郭 杰

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京100000）

地鐵的設(shè)計不僅要考慮地鐵本身的功能，也需要充分研究地鐵線路、地鐵站的重要性，滿足工藝的要求。但是隨著地鐵站的逐漸復(fù)雜，使用傳統(tǒng)CAD方法開展設(shè)計已經(jīng)很難滿足表述要求，設(shè)計人員在設(shè)計工作中分析地鐵施工到運行的動態(tài)過程也有一定的困難。為此，需要使用BIM技術(shù)進行地鐵的設(shè)計工作，使設(shè)計人員可以綜合考慮地鐵在功能、工藝、施工、成本、安全等各方面的要求，減少地鐵建設(shè)過程中的問題，提升地鐵的建設(shè)水平。

1 基于BIM技術(shù)的地鐵站模型

資產(chǎn)或者設(shè)備管理人員使用CAD圖紙可以寫入格式數(shù)據(jù)，以收集資產(chǎn)或者設(shè)備的有用信息。如果項目在建設(shè)過程中突然出現(xiàn)了狀況，就需要不依賴圖紙和規(guī)范進行處理，保證對現(xiàn)場情況處理的靈活性。在BIM技術(shù)出現(xiàn)后，對項目的建設(shè)水平逐漸提升，不同專業(yè)之間的聯(lián)系更加緊密，因為BIM技術(shù)平臺保證了行業(yè)之間的溝通效率[1]。資產(chǎn)管理人員也可以使用BIM技術(shù)進行建筑物不同組件的識別工作，也能在施工的過程中，利用嵌入信息模型識別建筑物的施工歷史。

在BIM系統(tǒng)中，BIM軟件所建立的詳細(xì)模型用于定義建筑物中不同屬性的組件（如圖1地鐵工程BIM模型組成），這些組件被分成了幾個大類，包括建筑、結(jié)構(gòu)、機械和電氣，BIM系統(tǒng)中每個組件或者屬性都可以根據(jù)其類型產(chǎn)生聯(lián)系，比如對結(jié)構(gòu)單元，可以分析其材料信息、建設(shè)年限以及建設(shè)用途，還能計算維護、修復(fù)所需要的時間，并對之前存在的缺陷進行分析。資產(chǎn)管理人員需要通過設(shè)計將不同類型、屬性的組件信息聯(lián)系，例如可以設(shè)計模型的ID編號，安裝日期、能源消耗和先前維護的情況，以及修復(fù)措施[2]。地鐵車站的每個組件都會影響地鐵的服務(wù)水平和運行效率，因此資產(chǎn)管理人員需要了解組件對地鐵站的影響和作用，制定不同組件的權(quán)重，分析組件對地鐵站服務(wù)水平的影響。

圖1 地鐵工程BIM模型組成

地鐵站的地下空間有限，而施工建設(shè)過程中，每個施工工序都要有足夠的地下空間才能達到工藝要求，否則工程施工將難以進行。為了能真正地利用地下空間，減少工程施工中存在的沖突，施工方可以使用BIM技術(shù)開展模擬工作，尤其能模擬工程施工的動態(tài)過程，研究專業(yè)之間的協(xié)作要求，協(xié)調(diào)不同專業(yè)的施工，確定工程施工的最佳順序，以及優(yōu)化施工現(xiàn)場機械設(shè)備的行走路線和人員活動范圍，減少施工過程中專業(yè)之間的沖突和矛盾。

2 BIM技術(shù)在地鐵設(shè)計中的運用

2.1 BIM技術(shù)用于檢測地鐵站內(nèi)環(huán)境質(zhì)量

為加強施工過程中對施工情況的檢測工作，需要建立基于BIM的無線網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)，依靠BIM技術(shù)模型，在地鐵站內(nèi)設(shè)置和安裝傳感器，建立不同條件下的通信通道。系統(tǒng)主要包括兩部分，分別是基于BIM技術(shù)的地鐵站模型和路由器節(jié)點。依靠此模型能顯示不同構(gòu)件在地鐵站和特定空間下所處的等級，可以以空間作為約束，將基于BIM技術(shù)模型內(nèi)的無線傳感器所收集的數(shù)據(jù)匯總并儲存。

