BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用分析

劉波

摘 要：為探究現階段建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術在我國地鐵車站結構設計中的應用，運用協同設計與中心文件設計構建地鐵車站結構模型。以Revit和Midas Gen 2019設計出結構模型的受力計算模型，通過BIM模型設計對BIM技術應用效益進行分析。研究證明，以BIM技術為基礎進行地鐵車站結構設計具有科學依據且可行，研究結果可為相關工程提供幫助。

關鍵詞：建筑信息模型（BIM）;地鐵車站;受力計算模型;結構設計

中圖分類號：TU93 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0090-04

Application Analysis of BIM Technology in Structural Design of Subway Station

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113122）

Abstract： In order to explore the application of BIM technology in the structural design of subway stations in China at the present stage， the structural model of subway stations is constructed by using collaborative design and central document design， the stress calculation model of the structural model is designed by Revit and Midas Gen 2019， and the application benefits of BIM technology are analyzed through BIM model design. The research shows that the structural design of subway station based on BIM technology is scientific and feasible， and the research results can provide help for relevant projects.

Keywords： Building Information Modeling（BIM）;subway station;the stress calculation model;structural design

本文將以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）平臺為基礎，對某地鐵車站工程進行BIM模型協同設計。協同設計與仿真模擬方式大致相同，均需要利用軟件對工程設計參數進行可行性模擬，然后利用計算軟件和BIM技術實現對地鐵站臺結構模型的全方位協同設計。從構建結構模型的過程中可以看出，BIM技術能夠將整個設計方向與力學結構在虛擬模型中進行展示。技術人員通過BIM技術可以有效縮短常規地鐵車站結構設計的時長，提升分組設計的工作效率，避免手動設計易出現的漏洞。

1 BIM技術優勢

BIM技術因具有模擬性、優化性以及出圖性等基本特點，被廣泛應用于各類建筑設計領域，承擔建筑結構設計、結構可行性模擬、結構受力計算以及設計信息綜合等任務。

1.1 BIM技術的模擬性

將BIM技術應用到建筑結構設計中，可進行日照模擬、節能模擬以及緊急疏散模擬等設計，達到減少污染、節約資源以及確保工程建設安全的目的。BIM技術可進行4D施工模擬，以判斷施工方案、工程建設以及施工進度等是否合理。另外，BIM技術還能夠以3D模型為基礎進行造價控制，方便財務人員快速計算出臨時設計變更造成的工程成本，并快速生成變更后的工程預算，從而及時有效地控制工程成本。

1.2 BIM技術的優化性

BIM技術能夠優化項目方案，將投資回報與項目設計結合，實時計算出當建筑設計或某些不可抗拒因素影響施工計劃設計后對投資回報帶來的影響，從而通過對比不同方案為招標者提供最優方案。此外，利用BIM技術可以對特大建筑項目的設計與施工進行優化，顯著縮短工期和實現造價改進。

1.3 BIM技術的出圖性

BIM技術可設計出三維可視化的虛擬建筑模型，經軟件協調、模擬和優化后，能夠幫助設計方生成施工圖、綜合管線圖、結構留洞圖、碰撞檢查、偵錯報告以及改進方案等，同時可利用計算插件實現結構圖的參數標注、結構劃分以及圖層分解等功能。BIM技術在建筑領域的應用是解決傳統設計與大型地下結構的重要方法，也是結構設計的必然選擇。

2 以BIM技術為基礎的地鐵車站結構設計

應用BIM技術對建筑結構進行設計的核心價值在于，BIM技術能夠在整個建筑結構設計中實現設計信息的全面共享，保證建筑結構設計、建造以及管理等方面的規范性[1]。Midas Gen 2019（下文簡稱Midas）與Revit是BIM技術構建的核心建模與計算軟件，在分析BIM技術在地鐵車站結構設計的應用中，需要結合該軟件的計算數據佐證BIM技術應用分析的科學性。以鏈接模式協同設計與中心文件實時設計模式構建地鐵車站結構設計模型[2-3]，運用Midas與Revit對模型受力結構進行驗證。

