BIM技術在地鐵車站設計中的應用分析

田辰右

（中鐵上海設計院集團有限公司-天津分院，天津 300073）

0 引言

地鐵是我國城市交通的重要組成部分，有助于提高城市通行效率，使城市居民出行更加方便快捷。但地鐵工程是一類綜合性高、施工周期長的大型工程，相較于一般的建筑工程而言，其涉及的專業多、接口復雜，整體的施工難度較高，因此對硬件、軟件、人員素質、人員配合能力等都有更嚴苛的要求。在地鐵工程施工過程中，協調好各專業人員，使其能夠高度協作，確保各項施工內容有序、高效地開展是關鍵。引入BIM 技術進行地鐵車站設計，不僅在優化設計方案、模擬管線敷設方面有積極作用，還能顯著提高整體施工效率。

1 傳統Auto CAD 設計軟件在地鐵設計中的弊端

1.1 復雜空間效果表現能力差

由于Auto CAD 設計軟件是基于2D 線條進行設計，圖紙通常以二維的方式呈現，相較于平面，這種呈現方式有更好的表達效果，但在豎向空間關系的表現上依然存在很大的局限性。由于地鐵軌道的管線復雜程度較高，管線豎向重疊、交叉關系復雜，而且很多管線存在保溫層、隔熱層等外部構造，傳統的2D 圖紙難以清晰、準確地將上述關系表現出來。在此背景下，以二維設計軟件為設計工具，協調各專業管線設計極為困難，其間不僅需要投入大量的人力、時間成本，且出錯率較高。

1.2 圖紙辨別性較差

地鐵車站施工一般參照二維圖紙展開，如紙質版施工圖紙，以及CAD、PDF 等格式的圖紙。但在一些復雜節點的施工中，如站內管線，往往一個位置存在若干層，而每一層的管線構成并不相同，僅通過二維圖紙，很難清楚地表達出每個點位的施工要求。由于管線數量太多，導致二維圖紙中的線條大量疊加，辨別性較差，往往需要施工人員結合施工經驗展開作業。局部復雜的節點，僅通過圖紙無法真正指導施工，往往需要設計人員就圖紙內容對施工人員進行大量的答疑工作，這會極大地影響施工效率。

1.3 不便于后期修改

在地鐵工程設計中，通常每個建筑單體圖紙就會包含平面及多個剖面圖。若是后期某個節點發生調整，就需要各專業去修改此節點涉及的各張圖紙。由于施工圖紙的繪制精度高，標注等非常詳細，修改過程中工作量會很大，如此便很容易遺漏[1]。

1.4 缺乏協同設計能力

地鐵工程涉及二十幾個專業，目前各專業繪制圖紙的過程均是相對獨立的。一般是先根據基礎資料繪制本專業二維圖紙，再提給其他專業，之后通過其他專業的反饋，對二維圖紙進行修改。此方式設計效率低，加之接口復雜，整個過程中很容易遺漏，容易導致連鎖錯誤。

2 BIM 技術在地鐵車站設計中的優勢

2.1 有較強的直觀性

與Auto CAD 軟件對二維圖紙進行編輯的情況不同，借助BIM 技術可以以三維形式進行編輯，可以非常直觀地將建筑物的構造、結構構件尺寸、管線相對位置關系等呈現出來。地鐵車站規模較大，內部房間眾多，功能分區復雜，各專業管線更是縱橫交錯，體量十分龐大。面對這類復雜的構造，在傳統的二維設計中，設計者往往需要在頭腦中想象空間關系，再按照規則繪制成二維圖紙，對設計人員的空間想象力與相關工程經驗的要求較高，設計過程中容易出錯。而借助BIM 技術，直接面向三維模型進行操作，能夠很大程度上降低這項工作的難度，而且可靠性高，有助于設計質量的提高。

2.2 具有較強的同步協調性

BIM 技術主要依托于計算機、互聯網技術，各專業設計人員在BIM 模型中進行修改，再通過互聯網進行同步，就能夠實現快速協調作業，較傳統的設計方式更高效。同時，BIM 技術能與數據庫相通，遇到施工較為困難的路段時，可以利用數據庫互通的形式協調多隊施工人員，進而大大提高施工作業的準確性、可靠性，有效縮短施工周期，保證施工質量。

