田 瓊,周 基,,黃 良,蔡 強

(1.湖南科技學院 土木與環(huán)境工程學院,湖南 永州 425199;2.湘潭大學 土木工程與力學學院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

BIM 技術是新興的信息技術,是促進建筑行業(yè)技術升級改造與推動工程數(shù)字化、信息化的助推器,支撐著國家創(chuàng)新型戰(zhàn)略發(fā)展計劃的實施.近年來,不少學者與工程技術人員持續(xù)聚焦BIM 技術在地下工程的應用研究.劉卡丁等[1]針對地鐵車站管線綜合安裝復雜性的特點,應用BIM 技術較好地解決了綜合管線碰撞檢查問題,實現(xiàn)了施工的優(yōu)化.李坤[2]在地鐵車站建設中應用BIM 技術實現(xiàn)結構建模、碰撞分析的基礎上,拓展了結構計算和工程量統(tǒng)計等功能,為實現(xiàn)BIM 技術在地鐵車站全生命周期的應用提供了參考.周少東等[3]探索了將地鐵施工過程中的進度、成本、質(zhì)量、安全等信息與3D-BIM 模型進行關聯(lián)形成集成管理系統(tǒng),以實現(xiàn)施工過程多維度信息的準確高效傳遞與集成管理.錢七虎[4]指出了基于BIM 與大數(shù)據(jù)技術,地下工程從數(shù)字化走向智慧化的工程建設信息化發(fā)展方向.2017年后,基于BIM 技術協(xié)同設計、BIM+GIS、BIM+VR、BIM 與物聯(lián)網(wǎng)及三維激光掃描技術、BIM 信息化平臺等理論研究與工程應用進入了新的發(fā)展階段[5～7].雖然BIM 技術理論研究發(fā)展迅速并不斷走向深入,但工程的實際應用效果還有待進一步提升.本文在借鑒已有理論研究及實際應用成果的基礎上,依托長沙軌道交通4 號線(也稱為長沙地鐵4 號線)工程,主要開展基于BIM 技術的漢王陵公園站深化設計應用研究,探索BIM 技術的實際工程應用效果.

1 工程概況

漢王陵公園站為長沙地鐵4 號線一期工程的第四個站,位于北二環(huán)路與銀杉路交叉口北側,呈南北向布置,為雙層箱型框架結構.總平面圖如圖1所示.車站有效站臺中心里程為DK18+334.000,設計起點里程為DK18+134.650,設計終點里程為DK18+414.600,總長為279.95 m.車站有效站臺中心里程處軌面高程(絕對值)為32.86 m,標準段線間距15 m,標準段基坑寬度20.7 m,地面標高約47.933 m,車站主體結構頂板覆土厚度約為3.5 m.車站南北兩端均設置盾構始發(fā)井,為地下二層島式站臺車站.車站設站后停車線,島式站臺寬度12 m,車站寬20.7 m,總建筑面積15492.88 m2.地下一層為車站站廳層,地下二層為車站站臺層.車站共設4 個出入口(其中4 號出入口為預留出入口)與2 組風亭.

圖1 長沙地鐵4 號線漢王陵公園站總平面圖

2 深化設計方法

2.1 深化設計主要工具

建立達到施工精度要求的BIM 模型是開展基于BIM 技術的地鐵車站深化設計的首要工作.目前能實現(xiàn)三維信息模型的主流BIM 軟件平臺及其特點見表1[8～10].考慮到Revit 軟件具有強大的協(xié)作性能、較強的細節(jié)展示以及能快速搭建模型等優(yōu)勢,故選擇以Revit 軟件為核心,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等為輔助軟件,共同組成漢王陵公園站深化設計的BIM 軟件平臺.

表1 幾種常見BIM 平臺優(yōu)點及不足

Fuzor 能與建模軟件實時同步,模擬現(xiàn)實,VR 查看,但模型不能輕量化Lumion 實時可視化3D,快速渲染,但在編輯時不能連續(xù)撤銷光輝城市Mars PC/VR 雙模編輯,3D 信息及時傳遞,實時渲染,但模型精細化程度有待提高草圖大師 簡易,快速建模,但數(shù)據(jù)化較差

2.2 深化設計內(nèi)容及模型建立

考慮地鐵車站優(yōu)化設計內(nèi)容可能包括建筑、結構、通風與空調(diào)、給排水及消防、動力照明以及裝飾裝修等,為了能夠較好地進行工作協(xié)同與信息傳遞,根據(jù)長沙地鐵4 號線漢王陵公園站相關的土建設計圖、機電設計圖、裝修設計圖,采用Revit 軟件分別建立土建BIM 模型、機電BIM 模型以及裝修BIM 模型,如圖2至圖4所示.確保各專業(yè)模型的精度能夠滿足實際需要,從而能方便實現(xiàn)基于BIM 平臺信息的協(xié)同交流[11].

