建筑信息模型技術在軌道交通系統中的應用研究

姜 超

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210034）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）一詞自在工程建設行業興起以來，逐漸成為支撐建筑設計、施工和運營等各方面的核心技術。BIM技術不僅是一項技術，同時也在各方面引導業務流程上的變革。BIM以智能構件為基礎來表達一個建筑，一是可以集成構件本身的詳細信息，二是能描述建筑信息模型中各構件之間的相互關系［1］。BIM技術不僅是將傳統的二維建筑圖紙轉換為三維模型及可視化展現，同時也潛移默化地改造著工程施工的各參與方的參與方式和關鍵過程。BIM通過參數化建模及屬性附加，以更智慧、更高效的方式來影響工程全生命周期過程。

目前，隨著在民用建筑領域內BIM技術應用的相對成熟，BIM技術逐漸被引入其他更廣泛的工程項目領域。其中，城市軌道交通項目由于其規模大、周期長、復雜性高的特點，成為BIM應用的重要領域。目前，BIM技術在軌道交通領域的應用主要集中在管線綜合碰撞檢測和場站環境的可視化設計中。結合目前國內軌道交通發展趨勢和BIM技術的應用前景，可以預見BIM技術將逐漸取代傳統工程施工流程，實現對整個工程全生命周期的可視化數據和資源管理，優化軌道交通工程規劃、設計、施工及運營階段的資源共享。

1 軌道交通BIM發展現狀

在國外，特別是歐美的發達國家，BIM技術正逐漸成為城市軌道交通工程建設的基礎技術，應用于模擬分析、3D設計、施工管理和物資信息管理等各方面。軌道交通各相關專業通過BIM技術進行協同設計，減少各專業之間的物理穿插和參與方之間的信息傳播不及時造成的影響。BIM技術廣泛應用在工程規劃、設計、施工與運維階段中，對工程項目進行全生命周期統一管理。

在國內，BIM技術在軌道交通行業的應用正在快速發展。近年來，國內一大批城市地鐵項目中均一定程度地應用了BIM技術。但是，目前大部分BIM應用主要集中于模型的可視化視覺效果展示，管線綜合設計等點式應用，遠未達到BIM全生命周期統一管理的水平。

目前，BIM技術在我國軌道交通行業中的應用水平仍較為淺顯。受限于我國BIM發展的大環境，即使是在已經實施BIM戰略的北京、上海和廣州等城市軌道交通行業，系統化思維不足的缺陷仍然突顯［2］。因此，針對BIM技術在軌道交通行業的應用和發展還有待于進一步深入。

2 BIM技術應用優勢

BIM技術和相關流程在核心的工程設計與施工中起到重要作用，它在應對大型、復雜、長周期的項目，同時在提高可持續性、降低成本和可持續性利用方面也起到很大的作用。

2.1 概念階段應用BIM技術的效益

2.1.1 概念、可行性和設計的好處

對于工程施工，在業主正式啟動項目之前，必須事先考慮好工程的尺寸大小、質量水平、理想的成本預算和工程進度。一個給定的工程方案是否滿足業主的各項需求，基于構件數據庫建造的工程模型，對于業主來說有很大的價值和幫助。

2.1.2 工程性能和質量的好處

創建一個模型取決于模型的詳細程度，一個詳細的工程模型可以用來評估該方案是否符合工程的功能和可持續發展的要求［3］。利用分析和模擬工具評估設計能夠有效提高工程的性能和整體質量。

2.1.3 集成交付提高項目合作的好處

當業主在項目中使用一體化綜合交付模式時，在設計階段的就可以利用BIM技術增加他們對項目需求的理解，并為設計開發提供成本估計。通過集成交付的方式可以避免使用文件交流的延遲。

2.2 設計階段應用BIM技術的效益

2.2.1 精確的可視化設計

采用BIM技術使用3D模型進行可視化表達，BIM模型本身是由BIM軟件采用參數化建模方式創建的，各構件之間的相互關系可通過三維模型進行直觀展現。同時，BIM模型中的參數化屬性信息，也將為BIM技術在全生命周期中的應用提供精確的數據支撐。

2.2.2 設計變更自動修正

BIM技術采用參數化建模，工程構件能夠通過參數化的規則被控制，各項構件屬性可通過修改參數由BIM建模軟件自動修正與其相關的其他參數，這將會大大減少使用者對于設計變更的管理。

2.2.3 一致性的二維圖紙

傳統的三維模型是先有各角度的二維圖紙，然后依照各角度的尺寸利用建模軟件建立模型結構。一旦二維圖紙中的某一尺寸發生變化，會導致多處相關視角的圖紙變更，三維模型并不能及時的更新。而利用BIM技術是直接建立3D模型結構，然后通過不同的視角投影生成二維圖紙。借助于參數化建模方式，三維模型中某一處尺寸的修改，均可直接導致相關參數的變化。當需要修改設計時，只要修改好模型就可以同步且迅速地生成一致的圖紙。

2.2.4 各專業間的協作

BIM技術利用模型的統一管理，可以促進了各專業間的協同工作，及時發現和解決各專業之間的沖突，減少后續的不必要的返工。同時，利用BIM技術各專業可以同步開展工作，而不必在等待其他專業完工后再開始工作，大大縮短了整體工程周期。

