豐臺綜合交通樞紐BIM正向輔助設計應用

朱純瑤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

豐臺綜合交通樞紐（簡稱豐臺樞紐）是我國高鐵建設的一項創新性工程，是國內首創雙層車場高速普速重疊立體化綜合交通樞紐，在車場布局、建筑功能流線組織、空間設計、結構體系設計、機電系統設計等方面都具有開創性。項目位于北京豐臺區，市政接駁設施交錯復雜，多項樞紐配套工程同步設計及施工，對結構體系設計、機電系統組織設計等帶來了極大挑戰。利用BIM信息化技術進行設計、建造與管理是提高新時代樞紐建設水準的重要手段。項目設計中傳承以往項目的BIM應用經驗，采用了伴隨式正向輔助設計模式，充分發揮BIM技術優勢，在協同環境下高效解決了多項設計重難點問題，并為施工和運維階段提供準確的基礎模型，探索了大型綜合交通樞紐在設計階段BIM應用的可行方法［1-2］。

1 工程概況

豐臺樞紐位于北京市西南三環與四環之間，建筑面積39.88萬m2，為了集約化利用土地，采用高普重疊雙層車場的布局形式。建成后將承接京廣、京港臺、京滬高鐵，京九、京原、豐沙鐵路及市郊鐵路客運作業。在樞紐內設計地鐵、公交、出租、社會車輛等市政交通的接駁換乘，實現鐵路客流與市政交通的互通及疏解。

豐臺樞紐地上4層，地下3層，局部設有夾層。其中，普速車場位于地面層，高速車場位于23 m標高層，地下二、三層分別為地鐵10號和16號線（見圖1）［3-4］。

圖1 豐臺樞紐剖透視圖

2 工程難點及BIM應用必要性

雙層車場的布局方式使豐臺樞紐在15萬m2的占地面積內具有了17臺32線的高速普速結合運輸規模，但這種獨特的布局方式極大增加了設計難度，主要表現在以下方面：

（1）雙層車場建筑空間緊湊、功能布局及流線組織錯綜復雜，對各專業設計人員的空間理解力要求高，在二維環境下，設計人員很難全面理解建筑的空間及功能關系。采用BIM技術，可以在三維環境下實現多專業可視化協同設計，有效實現對建筑功能整體協調及重點部位空間效果的全面把控。

（2）接駁條件復雜，接口配合困難。豐臺樞紐工程與行包設施、既有地鐵、新建地鐵、市政道路等銜接，接駁條件復雜且限制因素多，在站房設計中需全盤考慮并預留好接口條件。采用BIM技術，可以在三維空間下，全面展示周邊設施與站房的空間關系及接駁條件，校核接口配合設計的準確性，有效減少多單位配合過程中出現的問題。

（3）雙層列車動載疊加，導致結構構件尺寸超大，且結構體系轉換復雜，超限設計難度大。且對建筑空間效果及機電系統設計有很大制約性，重點部位需通過深度專業配合進行局部優化。采用BIM技術可實現結構設計與各專業系統設計全面結合，對重難點部位結構布置方案和構件尺寸優化提供指導，并進行準確的預留預埋配合。

（4）中間層候車、上下層進站的空間組織模式下，機電系統設計方案與常規車站有很大區別。在候車大廳空調系統、排煙系統、高速車場上下水系統、屋面排水等設計方面都有很大難度，且樞紐還引入光導管、氣力垃圾等新型設備系統。采用BIM技術進行三維綜合管線設計，可以實現機電管線的最優組織，優化復雜空間機電系統方案設計。

3 BIM正向輔助設計技術路線

在以往的大型樞紐項目中，BIM設計通常滯后于二維設計，BIM應用以綜合管線設計、渲染展示、施工模擬等設計深化應用為主，在設計過程中介入的深度有限，很難充分發揮BIM的價值。項目基于對BIM技術在設計階段應用成熟度和效率的客觀分析，確定了BIM應用的目標和應用方法［5］。

