汪其超，王 濤,2，劉 捷，趙 俊

(1. 華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014；2. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046)

隨著大城市的快速發(fā)展，城市地上空間已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展的現(xiàn)實需求，因此需要對地下空間進行開發(fā)利用[1-5]。軌道交通作為城市交通的“骨骼”，能充分利用有限的城市空間，也能承載主要的出行客流。據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會數(shù)據(jù)，截至2018年末，我國內(nèi)地已有35個城市開通了城市軌道交通線路185條并投入運營，運營線路長度達到5761.4 km，年度新增運營線路長度達728.7 km。

軌道交通的蓬勃發(fā)展，也為本行業(yè)的設(shè)計師們帶來了諸多挑戰(zhàn)。例如車站施工周期長、設(shè)計周期極短；地下管線眾多，改遷困難；沿線交通量大，交通導(dǎo)改工作困難；周邊建筑物密集，車站總平面布置受限；設(shè)計、施工配合過程不流暢；等等。如何保證高效設(shè)計、降低質(zhì)量風(fēng)險、控制成本投資，并配合政府部門推動城市交通建設(shè)，成為目前軌道交通工程設(shè)計階段最重要的探索方向。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)[6]，是以各專業(yè)三維模型為載體的信息集成數(shù)據(jù)庫，能夠提供一個可供各參與方協(xié)同設(shè)計、使用的平臺。將BIM技術(shù)應(yīng)用于軌道交通工程設(shè)計中，可以加強各專業(yè)間設(shè)計協(xié)同，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化管線改遷和交通導(dǎo)改的設(shè)計方案等。目前國內(nèi)絕大部分新建軌道交通工程提出了不同程度的BIM技術(shù)應(yīng)用要求，部分城市在設(shè)計總體的基礎(chǔ)上，專門設(shè)立了BIM設(shè)計總體。

本文將介紹在軌道交通傳統(tǒng)設(shè)計手段不足的前提下，如何應(yīng)用BIM技術(shù)，保質(zhì)、高效地完成了南通軌道交通1、2號線同期實施換乘站青年路站的深化設(shè)計，解決了困擾設(shè)計師們的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，為BIM技術(shù)在軌道交通工程領(lǐng)域的進一步應(yīng)用研究提供了支撐。

1 BIM技術(shù)的優(yōu)勢及發(fā)展

1.1 BIM技術(shù)介紹

BIM技術(shù)是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，建立建筑信息模型，通過承載建筑信息的模型，將設(shè)計、施工、運維等全過程各階段關(guān)聯(lián)起來的技術(shù)。

BIM技術(shù)的優(yōu)勢[7]主要有以下幾點：

(1) 可視化。BIM技術(shù)優(yōu)化了設(shè)計思路和設(shè)計方法，尤其是面對規(guī)模龐大、造型復(fù)雜、形狀各異的建筑物，真正做到“所見即所得”，提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。

(2) 協(xié)同性。一方面，各專業(yè)可以在同一個建筑信息模型中添加、修改和存儲不同的模型，并保持實時更新和統(tǒng)一性；另一方面，BIM技術(shù)可用于碰撞檢查、動態(tài)模擬，預(yù)見施工階段的管線碰撞、模型沖突，提前在設(shè)計階段解決問題，實現(xiàn)設(shè)計、施工、運維和管理各階段全過程協(xié)同工作。

(3) 模擬性。BIM模型可以進行客流模擬分析、節(jié)能模擬、日照模擬等可持續(xù)設(shè)計，確保工程建設(shè)安全，節(jié)約能源，減少污染；可進行施工模擬，確定合理的施工方案、施工進度及工程材料供應(yīng)時間表，進行數(shù)字化、精細化的工程建設(shè)。

(4) 優(yōu)化性。BIM技術(shù)可以把項目設(shè)計和投資回報結(jié)合起來，實時計算設(shè)計變化對投資回報的影響，通過方案比選，為決策者提供最優(yōu)方案；通過對項目的設(shè)計和施工進行優(yōu)化，可以顯著縮短工期、減少造價。

