BIM技術(shù)在地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

■郭曉陽，李 洋 Guo Xiaoyang &Li Yang

(蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇蘇州 215011）

現(xiàn)階段我國地鐵得到了快速的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年底，中國國內(nèi)已有45個(gè)城市開通地鐵。各城市建設(shè)的地鐵總里程達(dá)到6280.8公里[1]，總里程數(shù)近10年間翻了4倍（圖1）。

同時(shí)，地鐵車站作為大型的地下公共空間，項(xiàng)目往往具有規(guī)模大、專業(yè)多、空間小、建設(shè)周期長、運(yùn)營管理安全標(biāo)準(zhǔn)高、設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)間緊、周圍工程環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。隨著項(xiàng)目復(fù)雜程度的不斷提升，地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)和施工難度逐漸增大。在這兩方面的作用下，使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)階段地鐵車站建設(shè)的需求，需要結(jié)合新技術(shù)的創(chuàng)新性應(yīng)用來解決地鐵車站空間設(shè)計(jì)中遇到的一系列問題，而BIM作為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)信息化發(fā)展的重要手段，在地鐵項(xiàng)目的應(yīng)用上有著十分明顯的優(yōu)勢。有必要進(jìn)一步加強(qiáng)BIM技術(shù)與地鐵車站設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究。

1 BIM技術(shù)的概念和特點(diǎn)

1.1 概念

在中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中將BIM定義為：“在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱。簡稱模型[3]。”

1.2 特點(diǎn)

（1）可視化

依靠BIM技術(shù)可大大提高項(xiàng)目的可視化程度，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師可以依靠BIM技術(shù)全程在三維立體的層面上來思考設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)意圖反饋到模型中去（圖2）。

（2）仿真性

仿真性體現(xiàn)在項(xiàng)目進(jìn)行過程中，可以依托BIM技術(shù)對建筑性能進(jìn)行仿真模擬，范圍可以包括建筑的節(jié)能、疏散、熱傳導(dǎo)、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境等等方面，在建設(shè)之前就對建筑的各項(xiàng)指標(biāo)有一個(gè)整體把控（圖3）。

（3）協(xié)同性

協(xié)同性是建筑業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，建筑項(xiàng)目的進(jìn)行有賴于各參與方的高效協(xié)同與合作，協(xié)調(diào)性的問題一直都是各參與單位重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。BIM技術(shù)可以使各方進(jìn)行更加良好的協(xié)同。

2 地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1 地鐵車站空間環(huán)境組成

地鐵車站的組成可以分為車站主體、出入口和通道、以及地面附屬建筑，其中車站主體部分又包含了站臺層、站廳層、設(shè)備用房和輔助用房四部分，本文的主要研究對象即地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的范圍，主要是使用頻率較高的站臺層、站廳層兩部分，這些空間是公眾主要的使用空間，也是地鐵車站設(shè)計(jì)中需要著重考慮的部分。

■圖1 2011-2020年我國地鐵總里程趨勢圖

2.2 地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)成

地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)總體上由八個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，包括空間界面系統(tǒng)、公共流線系統(tǒng)、服務(wù)設(shè)施系統(tǒng)、導(dǎo)向標(biāo)識系統(tǒng)、藝術(shù)品和廣告系統(tǒng)、材料系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、附屬建筑及景觀系統(tǒng)（圖4）。

■圖2 BIM技術(shù)的可視化

2.3 地鐵車站空間環(huán)境各個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)間的關(guān)系

■圖3 基于BIM技術(shù)的建筑性能模擬

地鐵車站空間各個(gè)系統(tǒng)之間并不是獨(dú)立存在的，各系統(tǒng)之間都有著密切的聯(lián)系，其中一個(gè)部分的改變往往會影響整體范圍的變化，可以說是牽一發(fā)而動全身。現(xiàn)實(shí)情況中由于各個(gè)系統(tǒng)沒有充分協(xié)調(diào)而影響車站設(shè)計(jì)效果的情況時(shí)有發(fā)生，各個(gè)系統(tǒng)之間也有可能會發(fā)生沖突和遮擋的情況（圖5）。