2.3 模擬性

利用BIM 技術，不僅可以模擬設計出建筑物的模型，還可以模擬不能在真實世界中進行操作的事物[2]。比如，在設計階段，可以利用BIM 技術模擬客流情況；在施工階段，可以利用BIM 技術進行4D 模擬，即根據施工組織設計模擬施工情況，從而確定合理的施工方案，更好地指導后續施工；還可以利用BIM 技術進行5D 模擬（基于3D 模型的造價控制），從而更好地進行成本控制；在后期運營階段，可以利用BIM 技術模擬日常緊急情況的處理方式，如模擬發生火災時的人員疏散等。

2.4 適用于工程的全生命周期

相較于一般的項目，軌道交通項目的投資規模更大，建設周期更長。一條地鐵線路的建設投資通常達上百億，建設周期一般為3～5年，甚至更長[3]。地鐵一般位于主城區，周邊建筑密集、地下管線眾多，工程結構風險和工程環境風險都很大。地鐵建設涉及多個參與方，如建設方、施工方、設計方、監理方，還有相關的政府管理部門、市政管理部門等。各方又涉及多個單位，工作協調難度非常大。地鐵投入運營后，運營企業的工作量也很大。地鐵是承擔市內交通運輸任務的主要工具之一，地鐵運營企業不僅要為公眾提供優質的服務，還要保證公眾的安全出行，其間需要各專業系統內30 多項不同的專業設備設施正常、協調運行。在傳統的工作模式中，軌道交通工程各階段的工作相對獨立，過渡期的交接工作十分煩瑣，容易出錯。而應用BIM 技術，則可基于三維數字設計和工程軟件構建可視化的數字模型，同時能集成子系統信息，可以為建設、設計、施工及運維單位等各方提供“模擬+分析”的統一協作平臺，各方工作都可以在此平臺上開展，工作成果也可以共享，進而使整個工程項目在設計、施工與運營各個階段都能有效節約成本、提升效率、提高質量。

3 BIM 技術在地鐵車站設計中的應用方式分析

從整體來看，BIM 技術在地鐵車站項目中的應用與在其他建筑工程中的應用無異，目的都是提高設計、施工、管理效率，提高工程整體質量。但地鐵車站項目更為復雜，具有涉及專業多、參與方多、接口多、協調工作量大等特點，因此BIM 技術在其中有更大的應用空間。BIM 技術在地鐵車站項目設計環節的應用主要有以下幾個方面。

3.1 用于各專業模型整合及碰撞檢測

在各專業的二維圖紙具備一定的深度后，可通過BIM 技術，將所有專業的內容進行整合，使其形成一個完整的模型整體。整合完畢后，利用BIM 技術的碰撞檢測功能，就能夠實現對管線碰撞問題及土建結構沖突問題的快速檢測。對于綜合管線，可以快速檢測出碰撞的節點、涉及專業、具體的空間關系等；在土建方面，不僅可以發現結構梁柱、門窗洞口等沖突的位置，也可以對復雜節點位置進行檢測，在二維圖紙中不易表現的形體在模型中可以非常直觀地呈現出來，便于設計人員對建筑細部節點進行優化。相較于傳統的檢查方式，基于BIM 技術的碰撞檢測方式速度更快、精度更高，能夠顯著提高設計質量和設計效率。

3.2 用于協調各專業的設計過程

相較于傳統的設計方式，BIM 技術能更好地整合地鐵車站項目的各個專業，除了傳統設計中涉及的建筑、結構、給排水、電力、環控外，還能有效整合與地鐵運營有關的配套專業，如通信、信號、行車、軌道等。若是采用CAD 制圖的方式，其間需要各專業之間進行大量的溝通和反復的協調來實現協同設計，會耗費大量的時間成本、人力資源，而且需要復雜的管理體系來保證整個設計系統的正常運行。這種方式不但效率低下，且由于接口過于復雜，設計中的聯動較為被動，非常容易出現專業間的接口出現偏差的情況，會降低工作效率，也不利于成果質量控制。而利用BIM 技術，可以有效整合各專業設計，如利用BIM 中央系統與數據庫進行交互，即可實現各專業的高度協同設計[4]。在不同專業間、不同建設參與方的溝通方面，利用BIM 技術可使問題的呈現更直觀，如此便能大大降低各方的溝通成本，提高解決問題的效率，提高設計質量。

在施工過程中，工程中所涉及的所有標高、外形、材質等，即與施工直接相關的數據資料都可以在BIM模型中進行篩選調用，這種數據共享方式具有較強的直觀性，施工人員和設計人員能夠一目了然，從而實現設計與施工的有效協調。施工技術人員還可利用BIM 技術數據集成程度高的特點，這種直觀性強的優勢，相較于傳統的二維圖紙而言無疑具有顯著的優勢，現場施工人員基于BIM 系統對施工設計進行了解后，就能夠全面了解施工難點、設計人員的設計理念等內容，進而高效地完成設計交底。

