劉鐵民 曹明華

(廣州市地下鐵道總公司總工程師室，510030，廣州∥第一作者，工程師)

近年來隨著BIM(建筑信息模型)技術(shù)在國內(nèi)建筑業(yè)的日益流行，工程建設(shè)各行業(yè)都在嘗試著應(yīng)用BIM 技術(shù)，期待利用 BIM 技術(shù)來改造規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護(hù)流程，解決一些過去無法解決的問題，從而為本行業(yè)帶來革命性的變化。本文結(jié)合城市軌道交通工程建設(shè)階段對BIM 技術(shù)應(yīng)用的一些具體問題進(jìn)行探討。

1 城市軌道交通工程建設(shè)階段的特點

城市軌道交通是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其投資大、系統(tǒng)多、技術(shù)密集、建設(shè)周期長。項目會涉及多個子系統(tǒng)和專業(yè)［1］。從城市的空間幾何上看，城市軌道交通工程影響范圍類似于一種圓柱狀的結(jié)構(gòu)，在城市空間中延伸，短則幾公里，長則幾十公里。線路的長度按線網(wǎng)規(guī)劃是一定的，但在建設(shè)期圓柱狀結(jié)構(gòu)影響的半徑卻隨著時間的流轉(zhuǎn)，逐漸變化。

城市軌道交通的長條形圓柱狀結(jié)構(gòu)，在空間上與其穿越的既有結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大量的交叉關(guān)系。在城市軌道交通的建設(shè)期由于施工需要，這種交叉關(guān)系，在空間上占據(jù)的范圍更大，直到運營期開始，才逐漸保持穩(wěn)定的空間范圍。

正是由于這種交叉關(guān)系的存在，建設(shè)階段需要了解大量交叉結(jié)構(gòu)的信息。例如:在城市軌道交通線路規(guī)劃時期需要了解沿線的規(guī)劃信息、既有建構(gòu)筑物信息、地質(zhì)信息等;在建設(shè)時期需要更精確地了解征地拆遷信息、詳細(xì)的地質(zhì)信息、既有管線信息、交通疏解信息等;在運營期，需要了解沿線的地鐵保護(hù)信息等。但是，目前的城市軌道交通建設(shè)期對這些信息的了解并不充分。因?qū)こ探ㄔO(shè)的控制必須依賴信息的傳遞，很多時候不能對工程建設(shè)實現(xiàn)有效控制的原因，就是沒有獲得足夠的信息［2］。

2 BIM 技術(shù)的特點

BIM 由美國佐治亞理工學(xué)院建筑與計算機(jī)系教授查克·伊士曼博士(Chuck Eastman，Ph.D.)于1975年提出，其基于數(shù)字化和可視化技術(shù)，集成和管理與建設(shè)項目有關(guān)的信息。這些信息不僅包含建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等幾何視覺信息，還包括成本、性能等非幾何管理信息［3］。筆者認(rèn)為，BIM 有以下顯而易見的優(yōu)點:

1)可視化:由于BIM 技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計過程及結(jié)果從傳統(tǒng)的二維設(shè)計提升到三維設(shè)計，實現(xiàn)了真正的可視化，因此，可以極大地降低識別信息的門檻。在建設(shè)期，不論是方案比選還是針對施工階段操作層面的技術(shù)交底，信息受體對設(shè)計意圖的理解更為容易了。

2)模擬性:可以真實地模擬建構(gòu)筑物全生命周期中的各個階段，以及建造和運營維護(hù)中的多種行為。過去的二維設(shè)計無法實現(xiàn)空間上及物體實體的模擬，因此，導(dǎo)致很多設(shè)計方案的“錯、漏、碰、缺”不能被發(fā)現(xiàn)。而BIM 技術(shù)的模擬性，是通過對建筑物實體的模擬，避免了這種問題的發(fā)生。BIM 技術(shù)將目前很多在施工階段需要解決的協(xié)調(diào)性問題，在設(shè)計階段就解決了。這樣不僅提升了建筑物的使用價值，同時也極大地降低了后期為處理這些問題所產(chǎn)生的協(xié)調(diào)成本。