在每個(gè)部分合理適宜的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，使整個(gè)系統(tǒng)和諧統(tǒng)一是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，既要構(gòu)建平臺使各專業(yè)高效合作，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，又需要易于對問題進(jìn)行變更調(diào)整，這樣不斷循環(huán)遞進(jìn)，以尋求各個(gè)系統(tǒng)之間的平衡狀態(tài)，最終達(dá)到方案的最佳狀態(tài)（圖6）。

■圖4 地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的組成

2.4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的分析

■圖5 地鐵空間各系統(tǒng)沖突情況

■圖6 地鐵車站設(shè)計(jì)各系統(tǒng)關(guān)系

就設(shè)計(jì)方法而言，未使用BIM技術(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法依然存在著一些問題。協(xié)同性、便捷性和準(zhǔn)確性三方面影響著設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，下面就通過這三方面來分析地鐵車站空間傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

2.4.1協(xié)同性

地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)是由室內(nèi)設(shè)計(jì)專業(yè)主導(dǎo)，多個(gè)專業(yè)、參與方共同配合完成的。

（1）各專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)間的協(xié)同

對于各個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)之間，影響協(xié)同的主要因素是專業(yè)之間存在著一定的壁壘，而傳統(tǒng)方式基于二維圖紙的交流不夠直觀，增加了各專業(yè)之間溝通和理解的難度。并且傳統(tǒng)方式專業(yè)之間獲取信息需要逐個(gè)專業(yè)進(jìn)行溝通，就地鐵項(xiàng)目來說，過程需要大量的溝通，耗時(shí)長且效率不高，各個(gè)專業(yè)之間的信息不能充分且及時(shí)進(jìn)行共享。另外各個(gè)專業(yè)使用的軟件也不同，信息傳遞時(shí)可能導(dǎo)致信息錯(cuò)漏等情況。

（2）專業(yè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的協(xié)同

專業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)之初接觸到的是二維的圖紙信息，設(shè)計(jì)師需要通過草圖或者軟件模型將二維圖三維化，并且在方案生成的過程中，不斷將二維的圖紙和三維模型互相對照，互相轉(zhuǎn)化，不利于設(shè)計(jì)思維的連續(xù)性。在設(shè)計(jì)的過程中，多以空間的效果為主要考慮因素，在技術(shù)層面把控一般是基于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)而定，傳統(tǒng)方式中能夠提供參照的信息不足，容易導(dǎo)致項(xiàng)目的合理性與落地性不足。

■圖7 BIM應(yīng)用具體流程

（3）項(xiàng)目的不同參與方的協(xié)同

對于項(xiàng)目的不同參與方而言，只有業(yè)主方會參與項(xiàng)目全生命周期的整個(gè)過程，各相關(guān)設(shè)計(jì)方施工方都只進(jìn)行自身階段的工作，并不會過多考慮其他階段的參與方所需要的信息數(shù)據(jù)，參與方交流過程中信息獲取并不充分。并且各個(gè)單位一般都有自己較為成熟的作業(yè)方式，在文件的格式上難以進(jìn)行統(tǒng)一，這也進(jìn)一步增加了各方協(xié)作的困難。

2.4.2便捷性

傳統(tǒng)方式由于每個(gè)文件都是獨(dú)立的，且沒有較好關(guān)聯(lián)性，因此由于業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、施工方溝通反饋過程中產(chǎn)生的變更問題，往往是牽一發(fā)而動全身，一個(gè)細(xì)部的修改可能導(dǎo)致文本包含的大部分圖紙進(jìn)行修改，無形中增加了繪制圖紙的數(shù)量，產(chǎn)生許多重復(fù)勞動，為項(xiàng)目的推進(jìn)造成不便。

2.4.3準(zhǔn)確性

首先，二維圖紙的信息傳遞本身就是有局限性的，對于越來越復(fù)雜的地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)而言，二維的平立剖圖很難對幾何造型準(zhǔn)確的定位。對效果的表達(dá)傳統(tǒng)方式也通常是根據(jù)效果圖進(jìn)行表達(dá)，片段式的效果圖很難對項(xiàng)目的空間環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行完整的表現(xiàn)，同時(shí)也有可能存在失真的情況。并且傳統(tǒng)方式的設(shè)計(jì)信息整理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等等工作基本是要靠人力完成，也增加了錯(cuò)誤和疏漏出現(xiàn)的可能。

