基于BENTLEY平臺(tái)的地鐵車站結(jié)構(gòu)三維正向設(shè)計(jì)研究*

馬超超，臧延偉,2，沈霄云，許原騎

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(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）

近年來，無論是國家行業(yè)政策還是技術(shù)需求方面，都非常重視信息化建設(shè)以及BIM 技術(shù)的發(fā)展[1]。由于設(shè)計(jì)在工程全產(chǎn)業(yè)鏈中處于龍頭地位，是工程最主要的信息來源，同樣BIM 設(shè)計(jì)也是BIM 應(yīng)用的信息源頭，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，對(duì)于BIM的全生命周期工程應(yīng)用至關(guān)重要。BIM發(fā)展之初就是為了解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)弊端與不足，其頂層設(shè)計(jì)站位很高，優(yōu)勢(shì)顯著[2-3]，相關(guān)文獻(xiàn)很多，此次不做贅述。但國內(nèi)正向設(shè)計(jì)的發(fā)展依然相較緩慢，特別是在地鐵設(shè)計(jì)行業(yè)，大多尚處于應(yīng)用模式探索階段[4-6]，工程實(shí)踐應(yīng)用成果更是極少。

文章以國內(nèi)某城市1號(hào)線的一個(gè)地鐵車站設(shè)計(jì)項(xiàng)目為依托，從實(shí)際地鐵車站設(shè)計(jì)應(yīng)用出發(fā)，開展BIM 施工圖正向設(shè)計(jì)嘗試，為BIM 正向設(shè)計(jì)的落地進(jìn)行探索，現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)及施工圖出圖。由于項(xiàng)目開展初期并未考慮進(jìn)行全面正向設(shè)計(jì)，僅施工圖設(shè)計(jì)階段選取個(gè)別工點(diǎn)進(jìn)行試點(diǎn)，因此機(jī)電、設(shè)備、裝修等專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)未能同步啟動(dòng)，先期開展建筑和結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)正向設(shè)計(jì)。雖然未能實(shí)現(xiàn)全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，存在一些遺憾，但以國內(nèi)三維正向設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，從個(gè)別專業(yè)入手進(jìn)行突破，再談多專業(yè)協(xié)同問題，或許更切實(shí)際。

1 項(xiàng)目簡介

試點(diǎn)項(xiàng)目是一座標(biāo)準(zhǔn)車站，車站長193.6m，寬19.7m，頂板覆土厚度約3.0m，結(jié)構(gòu)高度約13.3m，地下2層單注雙跨框架結(jié)構(gòu)。由于線路模型交付采用Bentley平臺(tái)，考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、成果格式的一致性，該項(xiàng)目遂基于該平臺(tái)，從結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，開展了模型創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)計(jì)算、實(shí)體配筋、抽圖制圖、設(shè)計(jì)審查、成果提交六個(gè)階段的應(yīng)用研究，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和問題分析。

2 結(jié)構(gòu)專業(yè)三維正向設(shè)計(jì)

2.1 模型創(chuàng)建

模型創(chuàng)建過程主要如下：建筑專業(yè)創(chuàng)建統(tǒng)一的軸網(wǎng)系統(tǒng)及樓層標(biāo)高（統(tǒng)一坐標(biāo)及標(biāo)高，確保不同專業(yè)建模定位的一致性），結(jié)構(gòu)和建筑專業(yè)分別在此基礎(chǔ)上根據(jù)自身方案進(jìn)行建模，最后通過鏈接參考的方式形成整體建筑結(jié)構(gòu)模型，再對(duì)模型及各自的方案進(jìn)行復(fù)核，查找設(shè)計(jì)方案中的錯(cuò)誤及漏洞，模型成果詳見圖1。

圖1 車站結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)三維建模宜按照先主體后附屬的原則，自下而上逐層進(jìn)行。層內(nèi)建模宜按照先柱、再墻、后梁、最后板的創(chuàng)建順序。規(guī)則且形狀簡單的構(gòu)件可使用BENTLEY平臺(tái)自帶構(gòu)件模塊。該方式操作簡便且構(gòu)件自帶屬性，僅需設(shè)置構(gòu)件尺寸、確定放置方式、定位擺放，即可完成構(gòu)件創(chuàng)建。另外，BENTLEY還提供了多種基于布爾運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)處理方式，可滿足不同構(gòu)件之間連接要求。除以上建議外，建模仍需滿足一定的規(guī)則，以確保后續(xù)階段工作正常開展。三維結(jié)構(gòu)建模規(guī)則見表1。