3)精確性:依據(jù)美國國家BIM 標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)對BIM 的定義——BIM 是一個設(shè)施(建設(shè)項目)物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)［4］。筆者認(rèn)為這也是BIM 技術(shù)最重要的特點。建筑模型過去已在三維效果圖、沙盤模型制作等方面得到了廣泛應(yīng)用，但是過去的三維模型僅僅是個模型，無法用來進(jìn)行建造。而BIM 作為一種數(shù)字表達(dá)，強(qiáng)調(diào)的就是精確性。正是這種精確性，為建筑業(yè)的工業(yè)化制造提供了可行的路徑。例如，上海萬科金色里程項目使用BIM 技術(shù)進(jìn)行了三維設(shè)計，使得預(yù)制混凝土(PC)建造技術(shù)與主體結(jié)構(gòu)精確匹配，加快了施工速度［5］。同時，BIM 技術(shù)更為建筑物的 3D 打印提供了基礎(chǔ)。

3 BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程應(yīng)用中的問題

3.1 信息輸入問題

BIM 技術(shù)本身是非常優(yōu)秀的，但是，其基于信息輸入的特點，導(dǎo)致了目前在城市軌道交通工程中使用的有限性。通常影響城市軌道交通建設(shè)進(jìn)度與工程造價的幾個重要影響因素，如前期征地拆遷、地質(zhì)勘察資料變化、地下管線改遷等，這些重要影響因素信息的獲得都是不完全的，這在二維設(shè)計時代就是如此，應(yīng)用BIM 技術(shù)后依然如此。以某地鐵公司2014年工程變更統(tǒng)計(含方案變更及設(shè)計變更)為例，由于地質(zhì)勘察資料變化導(dǎo)致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的27%左右，由于征地拆遷及地下管線改遷無法實現(xiàn)而導(dǎo)致工程變更的數(shù)量占總數(shù)量的43%左右，由于優(yōu)化設(shè)計加快進(jìn)度而導(dǎo)致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的17%左右［6］。因此，在城市軌道交通工程中應(yīng)用BIM 技術(shù)僅可以在已收集的信息基礎(chǔ)上加快設(shè)計，避免設(shè)計中間產(chǎn)生錯誤而導(dǎo)致進(jìn)度拖延與變更，并不能解決基礎(chǔ)信息收集不完全的問題。

3.2 承發(fā)包模式問題

目前，我國城市軌道交通工程普遍采用的是傳統(tǒng)的設(shè)計—招標(biāo)—建造(Design—Bid—Build，簡為DBB)模式。但是，在國際上設(shè)計施工總承包(Design—Build，簡為 DB)模式及工程總承包(Engineering Procurement Construction，簡為 EPC)模式已成為主流承發(fā)包模式，且業(yè)主招標(biāo)大多提出了功能性要求。這正好使BIM 技術(shù)的優(yōu)處得到充分發(fā)揮。通過模擬與可視化，在最契合業(yè)主功能需求的情況下，可以迅速統(tǒng)計獲得相關(guān)方案成本，同時在施工時逐漸深化設(shè)計即可。

我國的城市軌道交通工程采用的是DBB 模式，造成了BIM 技術(shù)應(yīng)用的割裂局面。設(shè)計單位和施工單位有各自的BIM 模型，其建模標(biāo)準(zhǔn)及軟件不統(tǒng)一，無法真正實現(xiàn)BIM 技術(shù)信息集成的作用。施工單位寄希望于利用BIM 技術(shù)獲得精確的工程量，期望得到額外利潤。設(shè)計單位希望利用BIM 技術(shù)提高圖紙質(zhì)量，避免“錯、漏、碰、缺”。這本來是可以統(tǒng)一的，但是由于承發(fā)包模式的限制而不能統(tǒng)一，因此使得目前國內(nèi)出現(xiàn)的大量BIM咨詢機(jī)構(gòu)，僅是幫助設(shè)計單位或者施工單位進(jìn)行利用二維設(shè)計圖紙建立BIM 三維模型的“翻?！惫ぷ?。模型不統(tǒng)一，最終造成模型無法在運營維護(hù)階段發(fā)揮作用，造成了損失。

