湯力成

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，交通擁堵問題日益突出，城市軌道交通由于其安全、便捷、環(huán)保的特性，已成為緩解城市交通擁堵的重要手段之一。目前，我國城市軌道交通正處于快速發(fā)展時期，隨著各地工程建設(shè)進度的加快，如何有效提高工程設(shè)計水平，保證施工建設(shè)質(zhì)量是亟待解決的問題。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以三維數(shù)字技術(shù)為核心，集成工程建設(shè)項目中的各種信息，通過信息共享和交互，可以大幅提高項目集成化程度，在優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、保證工程質(zhì)量、提高運營管理效率方面起到重要作用[1-2]。

1 BIM技術(shù)概況

1.1 定義

BIM的定義有多個版本，其中美國國家BIM標準（National Building Information Modeling Standard，NBIMS）對BIM的定義較為完整：BIM是建設(shè)項目物理和功能特性的數(shù)字化表達；BIM是共享的知識資源，是分享有關(guān)設(shè)施的信息、為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項目不同階段，不同利益相關(guān)方可通過在BIM模型中插入、提取、更新和修改信息，以支持相互間的協(xié)同作業(yè)。在工程建設(shè)項目中，BIM作為各參與方連接的紐帶，明確了各團隊在不同階段如何進行協(xié)同工作，共同推進項目的設(shè)計、施工和運維。

1.2 特點

BIM技術(shù)以三維數(shù)字化為基礎(chǔ)，貫穿項目全生命周期，將建筑設(shè)計、施工、運維管理等相關(guān)過程所需的信息進行有機結(jié)合。BIM技術(shù)主要具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性以及可出圖性5個特點?？梢暬鳛锽IM的基本特性，在模型創(chuàng)建過程中就可以反映出建筑的實體情況及關(guān)聯(lián)的屬性信息。這種“所見即所得”的可視化特點不僅可用于階段性匯報展示，還可服務(wù)于項目的整個建設(shè)過程，為項目推進過程中的溝通、協(xié)調(diào)發(fā)揮輔助決策作用。BIM技術(shù)的模擬性一方面體現(xiàn)在對建筑實體的可視化仿真，另一方面體現(xiàn)在對項目各階段需要實踐的內(nèi)容進行模擬，例如規(guī)劃階段的建筑周邊人口出行分布模擬、設(shè)計階段的建筑日照及節(jié)能模擬、施工階段的施工進度模擬等。協(xié)調(diào)性是指通過建立BIM模型，可快速完成各參與方的設(shè)計協(xié)調(diào)工作，例如各專業(yè)設(shè)備布置之間的碰撞遮擋協(xié)調(diào)、溝槽管線之間的協(xié)調(diào)等，針對可能出現(xiàn)的問題提前進行處理，避免后期返工。優(yōu)化性是指通過BIM技術(shù)，集成項目各階段的信息，在有限的時間內(nèi)利用數(shù)字化模型不斷優(yōu)化改進，確定最優(yōu)的實施方案，有效降低成本?？沙鰣D性是BIM的重要特點，傳統(tǒng)二維圖紙的設(shè)計盡管遵循統(tǒng)一的標準，但不同項目參與方對圖紙內(nèi)容的理解存在一定偏差[3]。BIM技術(shù)的引入很好地解決了這類問題，在優(yōu)化完善設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字化模型直接形成施工圖，為高質(zhì)量施工奠定了基礎(chǔ)。

2 BIM技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

BIM技術(shù)在發(fā)達國家中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并逐漸成為城市軌道交通工程中普遍采用的主要技術(shù)，應(yīng)用于工程建設(shè)過程中的模擬分析、三維設(shè)計和運營維護管理等各方面。