表1 三維結(jié)構(gòu)建模規(guī)則

雖然BENTLEY提供了通用的結(jié)構(gòu)建模解決方案，實(shí)現(xiàn)快速建模，但對(duì)地鐵上較為常見的異形構(gòu)件或是異形節(jié)點(diǎn)，其適用性仍有待加強(qiáng)，比如Y型梁、上下翻梁及板墻腋角等建模操作較為復(fù)雜，需先創(chuàng)建相應(yīng)形狀的多面體，再對(duì)體賦構(gòu)件屬性（如梁、板、柱等屬性）和材料屬性（如混凝土、鋼等）。該方式為異性構(gòu)件通用的處理方式，能滿足用戶自定義需求，但是創(chuàng)建過程較為繁瑣，且構(gòu)件創(chuàng)建后不易修改編輯。地鐵車站設(shè)計(jì)等大型工程，構(gòu)件眾多，將極大地增加設(shè)計(jì)人員重復(fù)工作量。為進(jìn)一步增強(qiáng)BENTLEY平臺(tái)在地鐵設(shè)計(jì)中的適用性，華東院基于MicroStation二次開發(fā)了PlantDesigner插件，提供了地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見異形構(gòu)件（如樓梯、上下反梁、Y型梁、腋角、斜板等）的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案，大幅提高了地鐵車站結(jié)構(gòu)建模和修改再編輯效率。PlantDesigner插件界面見圖2。

圖2 PlantDesigner插件界面

在不斷探索和二次開發(fā)人員的努力下，BENTLEY平臺(tái)在地鐵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已日趨完善，但仍存在部分問題需進(jìn)一步解決。例如：盾構(gòu)孔洞門環(huán)梁、后澆帶啟口、變形縫等尚無法參數(shù)化；模型修改過程中的構(gòu)件聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)制尚無法實(shí)現(xiàn)，梁調(diào)整后，板不能跟隨梁邊自動(dòng)調(diào)整，需對(duì)板另行編輯，而已成型構(gòu)件的再編輯往往不是很便捷，有時(shí)甚至沒有刪除重建效率高。雖然該部分訴求目前無法實(shí)現(xiàn)，但相信后期隨著國內(nèi)相關(guān)單位參與度和開發(fā)力度的提升，將進(jìn)一步提高地鐵行業(yè)正向設(shè)計(jì)的工作效率。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

現(xiàn)階段BENTLEY平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算接口不是很豐富，主要提供STAAD、PKPM、ANSYS的數(shù)據(jù)接口。STAAD主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算，在混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算分析上，無法滿足國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；PKPM結(jié)構(gòu)模型需要用PBIMS軟件進(jìn)行創(chuàng)建；ANSYS也需通過二次開發(fā)接口。對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用比較廣泛的SAP2000和Midas等軟件尚未能提供有效的模型及數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口。因此，該設(shè)計(jì)未能實(shí)現(xiàn)同模型結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。后期將針對(duì)該模塊進(jìn)行專題分析，以驗(yàn)證其在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的適用性。

2.3 實(shí)體配筋

該配筋設(shè)計(jì)主要使用華東院二次開發(fā)的配筋軟件ReStation模塊，具體見圖3?；静襟E：（1）設(shè)定配筋基本規(guī)則?？梢栽O(shè)置抗震等級(jí)、錨固長度、末端鋼筋彎折等基本設(shè)定，也可以對(duì)大體積構(gòu)件、梁、板、柱等構(gòu)件單獨(dú)進(jìn)行配筋參數(shù)控制，滿足國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。（2）建立配筋單元。將配筋的構(gòu)件定義為配筋單元，可添加配筋單元的編號(hào)或名稱（只有對(duì)已創(chuàng)建配筋體的構(gòu)件才能進(jìn)行后續(xù)配筋）。（3）添加關(guān)聯(lián)構(gòu)件或是收尾支座。定義構(gòu)件鋼筋的錨固對(duì)象，目前軟件已支持構(gòu)件自動(dòng)搜索關(guān)聯(lián)構(gòu)件，對(duì)于個(gè)別未能自動(dòng)識(shí)別的，可手動(dòng)添加。（4）設(shè)置配筋單元主筋、箍筋、拉筋或其他構(gòu)造鋼筋參數(shù)，進(jìn)行配筋。配筋相同的構(gòu)件可通過配筋復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)批量快速配筋。