(5) 出圖性。BIM技術(shù)可以基于三維模型生成各個平面、剖面的綜合管線圖、結(jié)構(gòu)圖、建筑圖、開洞圖、碰撞分析報告等，幫助施工單位精準出圖施工。

1.2 BIM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1) BIM技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀

BIM技術(shù)從美國發(fā)展起來，而后逐漸被歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)運用。當前以美國對BIM技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛和深入[8]。2003年，美國總務(wù)管理局(GSA)推出了國家3D-4D-BIM計劃，提升建筑行業(yè)信息化水平、提高生產(chǎn)效率；2007年起，GSA陸續(xù)發(fā)布系列BIM指南，用于規(guī)范和引導(dǎo)BIM技術(shù)在實際項目的應(yīng)用；截至2013年8月，美國1/3的企業(yè)對于BIM技術(shù)的使用率已達到60%以上，而由美國政府負責(zé)建設(shè)的項目中，BIM技術(shù)使用率已達到100%。英國建設(shè)行業(yè)網(wǎng)發(fā)表的調(diào)查報告顯示：截至2014年1月, 在英國的建筑、工程和施工行業(yè)企業(yè)中,BIM技術(shù)的使用率已達到57%，增幅顯著；北歐的挪威、芬蘭和德國等國，BIM技術(shù)在工程項目中的實際應(yīng)用達到了60%～70%；2010年3月，日本的國土交通省宣布，將在其管轄的建筑項目中推進BIM技術(shù)應(yīng)用，根據(jù)今后設(shè)計業(yè)務(wù)來具體推行BIM技術(shù)應(yīng)用。

目前在國際上，BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為設(shè)計、施工企業(yè)承接各類項目的敲門磚，是建筑類企業(yè)必要的核心競爭力。

2) BIM技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

香港是我國最早將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通項目的地區(qū)。早在2015年，香港地鐵的82座車站中就有20多座車站已經(jīng)實現(xiàn)模型化，并形成基于BIM模型的各運營管理系統(tǒng)支撐的信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了客流、采光、能耗、煙霧和可視化碰撞檢測等應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會效果[9]。

近幾年，BIM技術(shù)在內(nèi)地城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，短短幾年間，北京、上海、廣州、蘇州、南通等城市的軌道交通項目均不同程度地應(yīng)用了BIM技術(shù)。無錫地鐵1號線落霞路站基于車站土建BIM模型，深化設(shè)計各專業(yè)管線，通過碰撞分析對管綜進行優(yōu)化；南京市地鐵項目采用傳統(tǒng)設(shè)計與BIM設(shè)計相結(jié)合，將傳統(tǒng)二維管綜圖紙和三維管綜模型進行協(xié)調(diào)，通過碰撞檢查減少了設(shè)計變更，控制了工期，降低了工程造價；深圳市地鐵人民南路站引入BIM技術(shù)，進行土建與機電專業(yè)建模、各專業(yè)模型碰撞優(yōu)化，提高了設(shè)計效率和施工資源使用效率，降低了工程造價。

總體來看，國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)的BIM技術(shù)研究和應(yīng)用仍處于起步階段，雖然在地上建筑應(yīng)用研究中取得了較多的成就，但在地下建筑物的應(yīng)用上目前局限于模型創(chuàng)建、碰撞檢查等方面，應(yīng)用范圍及深度尤為不足，與國際水平存在較大差距。

2 BIM技術(shù)在青年路站的應(yīng)用

2.1 工程概況

南通地鐵1號線工程貫穿南通市東西向中軸線最重要的客流走廊。在建設(shè)過程中，通過引入BIM技術(shù)，提高工程信息化水平，提升南通軌道交通1號線工程的設(shè)計和施工質(zhì)量，為后期地鐵的智能運營與維護創(chuàng)造良好開端。青年路站地理位置如圖1所示。

圖1 青年路站地理位置

青年路站是南通軌道交通1、2號線同期實施換乘車站。車站主體包含1號線車站(地下二層島式車站)、2號線車站(地下三層島式車站)及附屬地下空間三個部分，總建筑面積約50 000 m2，其中2號線車站為國內(nèi)少有的全曲線車站。青年路站是全線規(guī)模最大、難度最高、周邊環(huán)境最復(fù)雜的重點車站，主要設(shè)計難點如下：

