BIM技術(shù)及在鐵路客站設(shè)計中的應(yīng)用

哈日其嘎 周彥華

[摘? 要]：文章解釋了BIM的概念，分析了BIM技術(shù)的設(shè)計方法，總結(jié)歸納了BIM在施工和運維中的應(yīng)用，并以蘭州西、重慶西站為例詳細(xì)分析了BIM在鐵路客站建設(shè)過程中的應(yīng)用以及取得的效果。BIM技術(shù)經(jīng)濟、高效、實用，契合鐵路工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，對推動BIM技術(shù)在工程技術(shù)中的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]：BIM設(shè)計; BIM應(yīng)用; 鐵路客站

U291.6+1A

隨著科技進(jìn)步和信息時代的到來，建筑行業(yè)也發(fā)生著日新月異的變化，其中BIM技術(shù)的出現(xiàn)為提高建設(shè)水平提供了新的契機。BIM技術(shù)在建設(shè)中的使用解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計中無法解決的復(fù)雜空間多元化設(shè)計難題，確保了項目的高品質(zhì)順利實施，同時為后期建筑運維提供了數(shù)據(jù)保障。鐵路客站是個極為復(fù)雜的建筑系統(tǒng)，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用使建設(shè)與運維深度結(jié)合，建設(shè)過程更加科學(xué)，運維更加便利。

1 BIM的概念與設(shè)計

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型就是通過數(shù)字化技術(shù)在計算機中建立一座虛擬建筑，并包含建筑物所具有的真實信息。其應(yīng)用貫穿于整個項目全生命周期的設(shè)計、施工和運營管理各個階段。

1.1 BIM的設(shè)計

BIM在不同設(shè)計階段和不同項目中的作用各不相同，以有利于提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率為目標(biāo)而進(jìn)行應(yīng)用。

1.1.1 前期性能化設(shè)計

在設(shè)計的前期可以利用BIM進(jìn)行的性能化設(shè)計包括：

（1）場地設(shè)計：場地高程設(shè)計一般較為復(fù)雜，建筑與場地BIM模型完成后，可直接一次系統(tǒng)性的檢查整體場地和建筑的匹配度、還可進(jìn)行土方算量、挖填方平衡、豎向設(shè)計優(yōu)化等。

（2）光環(huán)境模擬：根據(jù)太陽高度角對場地進(jìn)行全天的日照模擬，為方案的總體布局提供依據(jù)（圖1）。

（3）風(fēng)環(huán)境模擬：利用計算機流體動力學(xué)（CFD）方法，對建筑外環(huán)境中的風(fēng)流動情況進(jìn)行模擬，對建筑外環(huán)境中的風(fēng)流動情況進(jìn)行模擬（圖2）。

（4）疏散模擬：利用BIM可以模擬出人員疏散的時間，每個疏散出口所疏導(dǎo)的人數(shù)等。

（5）煙氣模擬：在BIM中通過計算模擬火災(zāi)發(fā)生時煙氣的擴散速度與時間，對設(shè)計方案進(jìn)行校對。

1.1.2 2D-3D的輔助設(shè)計

2D-3D的輔助設(shè)計是指整個設(shè)計還是通過傳統(tǒng)二維設(shè)計方式進(jìn)行，繪制二維圖紙然后將其轉(zhuǎn)換成三維模型，再對已有二維設(shè)計進(jìn)行校正的應(yīng)用（圖3）。這種應(yīng)用可以實現(xiàn)：

（1）碰撞檢測：目前90%的BIM應(yīng)用是通過碰撞檢測功能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中錯、漏、碰問題。

（2）管線綜合：相比二維管線，顯然三維直觀的管線系統(tǒng)更能反映真實的空間狀態(tài)，通過BIM三維模型，進(jìn)行管線綜合，能夠真實反映空間凈高。

（3）工程量的統(tǒng)計：BIM設(shè)計模型可以直接提量，且當(dāng)模型更新時明細(xì)表統(tǒng)計量同步自動更新，從而對傳統(tǒng)算量起到輔助驗證作用。

（4）VR/AR表達(dá)：通過掃描二維碼可以在手機終端或利用專業(yè)的VR設(shè)備對設(shè)計進(jìn)行真實場景的體驗和模擬。

1.1.3 2.5D輔助設(shè)計

在一些復(fù)雜的項目中，整體比較規(guī)整但局部非常復(fù)雜，復(fù)雜部分傳統(tǒng)的二維圖紙已無法表達(dá)清楚，這時設(shè)計還是采用二維設(shè)計，但復(fù)雜部分可以用BIM直接進(jìn)行三維設(shè)計，然后將三維模型導(dǎo)成二維圖紙出圖，這種BIM應(yīng)用即為2.5D輔助設(shè)計（圖4）。

