南通軌道交通換乘樞紐青年路站BIM技術應用

汪其超，王 濤,2，劉 捷，趙 俊

(1. 華設設計集團股份有限公司，南京 210014；2. 南京大學地球科學與工程學院，南京 210046)

隨著大城市的快速發展，城市地上空間已經不能滿足城市發展的現實需求，因此需要對地下空間進行開發利用[1-5]。軌道交通作為城市交通的“骨骼”，能充分利用有限的城市空間，也能承載主要的出行客流。據中國城市軌道交通協會數據，截至2018年末，我國內地已有35個城市開通了城市軌道交通線路185條并投入運營，運營線路長度達到5761.4 km，年度新增運營線路長度達728.7 km。

軌道交通的蓬勃發展，也為本行業的設計師們帶來了諸多挑戰。例如車站施工周期長、設計周期極短；地下管線眾多，改遷困難；沿線交通量大，交通導改工作困難；周邊建筑物密集，車站總平面布置受限；設計、施工配合過程不流暢；等等。如何保證高效設計、降低質量風險、控制成本投資，并配合政府部門推動城市交通建設，成為目前軌道交通工程設計階段最重要的探索方向。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術[6]，是以各專業三維模型為載體的信息集成數據庫，能夠提供一個可供各參與方協同設計、使用的平臺。將BIM技術應用于軌道交通工程設計中，可以加強各專業間設計協同，提高設計效率和設計質量，優化管線改遷和交通導改的設計方案等。目前國內絕大部分新建軌道交通工程提出了不同程度的BIM技術應用要求，部分城市在設計總體的基礎上，專門設立了BIM設計總體。

本文將介紹在軌道交通傳統設計手段不足的前提下，如何應用BIM技術，保質、高效地完成了南通軌道交通1、2號線同期實施換乘站青年路站的深化設計，解決了困擾設計師們的諸多關鍵技術難題，為BIM技術在軌道交通工程領域的進一步應用研究提供了支撐。

1 BIM技術的優勢及發展

1.1 BIM技術介紹

BIM技術是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，建立建筑信息模型，通過承載建筑信息的模型，將設計、施工、運維等全過程各階段關聯起來的技術。

BIM技術的優勢[7]主要有以下幾點：

(1) 可視化。BIM技術優化了設計思路和設計方法，尤其是面對規模龐大、造型復雜、形狀各異的建筑物，真正做到“所見即所得”，提高了設計質量和設計效率。

(2) 協同性。一方面，各專業可以在同一個建筑信息模型中添加、修改和存儲不同的模型，并保持實時更新和統一性；另一方面，BIM技術可用于碰撞檢查、動態模擬，預見施工階段的管線碰撞、模型沖突，提前在設計階段解決問題，實現設計、施工、運維和管理各階段全過程協同工作。

(3) 模擬性。BIM模型可以進行客流模擬分析、節能模擬、日照模擬等可持續設計，確保工程建設安全，節約能源，減少污染；可進行施工模擬，確定合理的施工方案、施工進度及工程材料供應時間表，進行數字化、精細化的工程建設。

(4) 優化性。BIM技術可以把項目設計和投資回報結合起來，實時計算設計變化對投資回報的影響，通過方案比選，為決策者提供最優方案；通過對項目的設計和施工進行優化，可以顯著縮短工期、減少造價。

(5) 出圖性。BIM技術可以基于三維模型生成各個平面、剖面的綜合管線圖、結構圖、建筑圖、開洞圖、碰撞分析報告等，幫助施工單位精準出圖施工。

1.2 BIM技術發展現狀

1) BIM技術國外發展現狀

BIM技術從美國發展起來，而后逐漸被歐洲、日本等發達國家和地區運用。當前以美國對BIM技術的應用最為廣泛和深入[8]。2003年，美國總務管理局(GSA)推出了國家3D-4D-BIM計劃，提升建筑行業信息化水平、提高生產效率；2007年起，GSA陸續發布系列BIM指南，用于規范和引導BIM技術在實際項目的應用；截至2013年8月，美國1/3的企業對于BIM技術的使用率已達到60%以上，而由美國政府負責建設的項目中，BIM技術使用率已達到100%。英國建設行業網發表的調查報告顯示：截至2014年1月, 在英國的建筑、工程和施工行業企業中,BIM技術的使用率已達到57%，增幅顯著；北歐的挪威、芬蘭和德國等國，BIM技術在工程項目中的實際應用達到了60%～70%；2010年3月，日本的國土交通省宣布，將在其管轄的建筑項目中推進BIM技術應用，根據今后設計業務來具體推行BIM技術應用。