2.5 BIM技術(shù)的適用性分析

BIM技術(shù)因其具有的一系列特點(diǎn)，可以很好地解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的不足與問題，從實(shí)踐案例中也可以看出，BIM在地鐵車站設(shè)計(jì)中，適用性較好，并能解決諸多的矛盾和關(guān)鍵問題。

3 BIM技術(shù)在車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序

3.1 總體流程

設(shè)計(jì)流程在整體的階段上，可以分為設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、概念設(shè)計(jì)、方案深化和施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段，同時(shí)要遵循逐級深化原則。設(shè)計(jì)過程整體上應(yīng)是逐步深化，逐步完善信息的一個(gè)過程。對比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，流程上基本一致，不同之處是成果的輸出，BIM的信息產(chǎn)出基本是模型為主，信息量上更加充分，具體到各個(gè)階段的操作方式也會有所區(qū)別（圖7）。

3.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

3.2.1項(xiàng)目擬解決的問題

項(xiàng)目初期一般會提出擬解決的問題和應(yīng)用目標(biāo)，一般包含以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)成果合理可執(zhí)行，減少設(shè)計(jì)過程中的差錯(cuò)漏洞、碰撞等現(xiàn)象，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更及施工返工現(xiàn)象，節(jié)省投資造價(jià)，提升施工進(jìn)度。

（2）施工階段臨時(shí)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化和可視化，施工現(xiàn)場布局合理化，減少施工過程中頻繁調(diào)整帶來的安全隱患和材料損耗。

（3）為施工用器材的工廠化加工提供可視化手段，提高施工器材工廠化制作的占比，減少現(xiàn)場加工的情況，有效提高工廠化材料的質(zhì)量及施工進(jìn)度。

（4）使施工技術(shù)培訓(xùn)更加生動直觀，通俗易懂，減少溝通成本。

（5）為運(yùn)營維護(hù)系統(tǒng)提供更加詳細(xì)，全面的數(shù)據(jù)信息，支撐運(yùn)維管理系統(tǒng)的開發(fā)和使用，減少運(yùn)維階段數(shù)據(jù)錄入工作量，提供機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的移交速度和運(yùn)維信息化水平。

3.2.2協(xié)同環(huán)境的建立

（1）人員構(gòu)成

項(xiàng)目首先確定大致的人員構(gòu)成，由室內(nèi)專業(yè)主導(dǎo)各個(gè)專業(yè)開展車站設(shè)計(jì)工作。具體人員組織如下圖（圖8）。

（2）協(xié)同軟件

項(xiàng)目多數(shù)采用Revit為核心軟件進(jìn)行車站的建模工作，并且基于軟件自身的協(xié)同平臺進(jìn)行不同專業(yè)間的協(xié)同。同時(shí)項(xiàng)目也確定了其他設(shè)計(jì)軟件，與Revit配合完成車站內(nèi)空間環(huán)境整體的設(shè)計(jì)工作（表1）。

表1 BIM相關(guān)的軟件構(gòu)成

■圖8 BIM人員組織架構(gòu)

3.2.3車站模型的建立

以BIM平臺為基礎(chǔ)，項(xiàng)目從開始就集合各個(gè)專業(yè)在平臺中同時(shí)開展設(shè)計(jì)工作，首先建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行BIM的模型搭建。然后由室內(nèi)設(shè)計(jì)人員接手進(jìn)行車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)并進(jìn)行模型創(chuàng)建。

3.3 概念設(shè)計(jì)

3.3.1確定概念及建立族庫

地鐵車站設(shè)計(jì)項(xiàng)目首先要確定設(shè)計(jì)概念，每條地鐵線都有獨(dú)立且統(tǒng)一的設(shè)計(jì)概念，線路中的各個(gè)站點(diǎn)在整體風(fēng)格統(tǒng)一的同時(shí)，其中的主要站點(diǎn)又可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行個(gè)性化的風(fēng)格表達(dá)，從而保證風(fēng)格整體的統(tǒng)一和局部效果的多樣性、可識別性[4]。