3.1 應用目標

在施工圖階段，充分發揮BIM技術在多專業協同設計和可視化設計方面的優勢，進行BIM正向輔助設計，高效解決二維設計環境下難以全方位協調的重難點問題。BIM正向輔助設計主要應用目標見圖2。

圖2 BIM正向輔助設計主要應用目標

3.2 應用組織方式

項目在施工圖設計階段進行全專業BIM伴隨式正向輔助設計，由項目總體統籌進行BIM應用整體策劃、規范應用組織［6-7］。

（1）BIM應用由BIM負責人統一協調組織，由各專業負責人對BIM設計成果的準確性負責。

（2）BIM設計模型由各專業設計人員與BIM建模人員配合完成，利用BIM模型進行多專業協同配合、三維綜合管線設計等工作。

（3）復雜部位、隱蔽空間設計中BIM先行，在三維環境下確定技術方案，在二維環境下進行設計深化出圖。

（4）利用BIM模型進行各專業設計校核，對發現問題進行整理反饋，由專業負責人確定調整方案并進行設計調整，形成整改閉環記錄。

3.3 應用標準保障

項目依據《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》《鐵路工程信息模型數據存儲標準》《建筑工程信息模型交付精度標準》及《建筑信息模型應用統一標準》，結合項目需求、特點，制定項目級BIM實施標準，建立了豐臺樞紐《BIM技術應用統一標準》。標準中對豐臺樞紐BIM的應用目標、工作組組織模式、工作范圍、文件命名規則、模型深度等級進行了明確的規定［4］。同時建立了各類文件樣板用于規范建模、設計配合及綜合管線出圖。

4 正向輔助設計典型成果

4.1 全專業BIM信息模型建立

項目BIM正向輔助設計由各專業BIM工程師與設計師共同完成。BIM工程師依據二維初步設計批復成果建立全專業基礎模型，并以此為基礎進行施工圖階段的設計校核及協同配合。隨著施工圖設計的不斷深入，設計人員全程參與模型校核及圖紙調整，實現BIM設計與二維設計同步更新。豐臺樞紐及周邊設施土建整體模型見圖3，豐臺樞紐機電系統整體模型見圖4。

圖3 豐臺樞紐及周邊設施土建整體模型

圖4 豐臺樞紐機電系統整體模型

4.2 站房配套工程接口設計及校核

豐臺樞紐建設包含多項工程，樞紐站房作為主體工程與鐵路行包庫、新建地鐵16號線、市政高架橋、下穿道路框涵等多項工程同步設計，涉及多處共建工程及交叉部位。設計過程中聯合多家設計單位利用BIM模型進行相關工程的配合設計，進行不同工程之間的設計界面、標高設計校核。

新建16號線在地下三層東西向橫穿站房下方，地鐵與國鐵重疊面積21 232 m2，與站房同期建設且共柱，通過多輪BIM設計方案比選，確定站房與地鐵共建鋼管柱及混凝土柱90根。

站房行包通道與普速站臺、市政出租車道及既有地鐵10號線形成上跨下穿關系（見圖5）。與結構基礎形成復雜的交叉關系，通過BIM模型校核，準確確定了行包坡道定位及交叉部位的結構基礎標高（見圖6）。

圖5 站房工程及配套工程布局

圖6 結構基礎與行包通道配合設計模型

4.3 公共空間及復雜部位協同設計

項目中BIM正向輔助設計對于重難點空間協同設計及空間優化的效果非常顯著，利用BIM模型全面真實地表達建筑空間、結構構件與機電系統之間的空間關系，進行設計方案的比選、推敲，形成最優化的綜合協調方案，有效提高了設計的質量和效率。