3.3 輔助施工圖紙繪制

BIM 模型深化完成后，可直接轉換為二維圖紙，可以大大提高施工圖紙繪制效率。比如，復雜程度極高的地鐵綜合管線以及管線的預留土建洞口等。想要保證施工圖紙能夠精確地指導施工，需要繪制上百個位置的剖面圖，而且根據實際施工情況，還要分別繪制各個專業管線的圖紙。如此巨大的工作量要占用海量的人力和時間，而且容易出錯。借助BIM 技術，在完成模型建立、滿足專業要求、碰撞修改后，利用導出二維CAD 圖的插件，統一設置好圖框、圖層、線性等出圖標準，即可批量生成繪制標準統一、繪圖規范的圖紙，后續如需調整，根據實際的工程情況，對一些細部標注進行調整即可及時完成圖紙修改，不僅能大大降低設計人員的工作量，還能保證圖紙的精確性。BIM 建模能夠在三維模型繪制的過程中，及時發現設計中存在的缺陷，了解圖紙中的錯誤，避免了由于圖紙出錯而導致的返工現象，同時與二維圖紙相比，BIM 建模具有更快的審核反饋效率，減少不必要的設計變更，大大提高了設計效率，節約地鐵設計施工的成本，兼顧了經濟效益和設計效率，因此應用BIM 技術有助于施工圖紙的繪制及審核。

3.4 用于模擬施工流程

考慮到地鐵車站工程規模較大，地下車站基坑深度較大，同時多位于市區繁華街道，周邊環境較為復雜，可供施工的空間較為狹小，相對來說，施工風險大、難度高、投資高[5]。借助BIM 技術，按照施工方案反復模擬施工過程，能在這一過程中發現可能存在的問題和風險，進而及時針對問題對施工方案進行調整和修改，提前制訂應對措施，進而優化施工方案和圖紙，以更好地指導施工，為施工單位制定更完善的人員、機械、設備投入計劃，節約資源提供有效支撐，從而保證項目順利開展。

4 目前BIM 技術的應用局限性分析

雖然BIM 技術在城市軌道交通工程設計中的運用取得了一定的成效，但是距離全面深化應用的目標還有一段距離，在實際應用中也暴露出了一些問題，若不及時解決，會阻礙BIM 技術的進一步發展和應用。目前，BIM 技術在城市軌道交通工程設計中的應用局限性體現在如下幾個方面。

4.1 缺失統一的BIM 技術標準

在BIM 技術應用方面，目前普遍存在各自為營的現象，即不同的BIM 生態只關注與自身領域相關的配套技術的發展，未能朝著標準統一化的方向發展。相較于國外，我國的這一發展現狀顯然不利于BIM 技術在地鐵車站設計及其他相關領域的深化推廣，因此需要國家層面予以一定的支持，如制定相應的標準，有效解決這一問題。

4.2 配套技術發展不健全

目前，我國的許多BIM 配套設備及核心建模軟件的發展尚不完善，導致BIM 技術在實際應用的過程中仍然存在較大的局限性，對于地鐵車站這類復雜的工程項目而言，還需要進一步開發專業的配套軟件，以滿足日常工作中的使用需求。

4.3 專業人才的缺失

此外，我國存在BIM 技術人才短缺的問題[6]。目前，我國各大高校有關BIM 技術的課程開設不足，真正全面掌握BIM 技術的專業性人才少之又少，多是對BIM 技術一知半解，在實際應用時難免會存在不足。為此，高校需要加大對相關人才的培養力度，企業也要重視對相關人員的培養，進而全面提高BIM 技術在地鐵車站設計及其他相關領域的應用效果。

5 結語

相較于傳統的CAD 設計模式，BIM 技術無疑具有更多優勢，不但能為各單位之間的協同配合提供一個開放平臺，還能有效節約設計時長，提高設計圖紙的準確度與精確度，進而大大提高施工質量。但BIM 技術在城市軌道交通工程領域的應用方面，也暴露出了一些問題，如缺乏統一標準，專業配套設備與軟件尚不健全，專業人才相對不足等。因此，為進一步發揮BIM 技術在相關領域的應用效果，需采取有效對策，形成相應的應用標準體系、逐步完善配套設備與軟件，加大專業人才培養力度等，以促進我國交通事業的發展。