英國Crossrail軌道交通項目中，工程人員利用BIM技術(shù)構(gòu)建了龐大的信息資源共享平臺，各專業(yè)基于該平臺進行協(xié)同設(shè)計，加強項目實施過程中各參與方間的信息交互，通過施工進度模擬動態(tài)優(yōu)化施工方案，有效降低對城市造成的不良影響。此外，倫敦維多利亞站改造項目中，業(yè)主、設(shè)計、施工、集成商等參與方通過BIM技術(shù)進行高效協(xié)作，大大減少了項目各階段的信息遺漏。

加拿大首都多倫多Spadina擴建項目中，參建各方基于Bentley Project Wise進行三維協(xié)同BIM設(shè)計，在保證項目工期的同時有效控制工程成本，取得了良好效果。

美國、德國、法國等國家的城市軌道交通工程項目中，BIM技術(shù)已貫穿工程規(guī)劃、設(shè)計施工、運維管理等全生命周期過程，可實現(xiàn)對整個項目的優(yōu)化分析和信息共享。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

相較于歐美等發(fā)達國家，我國BIM技術(shù)推廣應(yīng)用較晚，目前正處于起步階段。近幾年，北京、上海、廣州、武漢、蘇州、西安、寧波、廈門、佛山等地的城市軌道交通項目均在一定程度上應(yīng)用了BIM技術(shù)。

北京地鐵9號線豐臺科技園站是北京首個應(yīng)用BIM技術(shù)的車站，該站的BIM試點應(yīng)用涵蓋工程全生命周期，項目前期建立建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、動照、給排水等專業(yè)集成信息化模型，后期主要將BIM技術(shù)應(yīng)用于綜合管線出圖、施工進度模擬。此外，北京地鐵6號線三期、8號線三期、10號線二期、14號線等工程中的個別站點也應(yīng)用了BIM技術(shù)。

上海地鐵9號線、12號線西段、13號線以及17號線等工程中均涉及部分BIM技術(shù)，其中17號線漕盈路站較為典型，其應(yīng)用點包括車站場地環(huán)境仿真模擬、土建主體及圍護結(jié)構(gòu)建模、工程量復核、管綜輔助檢查以及設(shè)備運維管理。

蘇州于2017年開始引入BIM技術(shù)，在軌道交通5號線中選取莫邪路—蘇嘉杭2站1區(qū)間開展BIM試點應(yīng)用，主要包括利用風險源三維可視化輔助分析線路走向和車站方位選擇，協(xié)調(diào)多專業(yè)優(yōu)化建模，實現(xiàn)模型與圖紙零誤差，基于數(shù)字化完成施工指導及后期運維管理。

BIM技術(shù)在我國部分城市的軌道交通領(lǐng)域已逐步開展試點應(yīng)用，但現(xiàn)階段主要用于車站主體及圍護結(jié)構(gòu)建模、站內(nèi)綜合管線輔助設(shè)計等方面。因此，BIM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用有待進一步探索。

3 BIM技術(shù)在城市軌道交通信號設(shè)計中的應(yīng)用

為推動城市軌道交通工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2018年6月發(fā)布了《城市軌道交通BIM應(yīng)用指南》，首次明確指出了信號專業(yè)的BIM應(yīng)用方向，對于城市軌道交通信號信息化發(fā)展具有重要意義。考慮到城市軌道交通工程設(shè)計中各專業(yè)的銜接接口，基于Autodesk公司Revit軟件平臺，針對信號專業(yè)設(shè)備布置進行了BIM技術(shù)應(yīng)用，以下對BIM設(shè)計流程、族庫建設(shè)、可視化效果展示、工程量統(tǒng)計及平面出圖幾方面進行介紹。