4.3.1 候車大廳的吊頂方案

候車大廳位于高速普速車場中間，受到高速車場線路爬升坡度限制，高速車場站臺標高為23.00 m，高速站臺及軌道層占空5.80 m，候車大廳梁下凈高僅7.20 m，層高過低。為了減少大空間的壓抑感，對吊頂進行了18處局部抬高并利用光導管引入自然光（見圖7）。為了實現吊頂層次，對機電管線的路由組織及精細配合要求極高，通過BIM模型進行協同配合，通過多方案比選，優化管線排布，合理確定吊頂造型定位，達到最優空間效果。并根據BIM設計成果完成精裝修施工圖紙設計（見圖8）。

圖7 候車大廳吊頂方案最終效果

4.3.2 地面進站廳幕墻方案

地面進站廳迎面長138 m，為玻璃與陶板組合式幕墻，利用陶板幕墻后部空間作為設備管廊，幕墻后部的綜合管線和結構桁架設計是制約幕墻整體效果的雙重因素。在BIM正向設計的應用下，幕墻實體部分高度由6.5 m優化至5.0 m，有效提升了空間的整體效果（見圖9）。利用BIM模型成果完成了機電及結構桁架設計圖紙（見圖10）。

4.4 隱蔽空間正向設計

BIM正向輔助設計對于傳統二維圖紙很難全面表達的隱蔽空間、復雜部位的配合設計也發揮了舉足輕重的作用。項目地下排水涵路徑選擇、氣力垃圾系統路徑設計、中空站臺等隱蔽空間的設計都是直接在BIM模型中進行設計工作，實現隱蔽空間、復雜問題多專業三維協同設計，并依據BIM設計成果進行二維圖紙深化設計。

4.4.1 中空站臺全專業設計

為集約化利用空間，豐臺樞紐創新性地采用中空站臺設計，在站臺空間內同時容納客車上下水、人防、消防、排煙、通風、氣力垃圾系統、電纜布設等多種復雜系統，并設置檢修、員工休息室等功能性空間。且站臺上有大量需要避讓的電扶梯設備、人防風口等垂直設施，結構形式復雜，在二維設計環境下很難完成，項目利用BIM模型進行正向設計（見圖11），并據此生成二維圖紙，其中最復雜的站臺包含12個不同斷面（見圖12）。

圖11 中空站臺BIM設計模型

圖12 基于模型生成的4號站臺施工圖紙

4.4.2 地下排水涵方案

豐臺樞紐屋面雨水通過軌道層線間排水溝收集并匯入市政排水系統，由于站房位于城市建成區，市政排水接駁出口及高程受限，只能穿越復雜的地下結構基礎和行包通道引至站房南北兩側，排水管道為重力排水，對坡度限制嚴格，在如此復雜的地下設施中確定排水路由在二維圖紙中很難實現，項目在三維環境下進行排水涵路由規劃及方案比選（見圖13），最終確定排水方案。

圖13 地下排水涵方案比選模型

4.5 機電系統規劃及三維綜合管線設計

豐臺樞紐共有機電系統20余項，每項系統均實現了對主要空間的全覆蓋，由于建筑功能及空間錯綜復雜，機電系統的整體方案設計與常規車站有很大區別，受空間條件限制，苛刻的凈高要求對細部綜合管線配合的精度要求也非常高。因此，在設計過程中，為滿足不同階段的設計配合需求，在機電設計上進行了多層次BIM應用［8-9］。

4.5.1 機電系統規劃

豐臺樞紐除多樣化的旅客運輸及換乘空間外還包含配套辦公、大型設備機房、市政配套商業辦公等多種功能。為實現不同功能的分流及聯通，并滿足公共空間和大型設備運輸空間等不同要求，在BIM模型中進行機電系統方案規劃。利用站臺軌道層和高架候車廳下吊管廊作為設備通道，確定了大型機房定位及主要跨區、跨層管線路由，并通過軟件進行凈空分析，確定系統方案的可行性。