1.1.4 BIM三維設(shè)計

特別復(fù)雜的項目，用傳統(tǒng)二維設(shè)計無法表達(dá)或者效率極低的時候，比如迪士尼的城堡項目可以直接采用BIM進(jìn)行正向設(shè)計，各專業(yè)都在三維模型上工作，最后直接三維出圖或者生成二維圖紙出圖，這對設(shè)計的準(zhǔn)確性和設(shè)計效率非常有益（圖5、圖6）。

1.2 BIM在建筑工程中的應(yīng)用

1.2.1 BIM在施工中的應(yīng)用

BIM技術(shù)的出現(xiàn)除了可以提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率外，對施工階段也有著諸多的益處，主要體現(xiàn)在：

（1）4D模擬施工：4D施工模擬就是把三維模型加上時間概念，模擬施工現(xiàn)場情況，從而更加直觀對施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)判、控制，更加科學(xué)地進(jìn)行施工組織與籌劃，節(jié)約社會資源。

（2）輔助鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計：將鋼結(jié)構(gòu)深化模型導(dǎo)入BIM軟件，輔助檢查鋼結(jié)構(gòu)深化模型是否與原設(shè)計意圖匹配。

（3）輔助幕墻深化設(shè)計：在BIM模型上進(jìn)行幕墻安裝設(shè)計，進(jìn)行幕墻構(gòu)造空間驗證，使幕墻構(gòu)件的加工更加準(zhǔn)確，減少因加工后與現(xiàn)場的不匹配而引起的返工。

（4）機電安裝設(shè)計：根據(jù)精裝要求、現(xiàn)場安裝工序條件等，對機電模型進(jìn)行深化設(shè)計，確保安裝可行。

（5）3D施工管理平臺：通過搭建可視化施工管理平臺實現(xiàn)對現(xiàn)場質(zhì)量和安全工作的管理。 此外，BIM模型可以作為載體對現(xiàn)場質(zhì)量問題進(jìn)行管理，基于模型的質(zhì)量問題記錄、問題銷項，是提高質(zhì)量管理的有效手段。

（6）數(shù)字化、工廠化、預(yù)制化加工：將BIM模型中的構(gòu)件導(dǎo)出，列出模型清單，在工廠中進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)制，從而提高復(fù)雜構(gòu)件的制作和安裝精度。

鐵路與公路哈日其嘎， 周彥華： BIM技術(shù)及在鐵路客站設(shè)計中的應(yīng)用

1.2.2 BIM在運維中應(yīng)用

BIM運維是指一整套基于BIM技術(shù)開發(fā)的，以工作流程為基礎(chǔ)，對建筑的設(shè)備設(shè)施、空間、人員進(jìn)行智能化多維管理的建筑管理工具。這些管理工具是以BIM模型為載體，關(guān)聯(lián)了資產(chǎn)、設(shè)施、設(shè)備、資料等信息，以圍繞運維階段的需要，采用了物聯(lián)網(wǎng)、異構(gòu)體系集成、移動互聯(lián)、二維碼等應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)基于三維動態(tài)建筑數(shù)據(jù)的資產(chǎn)與設(shè)施設(shè)備管理。眾所周知，對于建筑項目來講，其生命周期主要分為早期的規(guī)劃設(shè)計階段、中期的施工階段及后期的營運維護管理階段。從建筑投入建設(shè)到后期持續(xù)運營的整體生命周期中（大于50年），建造費用占總投入的20%，后期運營費用占總投入的80%。傳統(tǒng)的建筑運維管理存在紙質(zhì)文件資料過多、管理難度大、工單管理落后、溝通成本、人員流動性對管理的影響較大等問題。采用BIM運維后可以有效解決這些問題，極大提高運營管理效率和質(zhì)量。BIM運維主要包括設(shè)備設(shè)施管理、能源管理、空間管理、智能化管理、資料管理和安全管理等模塊，主要應(yīng)用體現(xiàn)在幾方面：

（1）設(shè)施及資產(chǎn)管理。設(shè)施資產(chǎn)管理基于運維管理平臺主要實現(xiàn)資產(chǎn)盤點、折舊管理、報表管理、設(shè)施維護提醒以及包括會務(wù)以及租賃管理等功能模塊集成，方便建筑全過程設(shè)施和工程資產(chǎn)的有效管理。

（2）運營信息集成。基于BIM技術(shù)的運維平臺，實現(xiàn)了運維信息集成化、可視化的功能，提高了物業(yè)管理信息化水平，通過用能統(tǒng)計、電能管理、用水管理、用氣管理、人流管理、安防管理等模塊的集成應(yīng)用，更好地體現(xiàn)綠色建筑和智慧建筑的理念。

（3）設(shè)備運營維護。通過運維平臺可以對建筑各層設(shè)備進(jìn)行三維可視化瀏覽，隨時調(diào)看設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)信息、動態(tài)信息。也方便維保工單追蹤，對設(shè)備故障作出及時響應(yīng)。在遇到設(shè)備故障時，可以自動報警并第一時間通知維保責(zé)任人及時處理。