地鐵站的舒適監(jiān)控器包括室內(nèi)/室外溫度、濕度、舒適溫度和日期等參數(shù)，溫度參數(shù)會根據(jù)濕熱舒適監(jiān)控器室外位置變化，是多數(shù)乘客都滿意的大氣溫度。舒適溫度會根據(jù)室內(nèi)外平均中性溫度Tn，0、大氣溫度T0，根據(jù)公式Tn，0=17.6+0.31T0獲得，當(dāng)信息輸出到BIM信息模型中后，參數(shù)就會根據(jù)當(dāng)前的日期數(shù)據(jù)更新，以及更新其他數(shù)據(jù)[3]。無線傳感器部分包括了兩種布置點——路由器布置點和接收器布置點，微型控制器中包括了一個可以儲存代碼的儲存空間，能夠監(jiān)控路由器節(jié)點的動態(tài)，并獲得連接到路由器節(jié)點的傳感器動態(tài)。例如在測量溫度和濕度時，就可以使用DHT11數(shù)碼溫濕度傳感器模塊，可以獲得的溫度測量精度為±2℃，濕度測量精度為±5%，數(shù)據(jù)可以從路由器節(jié)點傳輸?shù)浇邮掌鞴?jié)點，再從接收器節(jié)點傳送入計算機。

由于地鐵車站的地下開挖深度會超過平臺層以下10米，導(dǎo)致地鐵站的站臺層溫度往往高于室外溫度，而且，由于地鐵站內(nèi)的乘客較多，乘客的體溫是地鐵站內(nèi)熱量的來源，列車運行也會攜帶大量的額外熱量。所以應(yīng)該基于BIM系統(tǒng)和傳感器加強對地鐵站的監(jiān)控，及時根據(jù)溫度、濕度調(diào)整地鐵站內(nèi)的環(huán)境，保證地鐵站的舒適性。

2.2 BIM技術(shù)用于地鐵站維護排序系統(tǒng)

地鐵站有著快節(jié)奏的運行特點，利用BIM技術(shù)可以在快速的交通網(wǎng)絡(luò)中完成對不同部分的快速識別，一般快速交通網(wǎng)絡(luò)包括了幾條線路，不同的線路在重要性程度上是各不相同的，運行過程中對地鐵站維護的排序重要程度主要取決于幾個關(guān)鍵因素。

比如特定線路乘客的數(shù)量就會決定線路的主要和次要，以及線路的服務(wù)位置也是線路重要性的決定性因素，以上因素也可以用于對地鐵站重要性的評價中?；贐IM系統(tǒng)，能夠建立地鐵站的模型，設(shè)計每個地鐵站的內(nèi)部組成部分，每個部分的重要性取決于所提供服務(wù)的水平，以及重要性大小。比如地鐵站中的結(jié)構(gòu)單元決定了地鐵站的穩(wěn)定性，通風(fēng)系統(tǒng)決定了地鐵站的舒適度，所以這兩種構(gòu)件在地鐵站的設(shè)計中就是必不可少的，但是建筑物的裝飾構(gòu)件相對而言就不是必須的。在對不同組件進行資金分配時，需要按照BIM系統(tǒng)的物理性和重要性分配。

目前，對地鐵站維護的排序開發(fā)了專門的等級算法，有專業(yè)的軟件可以完成計算工作。相關(guān)算法也能引入到BIM系統(tǒng)中，幫助地鐵站的資產(chǎn)管理人員打通網(wǎng)絡(luò)的屬性，并且確定地鐵站中最重要和最不重要的資產(chǎn)。相關(guān)屬性都是根據(jù)用戶的需求列出，用戶通過確定數(shù)值，系統(tǒng)就能自動完成對各個構(gòu)件重要性的分析工作，并完成對重要性的排序。有些情況下，用戶將會獲得具有同等重要性的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將會被制定為相同的數(shù)值。目前，一般會使用BIM管理系統(tǒng)根據(jù)四個層次對地鐵站內(nèi)部資產(chǎn)進行排序，系統(tǒng)會計算地鐵線路、地鐵站、各類組件的權(quán)重，分析組件的重要性。