(1) 兩線換乘車站同期設(shè)計施工，專業(yè)多、接口復(fù)雜，設(shè)計周期僅5個月。

(2) 車站位于老城核心區(qū)，外部條件錯綜復(fù)雜，管線眾多，改遷困難；車站位于兩條城市主干道交叉口，交通量大，導(dǎo)改困難；周邊建筑物密集，距離近，車站總平布置受限。

(3) 作為1、2號線換乘站，社會關(guān)注度高，施工質(zhì)量和進度要求高。

2.2 青年路站BIM技術(shù)應(yīng)用流程

青年路站BIM技術(shù)應(yīng)用流程主要包含收集數(shù)據(jù)、三維協(xié)同BIM模型設(shè)計、碰撞檢測、工程量統(tǒng)計復(fù)核、生成BIM專冊施工圖紙和BIM技術(shù)交底。本次青年路站BIM技術(shù)深化設(shè)計采用Revit軟件進行基礎(chǔ)建模，使用Navisworks、Fuzor等軟件或插件開展輔助設(shè)計工作，工作內(nèi)容主要由BIM設(shè)計小組完成，小組成員涵蓋了建筑、結(jié)構(gòu)、機電各專業(yè)。軌道交通工程設(shè)計BIM技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。

2.2.1 收集數(shù)據(jù)

在創(chuàng)建BIM模型之前，收集方案設(shè)計報告、車站總平面圖、各專業(yè)圖紙和項目電子版地形圖(含周邊場地、建筑、道路等信息)。設(shè)計人員首先應(yīng)熟悉收集的資料，校核平面坐標、標高、軸網(wǎng)等數(shù)據(jù)的準確性，避免基礎(chǔ)信息設(shè)置的錯誤影響后期建模整體工作。

圖2 軌道交通工程設(shè)計BIM技術(shù)應(yīng)用流程

2.2.2 三維協(xié)同BIM模型設(shè)計

受制于周邊密集的建、構(gòu)筑物分布，青年路站建設(shè)空間十分有限，同時，數(shù)十類專業(yè)須在狹小的空間進行布置且不發(fā)生碰撞，這對各專業(yè)空間利用效率提出了很高的技術(shù)要求。

三維協(xié)同設(shè)計[10]是BIM技術(shù)的核心理念，它在地鐵車站設(shè)計中的應(yīng)用是一種開拓性的突破。在Revit軟件中，基本的協(xié)同方式有鏈接和工作集[11]兩種模式。兩種協(xié)同方法的比較如表1所示。

本項目基于Revit軟件平臺，以工作集模式為主、鏈接模式為輔進行協(xié)同設(shè)計。以工作集模式為例，首先創(chuàng)建具有統(tǒng)一坐標、標高屬性的中心文件，保存至局域網(wǎng)共享文件夾中；然后建筑、結(jié)構(gòu)、機電等各專業(yè)保存中心文件至本機，創(chuàng)建各自專業(yè)的BIM模型；最后各專業(yè)將BIM模型同步至中心文件。這種工作模式打破了各專業(yè)設(shè)計時間上的序列，設(shè)計沖突在設(shè)計階段就得以解決，大大減少了施工階段變更量。

2.2.3 碰撞檢測

青年路站設(shè)計工作包含30多個專業(yè)，各專業(yè)設(shè)計量大，專業(yè)內(nèi)部及專業(yè)之間存在大量二維圖紙中不易發(fā)現(xiàn)的碰撞。例如，在二維圖紙中，管線在轉(zhuǎn)角、交叉、梁下等空間局促部位的碰撞無法直觀反映出來，會影響設(shè)計優(yōu)化的進度，加大后期設(shè)計變更的風(fēng)險。

