǒng)一管理、自動(dòng)推送、實(shí)時(shí)同步，滿足了各個(gè)層次的設(shè)計(jì)和管理需求，設(shè)計(jì)環(huán)境具備可復(fù)用性、可拓展性，能夠滿足不同地域城市軌道交通設(shè)計(jì)定制化的需求。

（3）數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)以過程控制為抓手，不僅有效解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的碰撞、圖紙不一致等問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，還解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中提資不及時(shí)、會(huì)簽煩瑣等問題，提高了設(shè)計(jì)效率。