目前在國際上，BIM技術應用已經成為設計、施工企業承接各類項目的敲門磚，是建筑類企業必要的核心競爭力。

2) BIM技術國內發展現狀

香港是我國最早將BIM技術應用到城市軌道交通項目的地區。早在2015年，香港地鐵的82座車站中就有20多座車站已經實現模型化，并形成基于BIM模型的各運營管理系統支撐的信息網絡，實現了客流、采光、能耗、煙霧和可視化碰撞檢測等應用，產生了良好的社會效果[9]。

近幾年，BIM技術在內地城市軌道交通行業的應用處于蓬勃發展的態勢，短短幾年間，北京、上海、廣州、蘇州、南通等城市的軌道交通項目均不同程度地應用了BIM技術。無錫地鐵1號線落霞路站基于車站土建BIM模型，深化設計各專業管線，通過碰撞分析對管綜進行優化；南京市地鐵項目采用傳統設計與BIM設計相結合，將傳統二維管綜圖紙和三維管綜模型進行協調，通過碰撞檢查減少了設計變更，控制了工期，降低了工程造價；深圳市地鐵人民南路站引入BIM技術，進行土建與機電專業建模、各專業模型碰撞優化，提高了設計效率和施工資源使用效率，降低了工程造價。

總體來看，國內城市軌道交通行業的BIM技術研究和應用仍處于起步階段，雖然在地上建筑應用研究中取得了較多的成就，但在地下建筑物的應用上目前局限于模型創建、碰撞檢查等方面，應用范圍及深度尤為不足，與國際水平存在較大差距。

2 BIM技術在青年路站的應用

2.1 工程概況

南通地鐵1號線工程貫穿南通市東西向中軸線最重要的客流走廊。在建設過程中，通過引入BIM技術，提高工程信息化水平，提升南通軌道交通1號線工程的設計和施工質量，為后期地鐵的智能運營與維護創造良好開端。青年路站地理位置如圖1所示。

圖1 青年路站地理位置

青年路站是南通軌道交通1、2號線同期實施換乘車站。車站主體包含1號線車站(地下二層島式車站)、2號線車站(地下三層島式車站)及附屬地下空間三個部分，總建筑面積約50 000 m2，其中2號線車站為國內少有的全曲線車站。青年路站是全線規模最大、難度最高、周邊環境最復雜的重點車站，主要設計難點如下：

(1) 兩線換乘車站同期設計施工，專業多、接口復雜，設計周期僅5個月。

(2) 車站位于老城核心區，外部條件錯綜復雜，管線眾多，改遷困難；車站位于兩條城市主干道交叉口，交通量大，導改困難；周邊建筑物密集，距離近，車站總平布置受限。

(3) 作為1、2號線換乘站，社會關注度高，施工質量和進度要求高。

2.2 青年路站BIM技術應用流程

青年路站BIM技術應用流程主要包含收集數據、三維協同BIM模型設計、碰撞檢測、工程量統計復核、生成BIM專冊施工圖紙和BIM技術交底。本次青年路站BIM技術深化設計采用Revit軟件進行基礎建模，使用Navisworks、Fuzor等軟件或插件開展輔助設計工作，工作內容主要由BIM設計小組完成，小組成員涵蓋了建筑、結構、機電各專業。軌道交通工程設計BIM技術應用流程如圖2所示。

2.2.1 收集數據

在創建BIM模型之前，收集方案設計報告、車站總平面圖、各專業圖紙和項目電子版地形圖(含周邊場地、建筑、道路等信息)。設計人員首先應熟悉收集的資料，校核平面坐標、標高、軸網等數據的準確性，避免基礎信息設置的錯誤影響后期建模整體工作。

