基于BENTLEY平臺的地鐵車站結構三維正向設計研究*

馬超超，臧延偉,2，沈霄云，許原騎

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心，浙江 杭州 311100）

近年來，無論是國家行業政策還是技術需求方面，都非常重視信息化建設以及BIM 技術的發展[1]。由于設計在工程全產業鏈中處于龍頭地位，是工程最主要的信息來源，同樣BIM 設計也是BIM 應用的信息源頭，因此在設計中應用BIM 技術，對于BIM的全生命周期工程應用至關重要。BIM發展之初就是為了解決傳統二維設計弊端與不足，其頂層設計站位很高，優勢顯著[2-3]，相關文獻很多，此次不做贅述。但國內正向設計的發展依然相較緩慢，特別是在地鐵設計行業，大多尚處于應用模式探索階段[4-6]，工程實踐應用成果更是極少。

文章以國內某城市1號線的一個地鐵車站設計項目為依托，從實際地鐵車站設計應用出發，開展BIM 施工圖正向設計嘗試，為BIM 正向設計的落地進行探索，現已基本實現了跨專業三維協同設計及施工圖出圖。由于項目開展初期并未考慮進行全面正向設計，僅施工圖設計階段選取個別工點進行試點，因此機電、設備、裝修等專業施工圖設計未能同步啟動，先期開展建筑和結構兩個專業正向設計。雖然未能實現全專業協同設計，存在一些遺憾，但以國內三維正向設計發展現狀，從個別專業入手進行突破，再談多專業協同問題，或許更切實際。

1 項目簡介

試點項目是一座標準車站，車站長193.6m，寬19.7m，頂板覆土厚度約3.0m，結構高度約13.3m，地下2層單注雙跨框架結構。由于線路模型交付采用Bentley平臺，考慮設計標準、成果格式的一致性，該項目遂基于該平臺，從結構專業設計角度出發，開展了模型創建、結構計算、實體配筋、抽圖制圖、設計審查、成果提交六個階段的應用研究，對設計過程進行經驗總結和問題分析。

2 結構專業三維正向設計

2.1 模型創建

模型創建過程主要如下：建筑專業創建統一的軸網系統及樓層標高（統一坐標及標高，確保不同專業建模定位的一致性），結構和建筑專業分別在此基礎上根據自身方案進行建模，最后通過鏈接參考的方式形成整體建筑結構模型，再對模型及各自的方案進行復核，查找設計方案中的錯誤及漏洞，模型成果詳見圖1。

圖1 車站結構模型

結構三維建模宜按照先主體后附屬的原則，自下而上逐層進行。層內建模宜按照先柱、再墻、后梁、最后板的創建順序。規則且形狀簡單的構件可使用BENTLEY平臺自帶構件模塊。該方式操作簡便且構件自帶屬性，僅需設置構件尺寸、確定放置方式、定位擺放，即可完成構件創建。另外，BENTLEY還提供了多種基于布爾運算的節點處理方式，可滿足不同構件之間連接要求。除以上建議外，建模仍需滿足一定的規則，以確保后續階段工作正常開展。三維結構建模規則見表1。

表1 三維結構建模規則

雖然BENTLEY提供了通用的結構建模解決方案，實現快速建模，但對地鐵上較為常見的異形構件或是異形節點，其適用性仍有待加強，比如Y型梁、上下翻梁及板墻腋角等建模操作較為復雜，需先創建相應形狀的多面體，再對體賦構件屬性（如梁、板、柱等屬性）和材料屬性（如混凝土、鋼等）。該方式為異性構件通用的處理方式，能滿足用戶自定義需求，但是創建過程較為繁瑣，且構件創建后不易修改編輯。地鐵車站設計等大型工程，構件眾多，將極大地增加設計人員重復工作量。為進一步增強BENTLEY平臺在地鐵設計中的適用性，華東院基于MicroStation二次開發了PlantDesigner插件，提供了地鐵結構設計中常見異形構件（如樓梯、上下反梁、Y型梁、腋角、斜板等）的參數化設計方案，大幅提高了地鐵車站結構建模和修改再編輯效率。PlantDesigner插件界面見圖2。