（4）多終端操作。BIM運維平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集成，各子系統(tǒng)（樓宇自控、火災(zāi)報警、安防監(jiān)控、辦公自動化等系統(tǒng)模塊）相對獨立運行，用戶可在網(wǎng)頁端、IOS端、安卓端任意選擇登陸方式，自由查看相關(guān)的信息，也方便協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的相互合作關(guān)系，完成系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

3 BIM在鐵路客站中的應(yīng)用

3.1 BIM在蘭州西站設(shè)計中的應(yīng)用

蘭州西站是全路第一座運用BIM設(shè)計的客站（圖7）。BIM技術(shù)在蘭州西項目中主要運用包括：

（1）運用BIM技術(shù)對蘭州西站高架候車廳進(jìn)行疏散模擬，校對和確定疏散口位置和疏散寬度，以保證在緊急情況下旅客能夠安全疏散。

（2）通過光環(huán)境模擬檢驗和調(diào)整立面與屋頂?shù)拈_窗面積、開啟方式，達(dá)到白天在不開燈的情況下候車廳有足夠的照度，以實現(xiàn)綠色節(jié)能的目標(biāo)。

（3）對車站進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境，進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計。

（4）在BIM模型中通過碰撞檢測協(xié)助，共計發(fā)現(xiàn)問題175處（其中建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)問題55處，機電設(shè)備管線問題120處）并調(diào)整解決，提高了設(shè)計質(zhì)量，減少了施工中返工、延誤工期等問題（圖8、圖9）。

（5）對于復(fù)雜部位進(jìn)行剖切三維展示，便于參建各方更好理解圖紙，減少誤解。基于設(shè)計階段的BIM應(yīng)用，將設(shè)計階段的BIM成果轉(zhuǎn)移到了施工階段，在施工階段也進(jìn)行了BIM應(yīng)用的嘗試，根據(jù)BIM模型進(jìn)行站房施工模擬搭建，提前了解施工中可能碰到的返工、窩工等問題，提高施工效率，建設(shè)工期由24個月減少到18個月;BIM技術(shù)用于4D施工管理以控制工程進(jìn)度，更加直觀表達(dá)施工情況。在設(shè)計和施工階段采用BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，也對BIM運維進(jìn)行了嘗試，將設(shè)計建造過程中的各類數(shù)據(jù)加以收集處理并模型可視化，結(jié)合運營期間的相應(yīng)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)管理的模式和方法，以期打造全數(shù)字化維護管理系統(tǒng)。由于缺少BIM全生命周期應(yīng)用的前期策劃，施工階段設(shè)備信息錄入不全等原因，最后蘭州西站BIM運維的應(yīng)用沒有達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 BIM技術(shù)在重慶西站設(shè)計中的應(yīng)用

重慶西站與蘭州西站屬于同時期的車站（圖10），設(shè)計時間稍晚于蘭州西站，在蘭州西站BIM運營經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對重慶西站復(fù)雜部位進(jìn)行了BIM設(shè)計，主要包含方面有：

（1）對復(fù)雜幕墻運用BIM技術(shù)進(jìn)行找形和板塊分割。由于重慶西站立面有雙曲面，如何通過模數(shù)化的板塊實現(xiàn)造型，并在安裝中精準(zhǔn)定位以達(dá)到設(shè)計效果是影響重慶西站成敗的重要因素，但通過傳統(tǒng)二維設(shè)計很難實現(xiàn)這一目標(biāo)，而借助BIM技術(shù)進(jìn)行三維找形和板塊分割就相對容易達(dá)到效果。

（2）在重慶西站預(yù)應(yīng)力清水混凝土雨棚的設(shè)計中，使用BIM技術(shù)實現(xiàn)了雨水管及各種電線、信息管線的精準(zhǔn)預(yù)埋，為實現(xiàn)清水混凝土雨棚的完美效果打下了堅實的基礎(chǔ)。基于設(shè)計階段的BIM應(yīng)用，重慶西站在施工階段也應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)了部分4D現(xiàn)場施工管理、幕墻復(fù)雜構(gòu)件及局部單元的工廠化、預(yù)制化建造，對重慶西站正立面效果和清水混凝土雨棚效果的呈現(xiàn)起了巨大作用。

4 結(jié)束語

本文由BIM技術(shù)的概念展開，分析了BIM的設(shè)計原理及BIM在建筑工程中的應(yīng)用，重點論述了在蘭州西和重慶西站中BIM技術(shù)的使用情況BIM技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，對我國建筑工程的發(fā)展與進(jìn)步、提高工程質(zhì)量與運維效率具有十分重要的意義，尤其是對功能復(fù)雜的建筑有十分重要的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭健.鐵路旅客車站細(xì)部設(shè)計[M].北京：人民交通出版社， 2010： 13-20.