之后項(xiàng)目基于公司的內(nèi)部積累，會建立基礎(chǔ)的族庫，內(nèi)容基本涵蓋了車站主要構(gòu)件和設(shè)施設(shè)備，除了基本的門、桌椅，還有導(dǎo)向設(shè)施、自助售票機(jī)、消防栓等等。后續(xù)隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行還需要對項(xiàng)目族庫進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充，在這一過程中設(shè)計(jì)企業(yè)也會積累更多的經(jīng)驗(yàn)[5]。

3.3.2車站空間界面的初步構(gòu)建

接下來需要依據(jù)設(shè)計(jì)概念，對車站空間環(huán)境中的各個(gè)界面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，基本包括墻面、地面、頂面和柱體四部分，內(nèi)容涵蓋造型設(shè)計(jì)和材質(zhì)選取[6]。

站廳層和站臺層是乘客停留時(shí)間較長，使用頻率較高的空間，由于空間有限，車站空間界面設(shè)計(jì)首先要以突出車站空間感為基礎(chǔ)，同時(shí)各空間界面的設(shè)計(jì)在整體概念的控制下，應(yīng)盡可能保持空間界面的整體性，與各相關(guān)系統(tǒng)按照一體化的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。連接出入口的通道部分墻地面與站廳空間保持一致，此部分頂面的造型以簡潔美觀為主。

3.4 方案深化

在上一階段基本確定了車站內(nèi)部空間環(huán)境的設(shè)計(jì)方案，并對各個(gè)相關(guān)界面進(jìn)行了初步構(gòu)建，進(jìn)入到方案深化階段，需要基于上一階段成果，對各個(gè)設(shè)計(jì)部分的BIM模型進(jìn)行深化。

3.4.1項(xiàng)目族的深化設(shè)計(jì)

首先需要對族庫中的部分構(gòu)件進(jìn)行深化，以車站的圍欄為例，上一階段基本以簡單的柱和板進(jìn)行站位示意，深化階段需要對圍欄的構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，包括支撐柱的幾何形態(tài)和連接部分的細(xì)節(jié)，另外構(gòu)件中的各部分材質(zhì)也要進(jìn)行添加（圖9）。

3.4.2地鐵車站空間環(huán)境各界面的深化設(shè)計(jì)

車站不同界面的造型在概念設(shè)計(jì)階段已經(jīng)基本確定，深化階段主要是對各個(gè)界面造型的細(xì)部，以及材料間的交接方式做進(jìn)一步深化。同時(shí)，對空間界面的BIM模型做進(jìn)一步調(diào)整[7]。

在地鐵車站空間環(huán)境各個(gè)界面（包括墻面、吊頂、柱子、地面四個(gè)部分）的深化設(shè)計(jì)中，室內(nèi)設(shè)計(jì)師通過Revit建模，對項(xiàng)目使用的材料進(jìn)行了篩選確定，對材料模數(shù)進(jìn)行劃分，并且明確各材質(zhì)之間的交接關(guān)系。車站空間界面的深化設(shè)計(jì)，既提升了車站內(nèi)部空間的整體視覺效果，也提高了材料的利用率，進(jìn)一步完善了車站的設(shè)計(jì)[8]。

3.4.3可視化的導(dǎo)向系統(tǒng)視線分析

導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般先依據(jù)基本規(guī)定對導(dǎo)向標(biāo)識進(jìn)行大致排布，中心模型中的其他專業(yè)設(shè)備（如監(jiān)控、廣播等設(shè)備）落位完成后，再基于BIM模型進(jìn)行導(dǎo)向系統(tǒng)的視線模擬。該模擬旨在檢驗(yàn)地鐵車站各個(gè)系統(tǒng)之間不會存在沖突。

3.4.4車站照明分析

在完成照明設(shè)計(jì)之后，為了對室內(nèi)照明效果進(jìn)行驗(yàn)證，將車站的BIM模型導(dǎo)入到Ecotect軟件中，按照布燈的點(diǎn)位對燈具進(jìn)行布置，并調(diào)整照度參數(shù)，對車站的照明狀況進(jìn)行模擬。最后根據(jù)模擬分析結(jié)果，與工程師溝通落實(shí)方案，然后根據(jù)電氣工程師的反饋信息，室內(nèi)專業(yè)設(shè)計(jì)師在BIM模型中調(diào)整部分燈具的排布情況，并調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，同步至中心模型中[9]。