圖3 ReStation模塊界面

配筋要求建模需要滿足一定的規(guī)則，詳見表1。如梁端頭支座位置須錨入豎向構(gòu)件內(nèi)，再使用布爾操作切除重疊部分，如此配筋時(shí)將自動(dòng)識(shí)別梁支座，實(shí)現(xiàn)梁端鋼筋的錨固。

車站整體配筋時(shí)，不可避免的會(huì)有不少的節(jié)點(diǎn)是軟件無法自動(dòng)識(shí)別的，需要進(jìn)行單獨(dú)處理。如此，整個(gè)車站模型的配筋是一項(xiàng)非常龐大的工程，往往比創(chuàng)建模型更為復(fù)雜。如果能實(shí)現(xiàn)更為智能的軟件自動(dòng)處理，或許可以解決該問題，但現(xiàn)階段還有許多問題需要克服。另外，對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，顯示三維配筋對(duì)于工程實(shí)際意義不大，而且配筋會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，也不利于單個(gè)模型全生命周期的傳遞。因此，現(xiàn)階段配筋是否有必要三維配筋，有待進(jìn)一步商榷；或許只保留構(gòu)件的配筋信息，不進(jìn)行具體的顯示是目前更優(yōu)的選擇。

2.4 抽圖制圖

針對(duì)抽圖功能，BENTLEY提供了一套比較完善的解決方案，可將剖切面、前視圖、后視圖三個(gè)維度的信息壓縮成一張二維圖紙，同時(shí)可以根據(jù)需求自定義不同的線型、樣式、顏色等。對(duì)于較復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，亦可通過二次或多次剖切再疊加以實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的表達(dá)，真正實(shí)現(xiàn)所見即所得，并規(guī)避了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙中錯(cuò)、缺、漏等常見問題，提高設(shè)計(jì)出圖質(zhì)量。后期修改模型，僅需重新執(zhí)行抽圖命令，即可實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)更新二維圖紙。

制圖是在抽圖的基礎(chǔ)上添加必要的尺寸標(biāo)注、文字說明、嵌套圖框，最終形成正式圖紙的過程。目前相關(guān)功能可滿足地鐵設(shè)計(jì)施工圖出圖要求，本項(xiàng)目已完成正式出圖與歸檔。

需要注意的是，建模過程應(yīng)該有足夠精度問題，盡量采用特殊點(diǎn)捕捉工具，如果關(guān)鍵點(diǎn)捕捉不精確，或是發(fā)生錯(cuò)位，就會(huì)影響到后期抽圖的線型，而且由于線型是帶構(gòu)件屬性的，編輯需打散其構(gòu)件屬性。而修改后將不再與三維模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)，無法隨模型修改實(shí)時(shí)更新。綜上所述，推薦采用精確建模方式。另外，BENTLEY平臺(tái)尺寸標(biāo)注具有關(guān)聯(lián)鎖功能，可實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)注隨構(gòu)件變化自動(dòng)更新。

該模塊也存在一些問題：（1）工作空間層級(jí)較多問題。不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，所有的信息都在一個(gè)工作空間內(nèi)，修改設(shè)計(jì)僅需在一個(gè)工作窗口內(nèi)完成。BENTLEY平臺(tái)的底層設(shè)計(jì)是在一個(gè)文件中存放多個(gè)工作空間，每個(gè)空間可以分別存放不同的三維模型或是二維圖紙，各個(gè)空間是相互獨(dú)立的，可通過鏈接參考的方式實(shí)現(xiàn)信息的互通。因此，修改設(shè)計(jì)成果需在模型和圖紙空間頻繁切換，且由于正向設(shè)計(jì)往往信息量較大，每次切換加載時(shí)間較長，會(huì)影響工作效率。（2）文字、線型等與現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件兼容性有待加強(qiáng)。目前國內(nèi)繪圖、審圖、打印、歸檔等一整套流程都是在CAD環(huán)境下開展的，現(xiàn)階段無可替代，正向設(shè)計(jì)與之必將經(jīng)歷一段較長的共存期，在此過程中正向設(shè)計(jì)很可能是局部或是小范圍內(nèi)試用，而后逐步擴(kuò)大推廣。因此，共存期與CAD的兼容性問題是不容忽視的，目前BENTLEY與CAD兼容性有待加強(qiáng)，相互轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)出現(xiàn)文字、排版、線型等方面異常的現(xiàn)象。