BIM設(shè)計小組完成建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)BIM模型整合，進行碰撞檢測并生成碰撞分析報告，對報告中存在的400多處“差、錯、漏、碰”等問題，逐條提出優(yōu)化設(shè)計方案，修改BIM模型直至無碰撞。碰撞問題主要分為兩大類：風(fēng)管、水管、橋架之間的碰撞；建筑、結(jié)構(gòu)與設(shè)備管線的碰撞。例如，如圖3所示，站廳層公共區(qū)通信、動照、FAS/BAS橋架與風(fēng)管發(fā)生碰撞，根據(jù)管綜設(shè)計要求，利用Revit軟件將橋架上翻布置，從而避免了后期施工中的碰撞，將問題解決在設(shè)計階段。優(yōu)化設(shè)計后的模型如圖4所示。

圖3 橋架與風(fēng)管發(fā)生碰撞

圖4 優(yōu)化設(shè)計后的模型

2.2.4 工程量統(tǒng)計復(fù)核

各專業(yè)創(chuàng)建BIM模型前，應(yīng)確保BIM基本構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)與非幾何數(shù)據(jù)與技術(shù)要求一致，便于校核工程量[12]；同時，為避免工程量統(tǒng)計出現(xiàn)較大誤差，創(chuàng)建模型前應(yīng)確保構(gòu)件扣減關(guān)系正確，青年路站構(gòu)件扣減原則為“柱扣減梁、梁扣減板、板被梁、柱扣減”。

按照區(qū)域、族類型、構(gòu)件尺寸等分組排序條件，對青年路站各類模型構(gòu)件進行分類統(tǒng)計，并生成工程量清單，將各類構(gòu)件BIM工程量與投資建立計算的土建招標工程量對比得到差值，按差值范圍分為以下三類：一類問題(3%～5%)共38項；二類問題(5%～10%)共11項；三類問題(10%以上)共31項。通過分析差值大小可以對土建招標工程量進行校核，并最終確定土建招標工程量，從而有效提高土建算量的準確性。

2.2.5 生成BIM專冊施工圖紙

青年路站BIM施工圖模型通過校核后，生成了BIM專冊藍圖，以供施工單位參考。Revit軟件在設(shè)計出圖的過程中，在以下幾個方面，國內(nèi)尚無統(tǒng)一標準：①注釋、標記設(shè)置；②尺寸標注參數(shù)設(shè)置；③標題欄的設(shè)置；④線型、線寬和顏色的設(shè)置；⑤過濾器的應(yīng)用。

基于華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司編制的《軌道交通工程設(shè)計階段BIM模型應(yīng)用標準》和《軌道工程CAD制圖標準》，對圖紙的編碼分類、專業(yè)顏色、線型線寬、圖框和標題欄等信息統(tǒng)一要求，使生成的BIM專冊圖既滿足BIM工作技術(shù)要求，又符合院內(nèi)制圖標準。

2.2.6 BIM技術(shù)交底

依據(jù)三維模型和BIM專冊施工圖，確定最終的施工方案，設(shè)計人員對施工單位進行三維可視化施工交底。施工單位應(yīng)做好施工階段的BIM技術(shù)工作，組織專人負責(zé)施工模型的深化、拆分、更新與現(xiàn)場數(shù)據(jù)錄入等工作，并將變更后的模型上傳至可視化建設(shè)管理平臺，供設(shè)計方校核。

3 BIM應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 無人機傾斜攝影技術(shù)[13]對BIM模型的校核

車站周邊居住和商業(yè)建筑密集，貼近道路紅線，車站的出入口、風(fēng)亭等布置受限，且存在二維地形圖中沒有的新建建筑。采用無人機對沿線地表進行高精度傾斜攝影，可以建立可靠、準確的三維地表環(huán)境模型, 對穩(wěn)定車站總平面布置起到至關(guān)重要的作用；傾斜攝影模型與BIM車站模型出入口進行校核，可驗證BIM模型的準確度。整合后的傾斜攝影地表模型和車站BIM模型如圖5所示。

圖5 整合后的傾斜攝影地表模型和車站BIM模型

3.2 管線改遷模擬

車站位于老城區(qū)主干道交叉口，施工過程中需要對地下分布的12類、近百根市政管線分6期改遷，難度非常大，很難精確掌握每個階段管線的類型、埋深等信息。

對既有和改遷的市政管線進行仿真BIM建模，可以精準地呈現(xiàn)管線類型、截面尺寸、地下分布、窖井的位置及尺寸，以動態(tài)方式展現(xiàn)管線改遷重難點，也可以模擬管線各階段改遷內(nèi)容，及時發(fā)現(xiàn)方案的不足并優(yōu)化。各類管線BIM模型如圖6所示。