圖2 車站土建模型

圖3 車站機電模型

圖4 車站裝修模型

3 基于BIM 的漢王陵公園站深化設計應用

3.1 可視化協(xié)同交互設計

工程規(guī)模大、需要考慮的專業(yè)多、功能分區(qū)復雜及設計協(xié)作難度大是地鐵項目的主要特點[11].如圖5所示,基于BIM 技術平臺Revit 軟件的鏈接模式及工作集模式,能使多方設計人員對漢王陵公園站按照各專業(yè)或區(qū)域信息同時進行模型創(chuàng)建、編輯與調(diào)整等綜合協(xié)同設計,促進各專業(yè)間及專業(yè)內(nèi)信息的及時溝通,實現(xiàn)對所設計模型的相互印證,從而提升整體協(xié)同工作效率,促進項目模型的高效整合與數(shù)據(jù)有效融合.

圖5 基于BIM 平臺的漢王陵公園站可視化協(xié)同交互設計

3.2 管線綜合深化設計

地鐵工程項目中,機電管線相對較多,給精準設計與精細施工帶來較大的困難.采用BIM 技術能有效預判機電管線間高度、位置以及施工安裝環(huán)境情況,減少了后期不必要的返工、降低了施工難度,加快了施工進度、節(jié)約了成本.漢王陵公園站站廳層設備區(qū)水泵機房深化設計成果如圖6所示.在對該水泵機房進行合理排布時,共發(fā)現(xiàn)30 處地方存在問題,需要深化設計.圖6(a)與圖6(b)顯示了系統(tǒng)管道優(yōu)化前后對比.設計人員利用BIM 技術對模型不斷地優(yōu)化,最終獲得精細化的BIM 管線綜合排布圖(圖6(c))和BIM深化設計模型(圖6(d)).

圖6 漢王陵公園站站廳層設備區(qū)水泵機房管線綜合深化設計成果

3.3 碰撞優(yōu)化設計

碰撞是地鐵工程項目中經(jīng)常出現(xiàn)的問題.常用的碰撞分析軟件為Navisworks,它是一款優(yōu)秀的BIM三維設計軟件[12].在對漢王陵公園站工程項目進行碰撞分析時,共發(fā)現(xiàn)問題964 處,在各專業(yè)構件之間的碰撞中,裝修與機電、土建與機電、土建與裝修的碰撞是最多的,所占比率達到了92%.碰撞類型與數(shù)量如圖7所示.

圖7 漢王陵公園站碰撞類型與數(shù)量

碰撞問題可分為硬碰撞和軟碰撞,其中軟碰撞又稱為間隙碰撞.橋架與風管之間的碰撞是硬碰撞中很常見的類型.如圖8所示,在設計時就可考慮將橋架向上折彎后直走,再向下折彎繞過風管進行安裝,避免了管線之間的碰撞,提前解決了施工安裝過程中會遇到的問題.站廳層公共區(qū)裝修天花鋁板與風管風口位置沖突是軟碰撞類型.如圖9所示,在BIM 模型中對其進行優(yōu)化設計,調(diào)整風管風口的位置,可達到通風效果.

圖8 漢王陵公園站橋架與風管硬碰撞優(yōu)化設計

圖9 漢王陵公園站站廳層公共區(qū)裝修天花鋁板與風管風口位置軟碰撞優(yōu)化設計

3.4 其他深化設計內(nèi)容

3.4.1 優(yōu)化預留洞口

土建模型與機電模型的融合匹配在地鐵車站設計中是非常關鍵的,通常需要預留較多孔洞.漢王陵公園站機電預留孔洞優(yōu)化模型如圖10 所示.在BIM 平臺軟件輔助下,應用插件可快速完成洞口預留優(yōu)化,為土建施工方技術交底時各參與人員明確預留孔洞的位置和尺寸創(chuàng)造了有利條件.

