BIM技術在高鐵站房的應用

張繼東 ，丁震 （安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

0 前言

近年來，集信息化、高效化、聯動化等優勢特點于一身的BIM技術，越來越多的用于實際工程項目[1]。BIM技術可應用于建筑的設計、施工、維護乃至整個建筑設計周期，與以往技術相比，具有數據化、可視化、一致性、協調性等優勢。在BIM技術的支持下，建筑模型的具體數據在各個專業之間互相傳遞、實時共享，從而有效提升不同專業之間的信息傳遞效率。

BIM技術的應用原理是建立建筑物的三維數據模型，模型不僅可以從三維系統中直觀的觀察建筑，并且包含了建筑物各個分部的主要信息。其中，信息的精確度取決于后期模型的使用方式。目前，我國BIM軟件及其相應的軟件載體發展尚不成熟，現實中核心建筑物的建模載體主要使用國外的主流軟件以滿足各種類型的項目建模需要。國外的主流軟件有Autodesk Revit、Tekla軟件平臺等BIM軟件產品。

現階段，建筑的設計階段大致可分為概念設計、方案設計、初步設計和施工圖出圖4個階段，建筑設計的階段化使得建筑設計周期愈加明晰和合理化，不僅可以提升不同專業類別之間的協作效率，而且可以有效促進設計周期的控制以及管理。

這其中建筑工程師與結構工程師關注重點則不相同，前者更關注建筑的外觀和空間布局，而后者更關注建筑的安全性能和建筑材料的使用。在傳統設計模式下，建筑結構分析需要傳統的結構工程師在專業的結構設計軟件中進行，此時建筑部分構件已經被簡化為結構構件，并不包含建筑太多物理數據，因而簡化了的模型不能在后期深度優化時使用，需要重新建模，浪費了大量時間與人力。

現階段使用BIM技術的設計與傳統設計相比設計流程有了以下的變化。

①數據傳輸的變化。運用BIM技術時能使不同專業在一個數據庫中完成各自的工作內容，并且通過數據庫的實時同步達到彼此之間更完美的配合，從而提高設計質量。相對于傳統的將二維圖與平面設計相結合，BIM模型的分析、模擬和演示給設計師提供了一種更直觀、更豐富的感受。

②工作流程的改變。就我國大型設計院的設計情況而言，設計周期往往十分緊湊。在BIM技術的支持下所有參與者能夠提前參與，從而使得建筑的設計周期盡可能縮短。工作任務將在每個設計階段中的得到一定程度的前置，從而使得設計師通過相關的檢測和數據分析達到有效降低更改錯誤的成本。在設計審計方面傳統的階段性審計將被實時審計所取代，同時傳統的二維圖形審計也將變為基于BIM模型的三維審計。

③提高項目質量。在項目的設計階段，二維視圖、立面圖可以有效的提升其精確度是因為二維視圖、立面圖是依據與BIM模型自動生成的。設計師通過BIM技術能夠更快、更有效地處理碰撞、故障等問題，從而提高項目質量。

1 項目介紹

本章以中鐵大橋局集團有限公司為背景，以某高鐵站房的結構可視化設計為研討對象，討論BIM在高鐵站房設計中的應用思路和實際應用。

1.1 站房概況

站房總建筑面積為7999㎡，主體站房功能布局分為兩層，一層進站層±0.00m（高程 15.800m），站房一側設有售票廳/辦公及設備用房，另一側設有設備用房，中間設置候車空間；二層平面標高6.300m，兩端分別設有辦公用房及機電設備用房；架空層標高-5.200，功能布置為出站廳以及商業預留。站房面寬（軸線）：143.6m,進深（軸線）：41m，最高屋面結構標高：18.600m，如圖1所示。

圖1 站房平面布置圖

1.2 站房結構

①站房結構以50年為使用壽命設計、結構安全等級二級，站房中調度、運行、通訊、信息設施房屋及有關部分抗震設防類別按重點設防類，其他部分按標準設防類展開下階段設計[2]。站房金屬屋面基本風、雪壓荷載重現期按100年取值。

②站房基礎采用灌注樁加承臺基礎梁相結合的模式。

③站房樓面采用現澆鋼筋混凝土框架結構、現澆鋼筋混凝土樓蓋，屋面采用鋼網架結構。

④抗震設防等級：6度，設計基本地震加速度值為 0.05g[4]。

2 BIM模型建立

首先使用Revit2016軟件來進行高鐵站房的模型建立，根據中國鐵路總公司提供的紅線以及建筑專業提供的建筑圖，確定建筑軸網定位，在軸網確定過程中要注意建筑物結構標高設定。隨后依據軸網來依次定位結構柱→主梁→次梁→墻→樓板→門窗、幕墻，來完成建筑主體結構設計，主體結構模型建立的過程中，要預留出樓梯間空間，柱梁板的尺寸可根據相關規范來進行初步設計，后續再通過結構軟件驗算結構的穩定性。