圖6 各類管線BIM模型

3.3 交通組織模擬

基于本站周邊地表環(huán)境模型和交通組織方案資料，創(chuàng)建各期施工圍擋、道路指引牌、臨時設(shè)施等模型，模擬各施工階段的地面交通組織方式，基于BIM模型進行交通仿真分析，確定方案對交通的影響程度。

各階段交通導(dǎo)改BIM應(yīng)用方案如下：

(1) 階段一：施工臨時路面板，工農(nóng)路向東西兩側(cè)翻交，維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力。

(2) 階段二：施工車站主體結(jié)構(gòu)及東側(cè)出入口部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工農(nóng)路向西側(cè)翻交，維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力。

(3) 階段三：施工車站西側(cè)附屬結(jié)構(gòu)，工農(nóng)路維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力，東西向恢復(fù)原通行能力。

(4) 階段四：施工車站東側(cè)剩余附屬結(jié)構(gòu)，工農(nóng)路維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力, 東西向保持雙向2車道。

3.4 勘察地質(zhì)模型

基于地勘單位提供的地質(zhì)勘察、地下管線物探和地下障礙物調(diào)查資料等，創(chuàng)建本站范圍內(nèi)場地地質(zhì)模型、地下管線模型、地下障礙物模型。同時，根據(jù)工程應(yīng)用需要，選擇場地內(nèi)的重要地表建筑物，對傾斜實景模型進行單體化，并與地質(zhì)模型、地下管線、地下障礙物等模型進行仿真整合分析，從而快速獲取周邊建設(shè)環(huán)境現(xiàn)狀信息，為項目各階段的模型應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3.5 可視化管理平臺應(yīng)用

可視化管理平臺能實現(xiàn)模型構(gòu)件屬性查詢與修改、模型實時更新管理等操作功能，其特點在于設(shè)計、施工、監(jiān)理單位共同協(xié)作，提升了施工效率和質(zhì)量。平臺工作流程如下：

(1) 錄入實際進度，進行施工模擬及進度預(yù)警。

(2) 施工單位就實際工況提出變更需求，設(shè)計單位上傳變更模型。

(3) 監(jiān)理單位就不合格問題發(fā)送整改單，施工單位執(zhí)行整改，上傳整改結(jié)果。

(4) 監(jiān)理單位驗收分項工程成果，就質(zhì)量問題要求施工單位進行整改。

可視化管理平臺的應(yīng)用，可以及時糾正施工中的錯誤，便于施工過程的管理和監(jiān)督，大大提高了施工效率。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道交通工程設(shè)計從二維向三維發(fā)展成為一種必然的趨勢[14]。本文結(jié)合南通地鐵換乘站青年路站的應(yīng)用案例，梳理了軌道交通工程設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用流程和工作內(nèi)容，提出了BIM關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況，得出以下經(jīng)驗結(jié)論：

(1) 建立涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、機電等多專業(yè)設(shè)計人員的BIM設(shè)計小組，明確軌道交通工程設(shè)計BIM技術(shù)應(yīng)用的流程，可以使BIM深化設(shè)計工作順利開展。

(2) BIM技術(shù)使各專業(yè)可以協(xié)同設(shè)計，提高了設(shè)計效率；在南通地鐵換乘站青年路站的應(yīng)用案例中，經(jīng)過碰撞檢查分析，解決了400多處 “差、錯、漏、碰”問題，優(yōu)化了設(shè)計方案，避免了后期返工。

(3) BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)、管線改遷和交通組織模擬、勘察地質(zhì)仿真的結(jié)合，可以最大限度地發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，同時解決實際設(shè)計中存在的問題。

此次南通軌道交通換乘站青年路站BIM技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了BIM技術(shù)可視化、協(xié)同性、信息可提取性等特點的優(yōu)越性，BIM技術(shù)未來在軌道交通領(lǐng)域定將有更加廣闊的的發(fā)展前景。