2.2.5 設計方案驗證

利用BIM技術提供的三維可視化展示，驗證各專業之間的設計方案是否存在沖突，并對三維空間的面積、材料等相關信息進行統計，使得成本預算更準確。

2.2.6 成本估算

BIM技術采用參數化建模，可以自動計算生成建筑空間尺寸、體積以及構件所選的物料清單，以此作為成本估算的依據可以大大減小估算的誤差。隨著設計的推進和詳細的數據逐步產生，可以對工程進行更精確的成本估管。

2.3 施工階段應用BIM技術的效益

2.3.1 利用BIM模型裝配組件

由于工程構件已被定義成三維形式，利用數控機械來實現自動化的制造就會很方便。利用設計模型裝配組件，這使得更多的供應商在創建模型、研發節點時需要和設計師保持聯系以反映設計意圖。這種方法屬于預制化制造，同時可以降低成本、減少建造時間。

2.3.2 更快的設計變更

采用參數化建模的BIM模型，不同于以往三維模型以點線面結構進行網格組織，BIM模型中各構件均采用數據驅動進行網格組織。當BIM模型中的某一參數發生變化后，與之相關的三維模型即會自動按照參數進行實時更新。更新可以依據參數化的規則直接完成，借助輔助的交互系統也能夠檢查視圖中的碰撞，修改的后果可以準確地反映在模型和所有的視圖中。

2.3.3 設計錯誤檢查

工程模型是多專業的集合，利用BIM技術它們之間就可以相互參照，各專業間的交互既能發現到內部的（硬碰撞和間隙碰撞），也能查看到表面的其他各種錯誤。在專業領域發現問題前這些沖突和可實施性問題就能夠得到檢測。

2.3.4 協同設計和施工組織設計

利用四維CAD技術進行施工組織設計，需要將施工進度計劃和三維構件關聯起來，這樣可以在任意一個施工節點上模擬施工過程、查看到工程和場地中的情況。

2.3.5 高水平施工技術的應用

高水平的施工技術需要總承包方與所有分包商間的密切協調。因為BIM能夠提供一個準確的工程設計模型，針對施工的任何一個流程都可以提供一份所需的材料需求計劃表。這樣它為改善分包商的進度安排提供了依據，并保證正確的時間上安排好合適的人員、設備、材料，從而強化了溝通協調降低了施工成本。

2.4 運維階段應用BIM技術的效益

2.4.1 信息移交方式的改進

在施工階段收集安裝材料的信息和工程內系統的維修信息，這些信息可被鏈接到工程BIM模型［4］。因此，可將BIM模型移交給業主，供它們通過設施管理系統管理工程施工。

2.4.2 設施運營和管理

工程模型提供了工程中所有系統的信息來源，先前用來決定機械設備，控制系統和其他采購產品的分析可提供給業主。一旦工程投入使用，它可被作為驗證設計決策的一種方法。這種分析可被用來檢查工程投入使用后所有系統工作的正確性。

2.4.3 設施運營和管理系統的整合

BIM模型提供了工程構件準確的屬性信息，這些信息將作為工程設計、施工、管理和運營的重要依據，并打通工程項目全生命周期管理的數據流。通過將BIM屬性信息與工程運營和管理平臺進行整合，保證了工程數據的可追溯性和可擴展性，可基于屬性數據擴展各項延伸功能。其中的許多能力還沒有發展起來，但是BIM技術提供了一個發展的理想平臺。

3 BIM帶來的挑戰

在設計和施工中每一階段用于BIM技術將使與傳統實踐相關的問題的數量和嚴重性減少和減輕。BIM的合理使用將使項目參與者之間的關系發生重大的改變和挑戰。

3.1 團隊協作的挑戰

BIM技術為各專業之間的協作提供了新可能，同時也帶來了新問題。如果工程師使用傳統的圖紙，那么承包商搭建模型將有必要，它將被用來計劃施工、預算和協調。如果工程師通過使用BIM來設計，模型對于施工來說可能不夠詳細或定義的物體的施工數量還不夠充分。這可能需要為施工使用創造一種新的模型，要是提供了工程模型，成本和時間可能會被加入項目中。如果BIM團隊成員使用不同的BIM建模工具，則必須將模型從一個環境遷移到另一環境，這可能會導致復雜性的增加并引入新的潛在錯誤。一旦涉及誰來設計、制作、分析和搭建施工數據庫，誰來支付它們，以及誰對它們的準確性負責時，各參與方的關系就遭受挑戰。

3.2 實行更改和信息使用

BIM鼓勵早期設計過程的工程語言的整合，若有能力調整所有階段的設計和施工整合，公司將得到最大的利益。在應用BIM技術時面臨的最大改變是在設計階段使用共享的工程模型和在施工及制造時使用共同的工程模型，以此作為所有工作進程和合作的基礎。這一轉變需要時間和培訓，這些是所有技術和工作流程發生重大改變所要面臨的事實。

3.3 應用問題

應用BIM技術用工程模型系統替代二維或三維環境，遠遠不是軟件、培訓和硬件更新所能完成的。有效地使用BIM幾乎需要更改商業模式的每一方面，需要相關人員懂BIM技術和實施過程，及需要在轉變之前的BIM應用計劃。

4 結語

BIM涵蓋層面較廣，既是多專業設計、分析、施工和設施的管理技術，又是過程變革的先導。本文剖析了BIM背后的技術和過程，BIM實施相關的業務和組織問題，以及有效利用BIM技術為項目組成員帶來的好處。隨著BIM技術的逐漸應用成熟，必將完成軌道交通項目全生命周期統一管理。