圖2 PlantDesigner插件界面

在不斷探索和二次開發人員的努力下，BENTLEY平臺在地鐵設計中的應用已日趨完善，但仍存在部分問題需進一步解決。例如：盾構孔洞門環梁、后澆帶啟口、變形縫等尚無法參數化；模型修改過程中的構件聯動調整機制尚無法實現，梁調整后，板不能跟隨梁邊自動調整，需對板另行編輯，而已成型構件的再編輯往往不是很便捷，有時甚至沒有刪除重建效率高。雖然該部分訴求目前無法實現，但相信后期隨著國內相關單位參與度和開發力度的提升，將進一步提高地鐵行業正向設計的工作效率。

2.2 結構計算

現階段BENTLEY平臺結構計算接口不是很豐富，主要提供STAAD、PKPM、ANSYS的數據接口。STAAD主要應用于鋼結構計算，在混凝土結構計算分析上，無法滿足國內設計標準要求；PKPM結構模型需要用PBIMS軟件進行創建；ANSYS也需通過二次開發接口。對于地鐵結構設計中使用比較廣泛的SAP2000和Midas等軟件尚未能提供有效的模型及數據導入導出接口。因此，該設計未能實現同模型結構計算分析。后期將針對該模塊進行專題分析，以驗證其在地鐵結構設計計算中的適用性。

2.3 實體配筋

該配筋設計主要使用華東院二次開發的配筋軟件ReStation模塊，具體見圖3?；静襟E：（1）設定配筋基本規則?？梢栽O置抗震等級、錨固長度、末端鋼筋彎折等基本設定，也可以對大體積構件、梁、板、柱等構件單獨進行配筋參數控制，滿足國內混凝土結構設計標準和要求。（2）建立配筋單元。將配筋的構件定義為配筋單元，可添加配筋單元的編號或名稱（只有對已創建配筋體的構件才能進行后續配筋）。（3）添加關聯構件或是收尾支座。定義構件鋼筋的錨固對象，目前軟件已支持構件自動搜索關聯構件，對于個別未能自動識別的，可手動添加。（4）設置配筋單元主筋、箍筋、拉筋或其他構造鋼筋參數，進行配筋。配筋相同的構件可通過配筋復制功能實現批量快速配筋。

圖3 ReStation模塊界面

配筋要求建模需要滿足一定的規則，詳見表1。如梁端頭支座位置須錨入豎向構件內，再使用布爾操作切除重疊部分，如此配筋時將自動識別梁支座，實現梁端鋼筋的錨固。

車站整體配筋時，不可避免的會有不少的節點是軟件無法自動識別的，需要進行單獨處理。如此，整個車站模型的配筋是一項非常龐大的工程，往往比創建模型更為復雜。如果能實現更為智能的軟件自動處理，或許可以解決該問題，但現階段還有許多問題需要克服。另外，對于常規結構構件，顯示三維配筋對于工程實際意義不大，而且配筋會產生大量數據信息，也不利于單個模型全生命周期的傳遞。因此，現階段配筋是否有必要三維配筋，有待進一步商榷；或許只保留構件的配筋信息，不進行具體的顯示是目前更優的選擇。

2.4 抽圖制圖

針對抽圖功能，BENTLEY提供了一套比較完善的解決方案，可將剖切面、前視圖、后視圖三個維度的信息壓縮成一張二維圖紙，同時可以根據需求自定義不同的線型、樣式、顏色等。對于較復雜的節點，亦可通過二次或多次剖切再疊加以實現更為精準的表達，真正實現所見即所得，并規避了傳統設計圖紙中錯、缺、漏等常見問題，提高設計出圖質量。后期修改模型，僅需重新執行抽圖命令，即可實時聯動更新二維圖紙。

制圖是在抽圖的基礎上添加必要的尺寸標注、文字說明、嵌套圖框，最終形成正式圖紙的過程。目前相關功能可滿足地鐵設計施工圖出圖要求，本項目已完成正式出圖與歸檔。

需要注意的是，建模過程應該有足夠精度問題，盡量采用特殊點捕捉工具，如果關鍵點捕捉不精確，或是發生錯位，就會影響到后期抽圖的線型，而且由于線型是帶構件屬性的，編輯需打散其構件屬性。而修改后將不再與三維模型構件關聯，無法隨模型修改實時更新。綜上所述，推薦采用精確建模方式。另外，BENTLEY平臺尺寸標注具有關聯鎖功能，可實現尺寸標注隨構件變化自動更新。