結(jié)合BIM技術(shù)的管理方式，在對每個地鐵站進行重要性權(quán)重分析時，需要綜合考慮同一條線路的其他地鐵站重要性，最后確定地鐵站的權(quán)重，所獲得的結(jié)果成為局部權(quán)重[4]。之后利用局部權(quán)重也能計算出地鐵站在全局中的重要性，以及完成對與地鐵站相關(guān)的其他部分重要性的分析。無論是局部權(quán)重還是全局權(quán)重，對地鐵站的管理工作都十分重要，而且具有較高的適用性。比如在地鐵線路上分配資金時，就需要使用局部權(quán)重進行資金分配；如果對整個地鐵系統(tǒng)的不同地鐵站進行資金分配，就需要根據(jù)整體權(quán)重分析地鐵站的資金。

使用BIM系統(tǒng)，地鐵站資產(chǎn)管理人員可以根據(jù)幾個因素，結(jié)合不同地鐵站的特點確定地鐵站組件的優(yōu)先指數(shù)。通過實際工作中的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)地鐵站線路重要性主要由三個主導(dǎo)性特性決定：地鐵站所屬線路的平均壽命、地鐵站的服務(wù)位置、乘客平均數(shù)量[5]。所以，對于地鐵站重要性產(chǎn)生影響的屬性包括：地鐵站每天進出乘客數(shù)量、地鐵站的建設(shè)工期、地鐵站上一次全面修復(fù)工作的時間、地鐵站地面或地下的車型、該車站是否為交換站。還需要使用地鐵線路從建造一直到整條地鐵線路最終完成的平均工期，分析地鐵站的重要性。

所以地鐵站的資產(chǎn)管理人員應(yīng)該對地鐵線路和地鐵站的屬性做好排序工作，然后利用屬性排序計算每個屬性的重要性權(quán)重，使用重要性的權(quán)重和屬性值完成對每條地鐵線路和地鐵站優(yōu)先指數(shù)的計算。根據(jù)BIM系統(tǒng)，可以將各個屬性的數(shù)值大小轉(zhuǎn)化為百分比的形式，滿足歸一化計算的要求，防止優(yōu)先級指數(shù)出現(xiàn)不符合實際的情況，也能避免優(yōu)先級指數(shù)過于傾向于某一個值。

2.3 BIM技術(shù)用于地鐵施工方

地鐵施工過程中，由于現(xiàn)場的空間比較狹小，因此需要強化對現(xiàn)場的管控工作。利用BIM技術(shù)管控可以強化對地鐵空間的管理和使用，因為施工過程中必須考慮需求、位置和時間等管理因素，而利用BIM技術(shù)可以提升空間的信息化水平，并且依托可視化技術(shù)提升對空間的認(rèn)識，尤其是能反映出地鐵運行過程中的動態(tài)變化狀況，給管理人員提供可視化的三維動態(tài)模型，解決地鐵建造過程中的動態(tài)問題。由于具有更為直觀的信息，因此BIM技術(shù)減少了施工過程中交替進行的繁瑣程序，優(yōu)化人員施工位置、活動路線，讓地鐵地下空間得到了最大化的利用，不僅能提升工程施工作業(yè)效率，也能有效控制施工成本，并且保證工程施工的安全。