其次進行樓梯結構設計，依據建筑圖設計要求，定義樓梯類型，以此來確定樓梯起步梁、梯梁、梯柱等結構的位置及其尺寸。

最后將設計的建筑模型進行結構優化，通過Revit 2016軟件可關閉模型建筑部分，提高建筑優化效率。

圖2為經過選擇后的結構專業模型。在此過程中，確定好結構的標高，以防出現標高差是最為重要的一個環節。

在建立模型時，另一個需要注意的環節便是相關族的制作。Revit軟件中的族類型多種多樣，例如可以直接利用的建筑墻、建筑柱、窗戶、樓梯和幕墻族等建筑模型。但是這些族早已被提前定義在原型件和項目，用戶不可直接增加、刪除或修改系統族，在建模過程中，系統族雖然被廣泛使用，但對于不同新項目時有時并不能滿足設計需求，往往通過創造新的族以及對新的族進行參數化的設計來滿足不同工程項目的設計需求。隨著時間的推移，自建族庫也會愈發的完善。一些大型企業在進行BIM設計時往往會使用企業內部的共享族庫。

3 結構分析

本文將Revit 2016與ETABS 2016結構分析軟件進行數據鏈接，以此為依托完成結構的荷載計算。針對Revit模型，美國CSI公司專門開發出專業的CSIxREVIT 2016數據接口，在REVIT 2016中依次點擊“附加模塊→外部工具→Export to Creat New ETABS or SAPA2000 Mode”即可新生成后綴名為.exr的文件，如圖3所示。因為部分物理參數無法在Revit2016中實現，故運用ETABS軟件對結構進行深入設計。

圖2 結構專業模型

圖3 Revit2016結構模型導出

Revit2016主動生成結構分析模型如圖4所示，依據模型中的參數大多數構件自動轉換入分析軟件中，簡化模型中部分構件不參加結構整體計算的構建，因此只需要轉入部分數據，來對模型進行分析。其中，欲約束樓板在模型中變形則在Revit中假定樓板為剛性樓板，便可以簡便得出層間位移角，其配筋后續通過其他方式計算。

打開ETABS 2016，將Revit 2016中建好的模型導入至ETABS中，導入的模型在實際工程中可根據工程的具體需要而進行結構的優化，比如梁的分析線位置[3]。

圖4 ETABS分析模型

有限元分析軟件ETABS立足于歐美，本身并不包擴我國結構設計規范，因此在使用ETABS等軟件進行結構分析時，要先導入我國關于結構設計的規范及算法，比如：高層建筑混凝土規范和鋼結構規范等。之后使用ETABS中模型分析功能便可以對結構模型自動進行力學分析。

將建筑模型從Revit導入ETABS后，通常情況下，樓板假定剛性樓板進行計算，方便計算其位移角，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第3.7.3條規定：對于高度不超過150m的高層建筑的框架，其樓層層間最大位移與層高之比△/h不能大于1/550[6]。

圖5 地震荷載作用下層間位移角

此外，在Revit中部分構件在ETABS中無法簡化，以相關的荷載及約束條件來代替，以獨立的均布或者幾種荷載來替代部分無法簡化的建筑構件，在設置時因注意相關荷載的約束條件，以模擬該構件對建筑物整體的作用。進行相關設置后，便可使用ETABS自動分析建筑物受力及位移情況，匯總后如圖5、6所示。

圖6 風荷載作用下層間位移角

通過分析可得出，無論是風荷載還是地震荷載，在X方向和Y方向的最大層間位移均滿足我國《高層建筑混凝土結構技術規程》中關于層間位移角的規定，即通過BIM進行的結構設計，其穩定性滿足規定要求。

4 結論

本文基于某高鐵站房，研討了BIM技術在建筑設計中的流程，并利用CSIxRevit對模型進行雙向鏈接，在相應的結構分析軟件中分析建筑模型的結構穩定性，并對結構進行相應的優化。結構分析結果顯示，保證結構的穩定性和安全性的條件是設計偏差在允許的范圍內，并使用可視化軟件達到提升設計效率和設計精度的目的。目前我國正處于大力發展高速鐵路的重要階段，BIM技術在諸多公共建筑中擁有寬泛前景。并且在國產主流設計軟件之間信息交流進一步的完善的基礎上建立貼合我國國情的BIM設計體系，促使BIM技術在我國迅速得到成長，不斷進步，不斷完善。