3.4.2 專業(yè)圖紙輸出

專業(yè)圖紙的輸出是BIM 技術工程應用的又一大優(yōu)勢.在漢王陵公園站圖紙優(yōu)化設計中,通過優(yōu)化設置統(tǒng)一的BIM 數(shù)據(jù)標準,如預先規(guī)范圖紙比例、詳細程度、視覺樣式、規(guī)程、構件的填充顏色和填充樣式以及差異的標注等,可使得平面圖、剖面圖及局部詳圖等專業(yè)圖紙更精準、直觀,無需重復操作,提高工作效率.

3.4.3 工程量清單統(tǒng)計

不斷優(yōu)化的BIM 工程模型能及時展示豐富的工程信息,是一個強大的數(shù)據(jù)資源庫.優(yōu)化后的BIM 模型數(shù)據(jù)庫,可實現(xiàn)對車站的各類專業(yè)構件、設備的諸如數(shù)量、尺寸等工程信息的準確統(tǒng)計,為項目全過程管理提供了可靠的依據(jù).

圖10 漢王陵公園站機電預留孔洞優(yōu)化模型

3.4.4 方案動畫模擬

Navisworks、Fuzor 和Lumion 是BIM 平臺的集成軟件,具有虛擬漫游、動畫渲染等功能.通過動畫模擬可直觀、明了地展示所選方案重難點,為驗證方案的合理性、尋求最優(yōu)的工程解決方案提供了條件.同時,方案動畫模擬方便了項目實施時的技術交底與施工協(xié)調(diào)安排等工作的開展.

4 結論

基于BIM 技術的長沙地鐵4 號線漢王陵公園站深化設計,是在創(chuàng)建達到施工精度要求的BIM 模型基礎上進行的.Revit 是BIM 軟件平臺的核心建模軟件,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等BIM 平臺集成軟件為漢王陵公園站深化設計提供了技術支撐.BIM 技術的應用貫穿了漢王陵公園站設計到施工全過程,覆蓋了組織設計到現(xiàn)場施工管理多領域,提高了技術人員的協(xié)同設計及施工管理效率,為項目獲得較好的經(jīng)濟效益創(chuàng)造了有利條件.

(1)BIM 為項目參與人員可視化協(xié)同交互設計提供了保障.BIM 技術平臺為漢王陵公園站各專業(yè)設計人員進行模型創(chuàng)建、編輯與調(diào)整等協(xié)同交互設計提供了平臺保障,基于標準化的建模體系,促進了漢王陵公園站整體協(xié)同設計的有力開展,保證了項目深化設計與各專業(yè)圖紙的精準輸出,推動了設計施工一體化及智能建造的有效實施.

(2)BIM為項目實施儲備了豐富精確的工程信息數(shù)據(jù)資源.應用BIM技術創(chuàng)建的漢王陵公園站三維參數(shù)化模型包含了豐富的工程信息,隨著漢王陵公園站各專業(yè)模型的不斷優(yōu)化,施工所需的工程信息及環(huán)境信息數(shù)據(jù)資源被精準創(chuàng)建,建筑結構、機電、裝修等各專業(yè)BIM 參數(shù)化信息數(shù)據(jù)得到有效整合,實現(xiàn)了各類信息數(shù)據(jù)的快速精確導出,不僅為項目實施提供了可靠的依據(jù),而且也為后期精益建造與智慧建造提供了有力支撐.

(3)BIM為項目全過程精細化管理創(chuàng)造了條件.多方協(xié)同下深化設計的漢王陵公園站BIM三維模型被實時、自動呈現(xiàn),避免了因多次修改導致部分內(nèi)容自相矛盾現(xiàn)象的出現(xiàn),進一步優(yōu)化了管理部門之間的銜接,保證了管理流程的合理性及決策者決策判定的時效性.同時,通過施工全過程模擬預判項目實施過程中的重點關鍵部位可能產(chǎn)生的各類問題,經(jīng)過土建、機電、裝修等各專業(yè)綜合深化設計,碰撞及預留洞口等問題被較好地優(yōu)化處理,不僅保證了施工的順利進行,也降低了項目成本、節(jié)約了時間、提高了工程質(zhì)量,保障了精細化施工管理有效開展.