該模塊也存在一些問題：（1）工作空間層級較多問題。不同于傳統設計，所有的信息都在一個工作空間內，修改設計僅需在一個工作窗口內完成。BENTLEY平臺的底層設計是在一個文件中存放多個工作空間，每個空間可以分別存放不同的三維模型或是二維圖紙，各個空間是相互獨立的，可通過鏈接參考的方式實現信息的互通。因此，修改設計成果需在模型和圖紙空間頻繁切換，且由于正向設計往往信息量較大，每次切換加載時間較長，會影響工作效率。（2）文字、線型等與現有設計軟件兼容性有待加強。目前國內繪圖、審圖、打印、歸檔等一整套流程都是在CAD環境下開展的，現階段無可替代，正向設計與之必將經歷一段較長的共存期，在此過程中正向設計很可能是局部或是小范圍內試用，而后逐步擴大推廣。因此，共存期與CAD的兼容性問題是不容忽視的，目前BENTLEY與CAD兼容性有待加強，相互轉化時會出現文字、排版、線型等方面異常的現象。

2.5 設計審查

三維正向設計審查工作可分為模型審查和圖紙審查兩個部分，雖然較傳統的設計審查增加了模型審查部分，但在一定程度上是減少了審查的工作量和范圍。如前所述，三維正向設計需要多專業協同完成，在整個設計的過程中，各專業已在不斷地發現問題和解決問題，并逐步修改完善方案。因此，審查工作可以更加專注于自身專業，無需過多關注與其他專業的一致性、沖突或是遺漏等問題。同時，三維模型可以更加直觀的表達各構件空間關系，結構體系是否合理、節點處理是否合適一目了然。圖紙審查可以在模型審查的基礎上開展的，審查的重點為模型上未表達的信息，進行查漏補缺，以便發揮兩部分自身優勢，提升審查效率和質量。

2.6 成果交付

在模型成果交付方面，本項目的模型是作為成果的一個組成部分移交下游設計專業、建設單位及土建施工單位的。下游專業在建筑、結構模型基礎上，進行三維正向設計；土建施工階段，在設計模型的基礎上進一步深化后，用于工程管理、計量支付等；最終將移交運營，實現工程全生命周期的信息傳遞。

3 總結

通過該地鐵項目基于BENTLEY平臺的三維正向設計探索，現已基本實現了建筑、結構專業的協同設計，解決了部分建模、配筋、出圖、制圖、審查、成果交付等方面在實際應用中的問題，研究了三維正向設計全過程的解決方案，完成了國內基于BENTLEY平臺在實際地鐵設計中的首次應用，取得了一定的成果，但仍存在部分問題尚需進一步解決完善及深入思考。

（1）相關標準、規范有待補充完善。BIM國家及地方標準相對較少，比如設計各個階段建模標準及深度、模型配筋標準、成果交付標準等方面問題均未統一明確。目前，各試點項目都是在傳統設計接口的基礎上進行探索，通過契合傳統標準的方式閉合項目。一套完善的BIM標準可大幅減少設計人員非必要工作量，使工作推進更加明確，避免造成資源浪費。還有各階段均應進一步弱化二維成果，采用更加立體的表現方式，或許這樣才更符合推行三維正向設計的初衷。

（2）BENTLEY平臺的兼容性問題有待加強。以目前國內現狀，傳統模式與三維正向設計模式必將長期共存。因此，與國內主流的設計出圖軟件的兼容尤為重要，提供完善的二維圖紙導入導出方案，避免因為兼容性問題或是格式問題而引起的額外工作量。還有其他配套軟件的接口（如結構計算軟件）應該更加豐富、更加便捷，增加模型的重復利用率，避免二次建模。

（3）智能化程度需進一步提升。BENTLEY平臺已在此方面進行了不少的探索，比如尺寸標注自動化標注、自動提取構件信息等，一定程度上避免了重復勞動。但是因為操作便捷性、制圖習慣和對軟件熟悉程度等問題，實際模型圖紙化的過程效率較低、阻力較大。或許可以嘗試再進一步，提供更加完善的自動化解決方案，比如提供更多的批量處理工具、文字自動避讓等，使出圖過程更加便捷、智能，省去設計人員大量重復的繪圖、整理及排版時間。

三維正向設計是一個系統的大型工程，僅靠個別軟件或是設計院推動顯然是不可能的，需要相關從業人員共同努力不斷探索研究實現。