地鐵施工不能缺少對安全的管控，引入BIM技術(shù)開展安全管控可以獲得更好的效果，保障地鐵施工環(huán)境的安全。施工前，應(yīng)建立地鐵施工項目的三維模型，了解施工空間特點，初步分析地鐵施工過程中可能面臨的安全風(fēng)險，然后開展安全問題的檢查。利用BIM模型信息（見圖2），能明確地表現(xiàn)地鐵各個位置的空間信息，還能利用模擬分析各個位置的安全風(fēng)險。傳感器等設(shè)備能實時反映施工過程中地鐵施工現(xiàn)場各個位置的狀況，能在出現(xiàn)安全風(fēng)險時及時做出反應(yīng)和采取措施，在充分利用信息的同時，也為安全管理創(chuàng)造了良好條件。

圖2 站廳層土建BIM模型

地鐵的設(shè)計工作中，可能會存在空間沖突，因此需要使用BIM技術(shù)完成對空間沖突的檢查。比如機械施工中會使用機械手臂和座吊，兩個機械設(shè)備之間可能會在空間中產(chǎn)生沖突，不僅不利于工程施工，還可能導(dǎo)致安全事故[6]。而利用BIM技術(shù)建立動態(tài)施工模型，可以比較方便地發(fā)現(xiàn)工程施工中存在的實際問題和潛在問題，減少施工設(shè)備和施工計劃之間的沖突，保證工程施工的經(jīng)濟性和解決施工的安全問題，實現(xiàn)了對地鐵工程施工的嚴(yán)格管控。

2.4 BIM技術(shù)用于地鐵施工空間突擊檢查

由于地鐵工程建設(shè)的空間相對狹小，易受到很多方面的限制，因此地鐵施工建設(shè)中可能會出現(xiàn)設(shè)備摩擦、空間沖突導(dǎo)致工程施工的生產(chǎn)率嚴(yán)重下降，還會因為工程施工引發(fā)安全事故。為了有效利用空間，就需要在工程施工時為不同的施工專業(yè)提供必要的空間，保證施工活動的正常進行[7]。例如需要確定機械臂長的旋轉(zhuǎn)半徑，合理配置施工人員的活動半徑，避免人員和設(shè)備由于施工工序不合理導(dǎo)致空間上的沖突，不僅會導(dǎo)致財產(chǎn)損失，還會導(dǎo)致人員傷亡，將會增加地鐵工程建設(shè)的負(fù)面輿論，還會影響工程施工建設(shè)的正常進度。

為此，施工過程中應(yīng)該開展施工現(xiàn)場的動態(tài)模擬工作，分析工程施工過程中可能出現(xiàn)的問題，然后利用智能算法獲得機械運行的最佳半徑、人員活動路線、不同專業(yè)的施工范圍。以及通過計算各個位置出現(xiàn)安全事故的可能性，合理開展優(yōu)化工作，避免生命財產(chǎn)損失，最大程度確保工程的施工安全。突擊檢查之前，應(yīng)該進行每一個構(gòu)件和每一道工序占用空間情況的分析，分析各個專業(yè)對工程施工的空間要求，以及研究構(gòu)件的實體體型[8]。有些工程中會存在一些比較特別的實體，對于這類情況就要使用特殊的方式來描述其空間占用，尤其要突出特殊實體所具有的空間特點。例如施工過程中的機械，機械運輸行為主要表現(xiàn)為前進和機械臂旋轉(zhuǎn)，施工模擬的過程中就要使用特殊的模型分析機械的活動，分析機械和周圍其他實體之間的沖突，研究碰撞出現(xiàn)的可能性。

3 結(jié)束語

地鐵建設(shè)具有極高的復(fù)雜性，進行地鐵的設(shè)計工作需要綜合考慮不同地鐵站的重要性，研究站點的乘客數(shù)量、服務(wù)地點，以及分析各個地鐵線路的重要性，提升對建設(shè)資金的分配合理性。使用BIM技術(shù)進行設(shè)計的過程中，可以從地鐵站的功能出發(fā)，并且考慮地鐵站建設(shè)的合理性、工藝復(fù)雜性等問題，分析地鐵施工過程中存在的沖突，優(yōu)化地鐵設(shè)計，滿足地鐵的建設(shè)要求。