3.1 BIM設(shè)計流程

信號專業(yè)作為軌道交通站后系統(tǒng)的重要組成部分，需要與建筑、結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道、軌道、暖通、動照、給排水、通信、FAS、BAS、站臺門等多個專業(yè)進行協(xié)同設(shè)計[4]。目前，城市軌道交通信號工程設(shè)計通常采用二維交付方式，由于平面圖紙不直觀、信息關(guān)聯(lián)度低等局限性，在施工過程中容易出現(xiàn)信號設(shè)備侵入限界，或與其他專業(yè)設(shè)備出現(xiàn)碰撞無法滿足安裝要求等問題，這些問題若在設(shè)計階段未解決，則會導致施工階段返工，延緩工程進度。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可基于三維視圖直觀地看到設(shè)備布置效果，還可在二維平面視圖中優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)對設(shè)備的準確定位，這種方式對信號專業(yè)開展設(shè)計工作極為便利。同時，根據(jù)其他專業(yè)模型提供的接口數(shù)據(jù)信息，布置信號設(shè)備時可直觀看到不同專業(yè)模型間的相對位置、角度關(guān)系等，避免設(shè)備之間的碰撞問題。信號設(shè)備布置BIM設(shè)計流程見圖1。

3.2 族庫建設(shè)

Revit軟件中所有的圖元都是基于族的，每個族都能定義多種類型，每種類型可以具有不同的參數(shù)信息，從而形成項目的構(gòu)件。對于信號專業(yè)族模型設(shè)計而言，需結(jié)合設(shè)備廠商提供的技術(shù)規(guī)格書針對不同類型的設(shè)備開展建模工作，逐漸擴充形成信號專業(yè)特有的模型族庫。在后續(xù)相關(guān)的設(shè)計工作中，通過調(diào)用事先設(shè)計好的族模型，根據(jù)項目需要對設(shè)備信息進行參數(shù)化配置并重新布置該設(shè)備，可以有效提高設(shè)計效率。

信號系統(tǒng)設(shè)備種類眾多，為便于將不同設(shè)備進行合理分類管理，將信號設(shè)備模型族庫分為室外設(shè)備模型和室內(nèi)設(shè)備模型（見圖2）。

常見的信號室外設(shè)備模型見圖3，包括轉(zhuǎn)轍機、二顯示信號機、四顯示信號機等。

圖1 信號設(shè)備布置BIM設(shè)計流程

圖2 信號設(shè)備模型族庫

圖3 信號室外設(shè)備模型

典型的信號室內(nèi)設(shè)備模型見圖4，包括信號配電箱、UPS電源、智能電源屏等。各模型的尺寸根據(jù)設(shè)備實體尺寸進行參數(shù)化設(shè)計，使三維模型能盡可能反映出設(shè)備的真實情況，結(jié)合不同廠家的技術(shù)規(guī)格及各地業(yè)主的要求，可根據(jù)項目實際情況對模型進行修改調(diào)整，從而保證設(shè)備布置達到最好的效果。

此外，通過BIM技術(shù)完成的族模型能夠關(guān)聯(lián)其他附加非幾何類型屬性信息，例如設(shè)備的規(guī)格型號、系統(tǒng)屬性及設(shè)備配置連接關(guān)系等，使設(shè)備特性一目了然（見圖5）。

3.3 可視化效果展示

以信號室內(nèi)設(shè)備布置為例，將設(shè)計好的族模型載入項目文件中，根據(jù)機房的實際情況對設(shè)備進行合理布局，預留出設(shè)備的檢修空間，結(jié)合三維視圖查看信號設(shè)備在機房內(nèi)的布置效果（見圖6），可隨時進行優(yōu)化調(diào)整。實際工程應(yīng)用中，利用土建專業(yè)提供的機房模型，可通過漫游功能進入信號設(shè)備機房，查看信號室內(nèi)設(shè)備布置的實際情況，方便后期的施工及運維管理。

圖5 設(shè)備BIM模型類型屬性

3.4 工程量統(tǒng)計及平面出圖

BIM相關(guān)軟件具有工程數(shù)量統(tǒng)計功能，可根據(jù)信號設(shè)備模型構(gòu)件及布置情況自動統(tǒng)計出工程量，同時BIM參數(shù)化特性使得在任意視圖中進行調(diào)整修改都會同步更新工程數(shù)量表。此外，BIM軟件可以根據(jù)需要創(chuàng)建二維平面視圖，在圖中標注相應(yīng)信息即可生成平面圖紙。