圖2 軌道交通工程設計BIM技術應用流程

2.2.2 三維協同BIM模型設計

受制于周邊密集的建、構筑物分布，青年路站建設空間十分有限，同時，數十類專業須在狹小的空間進行布置且不發生碰撞，這對各專業空間利用效率提出了很高的技術要求。

三維協同設計[10]是BIM技術的核心理念，它在地鐵車站設計中的應用是一種開拓性的突破。在Revit軟件中，基本的協同方式有鏈接和工作集[11]兩種模式。兩種協同方法的比較如表1所示。

本項目基于Revit軟件平臺，以工作集模式為主、鏈接模式為輔進行協同設計。以工作集模式為例，首先創建具有統一坐標、標高屬性的中心文件，保存至局域網共享文件夾中；然后建筑、結構、機電等各專業保存中心文件至本機，創建各自專業的BIM模型；最后各專業將BIM模型同步至中心文件。這種工作模式打破了各專業設計時間上的序列，設計沖突在設計階段就得以解決，大大減少了施工階段變更量。

2.2.3 碰撞檢測

青年路站設計工作包含30多個專業，各專業設計量大，專業內部及專業之間存在大量二維圖紙中不易發現的碰撞。例如，在二維圖紙中，管線在轉角、交叉、梁下等空間局促部位的碰撞無法直觀反映出來，會影響設計優化的進度，加大后期設計變更的風險。

BIM設計小組完成建筑、結構、設備等專業BIM模型整合，進行碰撞檢測并生成碰撞分析報告，對報告中存在的400多處“差、錯、漏、碰”等問題，逐條提出優化設計方案，修改BIM模型直至無碰撞。碰撞問題主要分為兩大類：風管、水管、橋架之間的碰撞；建筑、結構與設備管線的碰撞。例如，如圖3所示，站廳層公共區通信、動照、FAS/BAS橋架與風管發生碰撞，根據管綜設計要求，利用Revit軟件將橋架上翻布置，從而避免了后期施工中的碰撞，將問題解決在設計階段。優化設計后的模型如圖4所示。

圖3 橋架與風管發生碰撞

圖4 優化設計后的模型

2.2.4 工程量統計復核

各專業創建BIM模型前，應確保BIM基本構件的幾何數據與非幾何數據與技術要求一致，便于校核工程量[12]；同時，為避免工程量統計出現較大誤差，創建模型前應確保構件扣減關系正確，青年路站構件扣減原則為“柱扣減梁、梁扣減板、板被梁、柱扣減”。

按照區域、族類型、構件尺寸等分組排序條件，對青年路站各類模型構件進行分類統計，并生成工程量清單，將各類構件BIM工程量與投資建立計算的土建招標工程量對比得到差值，按差值范圍分為以下三類：一類問題(3%～5%)共38項；二類問題(5%～10%)共11項；三類問題(10%以上)共31項。通過分析差值大小可以對土建招標工程量進行校核，并最終確定土建招標工程量，從而有效提高土建算量的準確性。

2.2.5 生成BIM專冊施工圖紙

青年路站BIM施工圖模型通過校核后，生成了BIM專冊藍圖，以供施工單位參考。Revit軟件在設計出圖的過程中，在以下幾個方面，國內尚無統一標準：①注釋、標記設置；②尺寸標注參數設置；③標題欄的設置；④線型、線寬和顏色的設置；⑤過濾器的應用。

基于華設設計集團股份有限公司編制的《軌道交通工程設計階段BIM模型應用標準》和《軌道工程CAD制圖標準》，對圖紙的編碼分類、專業顏色、線型線寬、圖框和標題欄等信息統一要求，使生成的BIM專冊圖既滿足BIM工作技術要求，又符合院內制圖標準。

2.2.6 BIM技術交底

依據三維模型和BIM專冊施工圖，確定最終的施工方案，設計人員對施工單位進行三維可視化施工交底。施工單位應做好施工階段的BIM技術工作，組織專人負責施工模型的深化、拆分、更新與現場數據錄入等工作，并將變更后的模型上傳至可視化建設管理平臺，供設計方校核。