3.3 軟件選擇與行業(yè)支持的二次開發(fā)問題

目前，主流BIM 軟件大部分是應(yīng)用在民用建筑領(lǐng)域，對城市軌道交通而言，除了在車站設(shè)計時有較好的支撐外，缺乏對區(qū)間、軌道、通信及供電系統(tǒng)等線性結(jié)構(gòu)方面的功能支持。例如，要建立軌道結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)、盾構(gòu)隧道等模型就必須進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)，否則，逐一繪制是一件非常困難的工作。

同時，由于軟件本身對行業(yè)應(yīng)用的支持有限，造成了使用軟件的門檻。要使用軟件必須進(jìn)行針對城市軌道交通行業(yè)的二次開發(fā)，獲得大量的族庫支持，才能使得軟件應(yīng)用速度達(dá)到目前二維設(shè)計的速度。否則，僅車站配筋或車站系統(tǒng)設(shè)備建模，就是一件非常龐大、耗時的事情，嚴(yán)重影響著BIM 技術(shù)普及推廣的積極性。筆者曾調(diào)研了國內(nèi)BIM 設(shè)計應(yīng)用較好的設(shè)計院，這些設(shè)計院基本上都結(jié)合自身工程設(shè)計的特點進(jìn)行了大量的二次開發(fā)，才使利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計得以順利應(yīng)用。而就某地鐵公司的目前試點情況來看，由于無相關(guān)的二次開發(fā)及族庫，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計基本沒有采用BIM 技術(shù)進(jìn)行鋼筋設(shè)計;機(jī)電相關(guān)設(shè)計人員，耗用了大量的時間重繪各種管道接頭、配電箱、閥門等，使設(shè)計師普遍認(rèn)為采用BIM 設(shè)計比二維設(shè)計效率低［7］。

3.4 投資收益問題

目前主流的BIM 軟件僅使用費就多達(dá)幾百萬元甚至幾千萬元(按用戶數(shù))，如果算上后期推廣、培訓(xùn)、升級、維護(hù)、二次開發(fā)，則總價算下來是一個驚人的數(shù)字。某地鐵公司準(zhǔn)備應(yīng)用BIM 技術(shù)在進(jìn)行從設(shè)計再到施工到運營的一體化管理研究時發(fā)現(xiàn)，一條地鐵線路詢價結(jié)果為:購買軟件在1 500～2 000 萬元(含二次開發(fā))，若采用租賃則第一年需投入500～750 萬元(含二次開發(fā))，之后每年租金在100～200 萬元左右。統(tǒng)計分析該條地鐵線路因為“錯、漏、碰、缺”而導(dǎo)致的設(shè)計變更或方案更改費用僅在300～400 萬元左右(未計算工期節(jié)省效益)。因此，目前若單純計算收益與花費，BIM 技術(shù)的應(yīng)用代價巨大。

3.5 BIM建模標(biāo)準(zhǔn)問題

目前，國家的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)仍未正式出臺，僅有北京地方的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)出臺。各種BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)也呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。這導(dǎo)致了模型信息流轉(zhuǎn)困難以及相應(yīng)設(shè)計收費等問題。同時，鑒于城市軌道交通行業(yè)的自身特點，應(yīng)有一部能夠與地鐵設(shè)計規(guī)范相結(jié)合的建模標(biāo)準(zhǔn)，但一部統(tǒng)一的BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)無法解決城市軌道交通工程中諸多的線性結(jié)構(gòu)的建模標(biāo)準(zhǔn)問題。

3.6 利用BIM技術(shù)設(shè)計的收費問題

現(xiàn)在的BIM 技術(shù)相關(guān)企業(yè)有軟件商、“翻?！逼髽I(yè)、咨詢企業(yè)等，但并無統(tǒng)一的合同范本及收費標(biāo)準(zhǔn)。城市軌道交通行業(yè)大多屬于政府投資，若無相應(yīng)的收費標(biāo)準(zhǔn)，不僅不能促使BIM 技術(shù)健康發(fā)展，還會由于價格市場的混亂，造成許多模型的粗制濫造，為模型信息的后期流轉(zhuǎn)及利用造成不利影響。