2.1 鏈接模式協同設計

以某地鐵車站結構設計參數為例，在BIM軟件中進行地鐵車站結構模型的鏈接式協同設計，將結構參數輸入BIM軟件中，可得地鐵車站的三維結構樣板模型，如圖1所示。

將上述地鐵車站樣板模型交由相關人員制作同比例縮小的實體模型、平面剖切模型和側面剖切模型。該模型的結構設計主要分為3大類，分別為建筑結構主體的承重結構設計，建筑墻體、地板和采光等設計，照明、通風、消防以及美化裝飾等設計。在鏈接模式的協同設計中，需要將上述3類設計方向分別分配給不同的專業人員，每個設計均需要單獨出設計圖紙，并以BIM軟件為協同中心鏈入各自的設計圖紙，實現地鐵車站結構的階段性設計。在鏈接模式協同設計中可以將管線單獨設計為一個模型，將實體模型中無法制作的隱藏結構以虛擬三維模型的方式展現，以便其他專業設計人員進行參考設計。搭建完成的地鐵車站實體模型與剖切模型分別如圖2和圖3所示。

2.2 中心文件協同設計模式

2.2.1 中心文件協同設計。中心文件協同設計需要將互聯網作為整個設計的媒介統一結構設計參數，以規范多專業設計團隊的設計標準。在該設計模式下，設計團隊可打破地域和時間的限制，隨時在BIM軟件中獲取最新的結構設計模型。同理，設計小組可以將設計隨手保存在BIM軟件中，避免圖紙式設計的麻煩[4]。在整個設計過程中，中心文件協同設計模式可將整個設計工作進行拆分，由團隊組長對分解設計任務進行分工。團隊小組成員接收并明確所承擔的任務后，即可視為整個設計工作的開始。每個設計小組可以將設計完成的結構模型上傳至中心文件，不斷豐富地鐵車站的結構模型。當所有設計完成后，由團隊統一對其進行優化，從而解決一些設計沖突或者設計不合理等問題[5]。

2.2.2 地鐵車站結構建模。以上述設計流程為基礎，利用BIM軟件對地鐵車站結構進行建模。先由小組分工設計的方式構建地鐵車站站臺模型的本地文件，再由結構師啟動本地文件將中心模型上傳至本地文件。此時，團隊中所有設計人員均可以在BIM軟件中找到該文件并保存使用。地鐵車站站臺的設計結構如圖4所示。

結構師需要以建筑師構建的模型為基礎進行結構模型的構建。以建筑站臺模型為例，結構模型站臺的建模設計主要分為兩個方面。一方面，需要結構師將建筑站臺的底板、中板和外墻等設計轉移到本地文件，按結構尺寸設計或優化部分結構模型。另一方面，需要結構師對建筑師設計建筑模型中不存在的結構如梁、柱和矮墻等部分進行完善。該部分結構設計完成后，由結構師保存到本地文件并上傳至BIM軟件內的中心文件。地鐵車站結構模型如圖5所示。

完成該部分的結構設計后，由建筑師同步BIM軟件上的中心文件，在地鐵車站站臺模型的基礎上對站廳層進行設計，并時刻更新由結構師在BIM軟件上發送的設計構件更新申請。當建筑師完成站廳層的建筑設計后，需將設計保存在本地文件并上傳至BIM軟件的中心文件。此時，結構師可以通過更新中心文件的方式獲取站廳層設計模型，利用BIM軟件對兩層結構設計進行優化，得到一個完整的地鐵車站建筑模型，如圖6所示。在圖6模型的外側加裝圍護機構，可得到此時地鐵車站的三維BIM模型，如圖7所示。

3 利用BIM技術對地鐵車站結構模型進行計算

為簡化地鐵車站結構設計的模型受力結構，降低模型量計算難度，本文將以圖6模型中一處結構的縱切段為基礎，運用BIM技術生成該建筑的二維結構模型和三維結構模型，利用Midas和Revit對模型進行結構與受力的檢驗分析[6]。