3 BIM應用關鍵技術研究

3.1 無人機傾斜攝影技術[13]對BIM模型的校核

車站周邊居住和商業建筑密集，貼近道路紅線，車站的出入口、風亭等布置受限，且存在二維地形圖中沒有的新建建筑。采用無人機對沿線地表進行高精度傾斜攝影，可以建立可靠、準確的三維地表環境模型, 對穩定車站總平面布置起到至關重要的作用；傾斜攝影模型與BIM車站模型出入口進行校核，可驗證BIM模型的準確度。整合后的傾斜攝影地表模型和車站BIM模型如圖5所示。

圖5 整合后的傾斜攝影地表模型和車站BIM模型

3.2 管線改遷模擬

車站位于老城區主干道交叉口，施工過程中需要對地下分布的12類、近百根市政管線分6期改遷，難度非常大，很難精確掌握每個階段管線的類型、埋深等信息。

對既有和改遷的市政管線進行仿真BIM建模，可以精準地呈現管線類型、截面尺寸、地下分布、窖井的位置及尺寸，以動態方式展現管線改遷重難點，也可以模擬管線各階段改遷內容，及時發現方案的不足并優化。各類管線BIM模型如圖6所示。

圖6 各類管線BIM模型

3.3 交通組織模擬

基于本站周邊地表環境模型和交通組織方案資料，創建各期施工圍擋、道路指引牌、臨時設施等模型，模擬各施工階段的地面交通組織方式，基于BIM模型進行交通仿真分析，確定方案對交通的影響程度。

各階段交通導改BIM應用方案如下：

(1) 階段一：施工臨時路面板，工農路向東西兩側翻交，維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力。

(2) 階段二：施工車站主體結構及東側出入口部分內部結構，工農路向西側翻交，維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力。

(3) 階段三：施工車站西側附屬結構，工農路維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力，東西向恢復原通行能力。

(4) 階段四：施工車站東側剩余附屬結構，工農路維持雙向6車道+2條非機動車道通行能力, 東西向保持雙向2車道。

3.4 勘察地質模型

基于地勘單位提供的地質勘察、地下管線物探和地下障礙物調查資料等，創建本站范圍內場地地質模型、地下管線模型、地下障礙物模型。同時，根據工程應用需要，選擇場地內的重要地表建筑物，對傾斜實景模型進行單體化，并與地質模型、地下管線、地下障礙物等模型進行仿真整合分析，從而快速獲取周邊建設環境現狀信息，為項目各階段的模型應用提供基礎數據支持。

3.5 可視化管理平臺應用

可視化管理平臺能實現模型構件屬性查詢與修改、模型實時更新管理等操作功能，其特點在于設計、施工、監理單位共同協作，提升了施工效率和質量。平臺工作流程如下：

(1) 錄入實際進度，進行施工模擬及進度預警。

(2) 施工單位就實際工況提出變更需求，設計單位上傳變更模型。

(3) 監理單位就不合格問題發送整改單，施工單位執行整改，上傳整改結果。

(4) 監理單位驗收分項工程成果，就質量問題要求施工單位進行整改。

可視化管理平臺的應用，可以及時糾正施工中的錯誤，便于施工過程的管理和監督，大大提高了施工效率。

4 結語

隨著數字化、信息化技術的不斷發展，軌道交通工程設計從二維向三維發展成為一種必然的趨勢[14]。本文結合南通地鐵換乘站青年路站的應用案例，梳理了軌道交通工程設計階段BIM技術應用流程和工作內容，提出了BIM關鍵技術應用情況，得出以下經驗結論：

(1) 建立涵蓋建筑、結構、機電等多專業設計人員的BIM設計小組，明確軌道交通工程設計BIM技術應用的流程，可以使BIM深化設計工作順利開展。

(2) BIM技術使各專業可以協同設計，提高了設計效率；在南通地鐵換乘站青年路站的應用案例中，經過碰撞檢查分析，解決了400多處 “差、錯、漏、碰”問題，優化了設計方案，避免了后期返工。

(3) BIM技術與傾斜攝影技術、管線改遷和交通組織模擬、勘察地質仿真的結合，可以最大限度地發揮BIM技術的優勢，同時解決實際設計中存在的問題。

此次南通軌道交通換乘站青年路站BIM技術的應用，體現了BIM技術可視化、協同性、信息可提取性等特點的優越性，BIM技術未來在軌道交通領域定將有更加廣闊的的發展前景。