3.4.5虛擬現(xiàn)實(shí)模擬下的方案復(fù)核

方案深化完成后，可以將BIM模型導(dǎo)入Lumion中創(chuàng)建三維虛擬現(xiàn)實(shí)的場景，設(shè)計(jì)師可以借助VR頭盔等工具，“進(jìn)入”虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，以身臨其境的方式感受設(shè)計(jì)方案的完成效果，以此對車站空間內(nèi)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核，尋找設(shè)計(jì)的問題和漏洞，并對存在問題的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整[10]。

■圖9 車站族文件的深化

3.5 施工設(shè)計(jì)階段

3.5.1做法信息的完善

在施工設(shè)計(jì)階段，可以利用BIM模型的可視化特點(diǎn)，對墻、柱、吊頂和地面鋪裝等部分的構(gòu)造做法進(jìn)行可視化模擬，最終確定并完善材質(zhì)的信息。以項(xiàng)目中墻板和欄桿為例，本階段確定了墻板構(gòu)造的具體規(guī)格，同時(shí)對欄桿的具體做法進(jìn)行了確認(rèn)（圖10）。

受項(xiàng)目周期的影響，對項(xiàng)目中的所有節(jié)點(diǎn)做法進(jìn)行建模示意并不現(xiàn)實(shí)。為提高效率，項(xiàng)目多采用局部重點(diǎn)構(gòu)造用BIM建模，普通節(jié)點(diǎn)用CAD繪制大樣圖兩種方式。在現(xiàn)階段的地鐵空間環(huán)境設(shè)計(jì)中，這兩種方式結(jié)合較為便捷高效，但隨著未來BIM技術(shù)的成熟，模型越來越輕量化，BIM技術(shù)的應(yīng)用也將會更加深入[11]。

3.5.2精確出圖

在BIM的應(yīng)用中，模型是主要成果，施工圖紙可以基于模型直接產(chǎn)出。在實(shí)際項(xiàng)目中可以通過Revit軟件自動生成車站的平立剖圖紙，這種方式使施工圖紙與模型效果相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了所見即所得。并且這種方式也省去了由于設(shè)計(jì)變更等情況而導(dǎo)致的圖紙修改工作，大大提高了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率[12-13]。

3.5.3工程量統(tǒng)計(jì)

對工程量的統(tǒng)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)管理，控制項(xiàng)目造價(jià)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方式需要花費(fèi)大量人力物力，且精確度有限。根據(jù)BIM模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以先扣減模型的重疊部分，然后導(dǎo)出項(xiàng)目明細(xì)表，再利用明細(xì)表整理輸出工程量統(tǒng)計(jì)清單（圖11）。通過這種方式可以大大提高統(tǒng)計(jì)的效率[14]。

3.5.4施工指導(dǎo)

運(yùn)用BIM技術(shù)可以清晰了解各個(gè)部件之間的關(guān)系。通過動畫等方式預(yù)先進(jìn)行安裝模擬，可以提前驗(yàn)證安裝方式是否合理。同時(shí)，通過對構(gòu)件進(jìn)行編碼的方式來記錄安裝信息，在施工現(xiàn)場掃描構(gòu)件上的編碼，確定安裝順序和安裝方式，從而指導(dǎo)施工的進(jìn)行。

還可以利用BIM模型模擬場地的整體布置情況，協(xié)助優(yōu)化場地布置方案，提前規(guī)劃大型設(shè)備的進(jìn)場方案。并且可以將時(shí)間節(jié)點(diǎn)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，從而對項(xiàng)目的工期進(jìn)行精確把控。

4 結(jié)語

■圖10 車站節(jié)點(diǎn)做法示意圖

■圖11 工程量統(tǒng)計(jì)

本研究立足于我國現(xiàn)階段地鐵高速發(fā)展的背景，以及地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，結(jié)合國家的倡導(dǎo)和行業(yè)的需求，提出結(jié)合BIM技術(shù)帶動地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。通過對地鐵車站空間環(huán)境設(shè)計(jì)的整理，以及BIM技術(shù)在車站空間環(huán)境應(yīng)用程序的研究，希望為之后的類似案例的BIM應(yīng)用提供借鑒。