3.1 二維結構計算模型

在分析二維橫斷面模型時，需要將承重柱的受力情況進行等效轉化，將其視為承重墻或二維結構中的中墻進行結構計算。運用Revit軟件對承重柱和承重梁進行運算時，需要將柱、梁簡化成柱單元進行結構計算[7]，承重墻和地板等主體結構簡化為板單元進行計算。根據該二維截斷模型的計算單元類型，可在BIM軟件中使用柱構建維護結構、柱和主體墻，用梁構建模型的頂板、中板和底板。以圖6地鐵車站中間橫斷面為標準，向縱向延伸1 m作為結構分析的框架模型。在二維結構計算模型中，如何計算中柱問題是整個計算中的難點。若直接選取中柱剛度等效轉化數據進行設計，會發現設計的中柱完全不符合實際情況。為此，需要利用Revit軟件在二維結構模型中柱的同一位置構建兩種不同大小的結構柱。其中：柱子A的尺寸應當與原結構柱的實際尺寸相等，并以原數據進行相應的縱斷面受力計算;柱子B的尺寸應當為剛度等效轉化后中墻延伸米數的尺寸，并選取橫斷面數據進行計算[8]。針對只計算橫斷面參數的柱子而言，同樣需要采取在結構柱中添加中柱的方法獲取二維模型的參數信息，然后將中柱的數據模型導入Midas，利用BIM軟件在三維結構模型的基礎上生成二維結構截斷模型，如圖8（a）所示。隱藏圖8（a）中其他結構后，可得到二維框架計算與分析模型，如圖8（b）所示。

3.2 三維結構計算模型

利用鏈接模式協同設計的地鐵車站BIM結構模型不會涉及權限問題，因此可以在三維結構設計中直接將地鐵車站BIM模型進行不同程度的拆分，并分給小組成員進行部分結構的計算。為方便計算，本文將直接截取車站的盾構擴大段作為三維結構計算模型。簡化后的三維模型可以在BIM軟件中直接生成計算模型的結構模型，如圖9所示。利用BIM技術將該部分結構分析的3D視圖樣板復制到3D視圖中，可得到擴大的三維計算BIM結構模型，如圖10所示。

由于三維模型計算方法過于復雜，因此需要在BIM軟件中添加幾何模型、材質標定、邊界條件規劃、荷載工況計算以及荷載值計算等插件，以精準計算出車站結構設計的各項指標數據。因為Revit軟件的綜合能力較弱且集成化能力較低，所以三維模型結構計算中只將輔助幾何模型、材質標定、荷載工況以及荷載組合等數據參數輸入Revit軟件進行計算，將邊界條件與荷載計算輸入到Midas中進行計算[9]。BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用可以有效縮短設計人員設計車站結構所需的時間，簡化結構模型的構建與計算流程。例如，在上述三維模型的設計計算與數值標定工作中，只需將盾構擴大段的BIM計算模型上傳至Midas中即可實現自動計算和數值標定等，同時Midas會增加數據模型設定結構設計單元，方便各項數據的定義與自主調整。經BIM技術計算的三維地鐵車站結構模型。

4 結語

BIM技術因具有高度兼容性和出色的計算能力被廣泛應用于建筑設計領域。在利用協同設計方法設計地鐵車站結構模型的過程中，幾乎所有操作都需要圍繞BIM軟件來開展，即以BIM軟件為主要平臺進行地鐵車站結構設計的信息交流。BIM技術還可以及時發現設計過程中存在的漏洞與缺陷。BIM軟件中擁有設計報錯的功能，如果輸入參數或設計結構出現較大的問題就會顯示信息錯誤，從而提醒設計人員該部分設計存在問題，有效避免現階段建筑結構設計出現一步錯步步錯的嚴重問題。

參考文獻：

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[9]喻敏，蘭志光.基于BIM與Pathfinder的地鐵車站客流疏散相關研究[J].隧道建設，2020（1）：187-194.

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