圖4 信號室內(nèi)設(shè)備模型

圖6 信號室內(nèi)設(shè)備布置效果

4 下一步應(yīng)用建議

目前，BIM技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用仍處于起步階段，在信號專業(yè)的應(yīng)用更是幾乎處于空白狀態(tài)，推廣該技術(shù)還存在諸多阻礙。通過探索BIM技術(shù)在城市軌道交通信號專業(yè)工程設(shè)計中的應(yīng)用，驗證了BIM技術(shù)的優(yōu)勢，對于下一步開展信號專業(yè)BIM設(shè)計工作，提出以下建議：

（1）制定BIM專業(yè)標準。在國家BIM標準的基礎(chǔ)上，借鑒建筑行業(yè)已有的BIM標準成果，結(jié)合城市軌道交通信號工程實施特點，形成信號專業(yè)的相關(guān)BIM數(shù)據(jù)標準，規(guī)范BIM技術(shù)在城市軌道交通信號專業(yè)中的應(yīng)用，為信號設(shè)計提供參考依據(jù)。

（2）開發(fā)專用工具集。主流的幾種BIM軟件（Autodesk公司的Revit、Bentley公司的Architecture/Bentley系列等）均提供了二次開發(fā)的接口，信號專業(yè)可根據(jù)設(shè)計需要在相應(yīng)的BIM平臺上進行插件開發(fā)，將BIM軟件與專業(yè)計算軟件工具有機結(jié)合，為設(shè)計工作提供便利。

（3）建立設(shè)備通用族庫。由于目前還沒有完善的城市軌道交通信號專業(yè)設(shè)備通用族庫，在項目實施過程中需要根據(jù)實際情況創(chuàng)建設(shè)備模型專用族。通過建立信號設(shè)備通用族庫，進行有效的族模型文件管理，設(shè)計人員能夠直接在項目文件中調(diào)用各種需要的設(shè)備模型，提高工作效率。

（4）加強BIM設(shè)計出圖能力。城市軌道交通信號工程設(shè)計中，信號設(shè)備平面布置圖、室外信號設(shè)備光電纜徑路圖、信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等均可以應(yīng)用BIM技術(shù)開展設(shè)計工作。在三維空間中，無論是軌旁的信號機、轉(zhuǎn)轍機、計軸等室外設(shè)備，還是機房中的機柜、工作站等室內(nèi)設(shè)備都比二維視圖更加直觀，結(jié)合橋梁、隧道、軌道、建筑等各專業(yè)提供的模型，信號設(shè)備的布置更加準確且不易出現(xiàn)設(shè)備碰撞問題。同時，基于三維模型進行光電纜徑路設(shè)計，能夠精準確定光電纜敷設(shè)實際走向及部分特殊區(qū)域的線纜過軌位置，且便于統(tǒng)計和調(diào)整工程量，對順利開展信號施工設(shè)計有很大幫助。

5 結(jié)束語

BIM技術(shù)為城市軌道交通行業(yè)帶來了設(shè)計革新。業(yè)務(wù)需求推動傳統(tǒng)二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)化，BIM技術(shù)可視化、協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢可以更好地輔助城市軌道交通信號專業(yè)開展設(shè)計工作，提高設(shè)計質(zhì)量。然而，BIM技術(shù)在信號專業(yè)中的應(yīng)用尚屬于起步階段，由于缺乏成熟的標準規(guī)范支撐，專業(yè)應(yīng)用能力受到限制。探索BIM技術(shù)在信號專業(yè)族庫建設(shè)和設(shè)備布置等方面的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出合理化建議，對今后全面開展信號專業(yè)BIM設(shè)計工作提供參考和借鑒。