2.5 設(shè)計(jì)審查

三維正向設(shè)計(jì)審查工作可分為模型審查和圖紙審查兩個(gè)部分，雖然較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)審查增加了模型審查部分，但在一定程度上是減少了審查的工作量和范圍。如前所述，三維正向設(shè)計(jì)需要多專業(yè)協(xié)同完成，在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，各專業(yè)已在不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，并逐步修改完善方案。因此，審查工作可以更加專注于自身專業(yè)，無需過多關(guān)注與其他專業(yè)的一致性、沖突或是遺漏等問題。同時(shí)，三維模型可以更加直觀的表達(dá)各構(gòu)件空間關(guān)系，結(jié)構(gòu)體系是否合理、節(jié)點(diǎn)處理是否合適一目了然。圖紙審查可以在模型審查的基礎(chǔ)上開展的，審查的重點(diǎn)為模型上未表達(dá)的信息，進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，以便發(fā)揮兩部分自身優(yōu)勢(shì)，提升審查效率和質(zhì)量。

2.6 成果交付

在模型成果交付方面，本項(xiàng)目的模型是作為成果的一個(gè)組成部分移交下游設(shè)計(jì)專業(yè)、建設(shè)單位及土建施工單位的。下游專業(yè)在建筑、結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)；土建施工階段，在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化后，用于工程管理、計(jì)量支付等；最終將移交運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的信息傳遞。

3 總結(jié)

通過該地鐵項(xiàng)目基于BENTLEY平臺(tái)的三維正向設(shè)計(jì)探索，現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)了建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，解決了部分建模、配筋、出圖、制圖、審查、成果交付等方面在實(shí)際應(yīng)用中的問題，研究了三維正向設(shè)計(jì)全過程的解決方案，完成了國內(nèi)基于BENTLEY平臺(tái)在實(shí)際地鐵設(shè)計(jì)中的首次應(yīng)用，取得了一定的成果，但仍存在部分問題尚需進(jìn)一步解決完善及深入思考。

（1）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有待補(bǔ)充完善。BIM國家及地方標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少，比如設(shè)計(jì)各個(gè)階段建模標(biāo)準(zhǔn)及深度、模型配筋標(biāo)準(zhǔn)、成果交付標(biāo)準(zhǔn)等方面問題均未統(tǒng)一明確。目前，各試點(diǎn)項(xiàng)目都是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索，通過契合傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的方式閉合項(xiàng)目。一套完善的BIM標(biāo)準(zhǔn)可大幅減少設(shè)計(jì)人員非必要工作量，使工作推進(jìn)更加明確，避免造成資源浪費(fèi)。還有各階段均應(yīng)進(jìn)一步弱化二維成果，采用更加立體的表現(xiàn)方式，或許這樣才更符合推行三維正向設(shè)計(jì)的初衷。

（2）BENTLEY平臺(tái)的兼容性問題有待加強(qiáng)。以目前國內(nèi)現(xiàn)狀，傳統(tǒng)模式與三維正向設(shè)計(jì)模式必將長期共存。因此，與國內(nèi)主流的設(shè)計(jì)出圖軟件的兼容尤為重要，提供完善的二維圖紙導(dǎo)入導(dǎo)出方案，避免因?yàn)榧嫒菪詥栴}或是格式問題而引起的額外工作量。還有其他配套軟件的接口（如結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件）應(yīng)該更加豐富、更加便捷，增加模型的重復(fù)利用率，避免二次建模。

（3）智能化程度需進(jìn)一步提升。BENTLEY平臺(tái)已在此方面進(jìn)行了不少的探索，比如尺寸標(biāo)注自動(dòng)化標(biāo)注、自動(dòng)提取構(gòu)件信息等，一定程度上避免了重復(fù)勞動(dòng)。但是因?yàn)椴僮鞅憬菪浴⒅茍D習(xí)慣和對(duì)軟件熟悉程度等問題，實(shí)際模型圖紙化的過程效率較低、阻力較大?；蛟S可以嘗試再進(jìn)一步，提供更加完善的自動(dòng)化解決方案，比如提供更多的批量處理工具、文字自動(dòng)避讓等，使出圖過程更加便捷、智能，省去設(shè)計(jì)人員大量重復(fù)的繪圖、整理及排版時(shí)間。

三維正向設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的大型工程，僅靠個(gè)別軟件或是設(shè)計(jì)院推動(dòng)顯然是不可能的，需要相關(guān)從業(yè)人員共同努力不斷探索研究實(shí)現(xiàn)。