4 BIM技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用

4.1 在機(jī)電安裝工程施工階段的應(yīng)用

機(jī)電安裝工程施工階段中的BIM 應(yīng)用，是目前城市軌道交通工程中BIM 價值發(fā)揮最大的應(yīng)用點，也是投入與產(chǎn)出最佳的應(yīng)用點。首先是因為其設(shè)計輸入信息的穩(wěn)定、完整，此時影響工程成本與進(jìn)度的主要因素則是設(shè)計及施工中的錯漏碰缺，而應(yīng)用BIM 技術(shù)便可解決該問題。選擇機(jī)電安裝工程施工階段應(yīng)用而不是設(shè)計階段應(yīng)用的主要原因與目前的設(shè)計方式有關(guān)。目前，機(jī)電安裝的二維設(shè)計圖紙較為簡單，部分甚至只是原理圖，但是應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計后，需要每根電線、管道和每個裝修層都反映在模型中;如果放在設(shè)計階段完成，工作量會加大很多，如果沒有合理的設(shè)計費用增加(目前無正式的收費標(biāo)準(zhǔn))，很多設(shè)計單位根本不愿意做。在施工階段，施工單位僅需完成翻模工作，故比較容易。因此施工單位從整體工期考慮，普遍較為積極地推行BIM 技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)在二維設(shè)計階段出現(xiàn)圖紙錯誤，不論是工地停工，還是等待走完整個設(shè)計變更流程都會造成施工單位損失，因此，利用BIM技術(shù)避免錯漏碰缺，可為施工單位得到直接的經(jīng)濟(jì)利益?，F(xiàn)以廣州地鐵6號線一德路站的機(jī)電安裝BIM 應(yīng)用為例(見圖1)，該站采用BIM 技術(shù)，利用二維設(shè)計圖紙建立機(jī)電安裝所有專業(yè)的三維模型，通過模型的碰撞檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤達(dá)24 處。采用BIM 技術(shù)后這些錯誤在管線安裝下料之前可全部解決，同時，通過三維模型工程量統(tǒng)計，可對該站精確控制并優(yōu)化管線進(jìn)料與下料環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的采用二維圖紙施工來說，采用BIM 技術(shù)后節(jié)省了大量人工、材料、工期［8］。

4.2 在土建工程施工階段的應(yīng)用

城市軌道交通工程在土建施工階段的工期延誤主要是由一些外部因素影響及地質(zhì)條件改變等造成的。而這些外部因素的改變常常也會導(dǎo)致設(shè)計方案的改變，應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計對加快進(jìn)度有一定影響，但是非常有限。目前，由于國內(nèi)部分由工程算量發(fā)展延伸而來的應(yīng)用BIM 技術(shù)的軟件，則在工程成本控制方面得到了很好的應(yīng)用效果。國外的BIM 三維設(shè)計軟件，其出發(fā)點是在三維設(shè)計的基礎(chǔ)上統(tǒng)計工程量，由于是統(tǒng)計出來的工程量，故與我國的工程量清單計價匹配性并不高;而國內(nèi)的算量軟件，則完全符合我國規(guī)范，其出發(fā)點是在二維圖紙的基礎(chǔ)上建立算量的模型，從而得到精確的工程量。目前較多施工單位很看重這一點，因為精確的工程量，可以實現(xiàn)精確的成本控制，從而獲得更多的利潤。例如，國內(nèi)某BIM 軟件商在無錫地鐵控制中心的項目中，就很好地利用了基于設(shè)計圖紙建立的BIM 預(yù)算模型，可以即時地提供工程管理需要的工程量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對其工程量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行套定額處理，由此可隨時做出一份完整的工程造價書［9］。

4.3 在車站線路翻新改造中的應(yīng)用

由于BIM 技術(shù)較好的可模擬性，因此在軌道交通改造工程中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。目前，隨著國內(nèi)大城市軌道交通線網(wǎng)的密集化，出現(xiàn)了非常多的車站需要改造為換乘站。既有車站如何改造，如何降低對既有線運營的影響，如何在有限的天窗期內(nèi)實現(xiàn)施工效率的最大化，只有通過BIM 技術(shù)對整個改造過程進(jìn)行模擬，以指導(dǎo)改造工程的設(shè)計，才能得到一個影響最小、功能最優(yōu)的方案。