4.5.2 綜合管線設計及出圖

豐臺樞紐機電管線復雜且尺寸較一般工程大，管線截面積是一般工程的2～3倍，為了滿足空間凈高及設備運輸需求，在設計過程中，針對車道、機房出入口、設備運輸通道、公共空間等管線密集、凈空要求嚴格的重點區域進行深度配合、精細推敲，通過三維視圖剖切、管線綜合標注等方式直觀展示管線層高是否滿足要求，實現空間利用最優化。地下設備運輸通道綜合管線設計模型見圖14。

綜合管線設計不僅涉及機電系統間的協同配合及避讓調整，還包括與結構方案、裝修方案的深度配合。通過模型校核查找沖突部位，進行了結構方案、裝修方案、機電管線形式的配合調整。

為了實現最好的空間效果，保證公共空間凈高，在候車廳商業夾層、出站通廊等部位進行結構方案調整（見圖15）。最大限度壓縮結構梁高、在梁柱交接處進行加腋處理，極限部位的機電管線合理穿梁，并依據BIM綜合管線成果確定預留預埋方案，避免施工中后期鑿改帶來的結構風險。

圖15 出站通廊綜合管線設計模型

項目實現了綜合管線的正向設計出圖，在Revit中生成綜合管線圖紙（見圖16），并將模型成果用于施工深化設計。

圖16 綜合管線圖紙

4.6 模型碰撞檢測及設計優化

在設計過程中，除重點配合設計的區域外，BIM模型根據設計主要節點隨圖紙進行更新。利用BIM模型對二維圖紙設計進行校核檢查，以碰撞報告的形式將發現的問題反饋給設計人員，并利用模型進行溝通、提出配合解決方案，設計人員對發現的問題及時更改。

在正向輔助設計過程中，利用BIM模型校核，提前發現并解決各類有可能傳導至施工中的問題80余項，查出重要圖紙問題28處，有效減少施工過程中重要問題的發生。設計校核問題整理及典型報告單見圖17。

圖17 設計校核問題整理及典型報告單

4.7 施工配合及深化設計

BIM模型的有效傳遞及利用是BIM全生命周期應用的基礎，在建設單位的統一組織下，設計與施工BIM團隊進行有效的模型傳遞及配合，在設計模型的基礎上進行施工深化及相關應用。

設計及施工方BIM團隊共同建立了施工階段的BIM模型深化及溝通配合流程，對施工過程中發生的設計變更或配合修改進行有效的記錄，保證BIM深化模型的時效性及準確性［8］，并將相關的圖紙、文件與BIM模型關聯，提高了施工配合及管理的效率（見圖18）。

圖18 BIM施工配合問題及調整記錄

深化設計是施工（配合）階段設計與施工單位利用BIM技術進行協調配合的一項重要工作，在豐臺樞紐中，利用BIM技術進行了混凝土結構深化、鋼結構深化、二次結構與砌筑工程深化、設備機房深化、裝飾裝修工程深化等多項深化設計工作。利用BIM深化成果進行施工與設計單位的溝通及現場配合，有效提升了設計成果的完成度和精細度。豐臺樞紐復雜梁柱節點深化模型見圖19，幕墻及金屬屋面深化設計模型見20。

圖19 豐臺樞紐復雜梁柱節點深化模型

圖20 豐臺樞紐幕墻及金屬屋面深化設計模型

5 結束語

豐臺綜合交通樞紐項目通過BIM正向輔助設計的應用，切實提高了設計的質量和效率，通過對項目BIM組織模式、應用流程、建模標準、應用點選取等方面的總結分析，可以為綜合交通樞紐項目的BIM應用提供參考和借鑒。由于目前BIM技術在綜合交通樞紐中的應用還處于探索階段，無法實現全面的正向設計，但是在技術發展過渡階段，這種正向輔助設計的應用模式有很積極的意義。

為了更好地實現BIM技術的推廣和應用，還應該建立健全BIM管理審查流程、建立BIM設計標準、建立標準構件族庫、完善BIM設計環境、加強BIM技術培訓等工作，進一步規范BIM技術的應用，通過不斷的研發，解決阻礙BIM正向設計的一些關鍵難題，不斷提高正向設計的實現程度。