圖1 廣州地鐵6號線一德路站廳層機(jī)電安裝BIM 模型

4.4 在特殊地質(zhì)條件中的應(yīng)用

在城市軌道交通建設(shè)工程中，會遇到石灰?guī)r地質(zhì)中的地下溶土洞處理，以及盾構(gòu)掘進(jìn)中對孤石的處理。對這些特殊地質(zhì)情況，若用地質(zhì)縱剖面表示，則很難反映出其與工程結(jié)構(gòu)的三維空間關(guān)系，但是，用BIM 技術(shù)的三維界面，溶洞的大小、位置、與周邊的關(guān)系即可一目了然，便于技術(shù)決策與施工處理。例如，在廣州地鐵9號線施工1 標(biāo)段有個車站，該站在施工期間初步判斷基坑外有一個溶洞與基底存在水力聯(lián)系，通過多次鉆孔探查，查明了該溶洞的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)。但是，在二維圖紙展現(xiàn)時，與車站結(jié)構(gòu)的關(guān)系上始終會缺少一個軸向的顯示，而采用BIM 技術(shù)建立三維模型后，這個問題解決了，溶洞與基坑間的水力連通也可以得到較好的判斷［10］。

5 結(jié)語

1)通過以上的比較與分析可知，由于行業(yè)特點的影響，BIM 技術(shù)目前在城市軌道交通工程中的應(yīng)用還有較大的局限性。因此，目前適宜在統(tǒng)一的框架(建模標(biāo)準(zhǔn))下先在一些能夠獲得較好收益的應(yīng)用點上進(jìn)行應(yīng)用，或者在個別典型性標(biāo)段進(jìn)行試驗。通過這些應(yīng)用來獲得基礎(chǔ)的族庫模型及二次開發(fā)支持等基礎(chǔ)支撐元素。

2)由于BIM 技術(shù)國家級標(biāo)準(zhǔn)的空白、BIM 技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)收費標(biāo)準(zhǔn)的空白，以及工程承發(fā)包模式的問題，最重要的還有BIM 模型在法律地位定義上的空白等問題，都極大地影響著BIM 技術(shù)的推廣應(yīng)用。只有解決這些基本的問題，才能為BIM 技術(shù)應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)，促進(jìn)其良性發(fā)展。

3)BIM 技術(shù)作為土建技術(shù)行業(yè)全面信息化的有效途徑，這從世界范圍內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用BIM 技術(shù)的結(jié)果來看，是毋庸置疑的。但是，新技術(shù)的應(yīng)用必須結(jié)合自身行業(yè)的特點，因此，必須遵循由簡至繁、由易至難的應(yīng)用原則。

［1］馮愛軍，王文江，于松偉，等.城市軌道交通設(shè)計總體總包項目信息化管理初探［J］.地鐵與輕軌，2003(5):26.

［2］金觀濤，華國凡.控制論與科學(xué)方法論［M］.北京:新星出版社，2005.

［3］桑培東，肖立周，李春燕.BIM 在設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2012(41):25.

［4］National Institute of Building Sciences United States National Building Information Modeling Standard［S］.

［5］北京北緯華元軟件科技有限公司.用戶成功故事——萬科金色里程［EB/OL］.(2009-6-26)［2014-10-15］.http:∥blog.sina.com.cn/s/blog_4e7bb1020100drht.html.

［6］廣州市地下鐵道總公司.2014年1-2 類變更統(tǒng)計臺賬［R］.廣州:廣州市地下鐵道總公司，2014.

［7］廣州市地下鐵道總公司.城市軌道交通建筑信息模型(BIM)技術(shù)應(yīng)用前期研究調(diào)研報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道總公司，2014.

［8］廣州市水電設(shè)備安裝有限公司.廣州地鐵BIM 試點項目總結(jié)報告(一德路站)［R］.廣州:廣州市水電設(shè)備安裝有限公司，2014.

［9］魯班咨詢.無錫地鐵控制中心利用BIM 提升精細(xì)化管理水平［EB/OL］.(2013- 6- 3)［2014- 10- 15］.http:∥ www.lubanway.com/index.php?controller = guandian＆action =guandian_front＆type=3＆guandian_id=279.

［10］蔡蔚.建筑信息模型(BIM)技術(shù)在城市軌道交通項目管理中的應(yīng)用與探索［J］.城市軌道交通研究，2014(5):1.