基于BIM技術的地鐵精細化建筑設計分析

文｜中煤天津設計工程有限責任公司 劉興旺

1.引言

伴隨著城市建設進程不斷推進，需要避免盲目建設大規模地鐵建筑，通過精細化設計充分體現地鐵作用。地鐵作為系統性工程，包含許多結構復雜的建筑項目，需要多個專業參與到建筑設計活動中，未能實施有效管控將給地鐵建設活動開展帶來不良影響。BIM 技術在地鐵設計、施工等領域得到了應用，如在北京、上海等發達地區地鐵施工主要采取了BIM 技術優化工程設計，通過模擬仿真等形式消除設計存在的漏洞。但有關地鐵精細化建筑設計的研究大多停留在理論層面，因此應結合實踐展開分析，科學應用BIM 技術提升地鐵項目整體建設水平。

2.BIM 在地鐵精細化建筑設計中的應用

2.1 BIM 技術概述

BIM 技術為建筑信息模型的簡稱，通過將工程參數轉化成信息，并實現信息匯集，從而生成三維立體模型。在模型中對相關數據、信息進行增刪、修改，可以生成新的模型。從技術特性來看，首先具有模擬性，將3D 模型當成是基礎，對施工過程展開模擬分析，判斷設計方案是否合理。其次，具有優化性，可以通過匯總工程成本、進度等信息對工程設計與施工方案進行優化，達到縮短工期和控制造價等目標[1]。再次，具有可視化特點，能以三維可視化形式展示工程結構圖、管線圖等各種圖紙，實現圖層分解和參數標注，輔助人員合理編制工程設計方案。最后，具有協調性，各專業人員均可通過系統平臺查看模型及信息，并進行數據調整，為加強各專業信息交互和實現工程協同設計提供支持。

2.2 BIM 應用分析

地鐵車站建筑包含多個部分，在精細化設計的過程中，需要考慮各部分結構設計科學性，結構、水、電等各專業協同設計，后續能夠順利進行施工建設等。而地鐵位于人員密集場所，周圍分布大量建筑物、管道、設施等，因此在設計階段需要考慮各種因素帶來的影響，確保建筑施工布局合理。應用BIM 技術，能夠輔助實現車站建筑布局設計（見圖1），通過做好主體結構、附屬設施等基元模型劃分，選擇族樣本和約束參數等完成三維參數化構件創建，根據空間位置、數量關系等完成建筑布局設計。對照模型分析結果，對二維模型進行調整，實現建筑布局優化。借助BIM 模型提升地鐵建筑設計的精細化程度，利用輔助設計軟件等對工程施工過程展開模擬分析，完成工程量等信息統計和精準測算，生成項目施工明細表[2]。對照表格加強施工管理，加強地鐵建筑施工成本、質量等各方面分析，保持信息高效聯動，能夠推動地鐵建筑標準化建設，提高地鐵建設效率和質量，為工程帶來更多效益。

圖1 BIM 技術在地鐵車站建筑布局設計中的應用

3.基于BIM技術的地鐵精細化建筑設計實踐

3.1 項目概況

某地鐵1 號線工程全線長約15km，沿線包含5 個地鐵車站。其中，換乘車站長272.5m，采用“T”形站廳換乘，標準段寬達20.7m，總建筑面積最大，約2.25 萬m2，建設有車輛段、停車場和主變電站等建筑。在工程設計過程中，考慮沿線分布較多建筑物，采用BIM 技術實現全線設計，通過建筑精細化設計實現“零碰撞”目標的同時，加快施工進度和提高建設質量，確保車站功能分區合理、流線順暢，各建筑物充分發揮功能。

3.2 地鐵工程建設特點

3.2.1 公共服務性

地鐵工程建設大多由政府部門投資，其本身具有突出的公共服務性特點，本質上屬于國家經營的產品，并不涉及到其它競爭主體，其在運行過程中可以方便人們的生活，賦予人們更加優質的出行體驗。

3.2.2 投入大

結合近年來城市軌道交通建設的實際情況來看，其有著極大的投入，甚至部分地區的地鐵建設高達9 億元/km。此外，地鐵建筑建設涉及到較多的內容，這便提高了對于工作人員專業程度和知識儲備的要求。而在施工階段,工作人員不僅面臨著施工技術條件的限制，還不可避免地受到主觀意識的影響，導致工程項目建設始終面臨著一定的不穩定因素。此外，因為施工條件處在地下空間，所以與其它建筑工程相比，具有更高的復雜性，由此造成地鐵建筑面臨著相對較長的施工工期。

3.2.3 施工難度高

在針對地鐵建筑展開設計工作的過程中，若想從源頭上保障交通的便利性，往往會將施工地點放在交通更加通暢的區域，并確保其更靠近交通網的中心區域，有著更為密集的人員流動。此外，地鐵軌道長度較長，施工階段涉及到多種地下設施、地下管道以及建筑物，這對于施工人員本身的施工水平提出了極高的要求。除此以外，由于地鐵建筑大多位于地下，所以施工人員在施工過程中需要在保障建筑結構穩定性的基礎上保護施工人員的安全，這也進一步提高了施工的難度。

3.3 精細化設計準備

按照設計要求，應提前做好BIM軟件選擇，確保可以順利匯集工程各種信息，支持各參與方導入、提取和更新信息，協同開展設計活動。根據地鐵項目各參建方習慣使用二維制圖軟件的情況，選用Revit 軟件實現地鐵精細化設計，需盡快確立統一設計標準，要求各專業通過BIM 平臺上傳和保存文件，確保各方適應新的軟件制圖方式，實現文件及成果的輕量化交付，實時更新工程信息[3]。

應用BIM 技術，要求構建地鐵建筑三維信息模型，通過碰撞檢測、施工模擬等方式確認工程性質和解決設計難題，將設計方案和具體建筑物對比，確認差距并改進設計方案。采取立體、平面等形式對建筑進行整體構造，提升建筑功能性，并通過模擬分析科學確定電能等資源分布位置，實現地鐵建筑結構優化，生成具有較強可行性的施工方案和圖紙。利用BIM技術輔助完成車站建筑二維設計，將圖紙導入到平臺中后，能夠生成集建筑、結構、機電等專業為一體的總裝模型，如圖2所示。

圖2 地鐵車站建筑總裝模型

地鐵各標段由車站和區間構成，在文件夾下對各標段車站設置獨立項目名，按照順序排序，各車站文件目錄下包含二維圖紙、BIM 模型、修改意見單及模型、成果文件等。通過編寫樣本文件，提出明確模型樣式、繪制方式、成果輸出等規則，幫助各方理解模型組成，確保各方順利溝通，協同開展建筑設計工作。

3.4 精細化設計實施

3.4.1 三維可視化設計

在地鐵精細化建筑設計上，首先通過創建族樣本文件夾將系統文件和3D 模型結合，完成車站建筑總體建模，實現建筑全面設計。根據車站特點劃分為主體建筑和附屬建筑，根據出圖習慣設置平面模型和立面模型。根據車站形式和軌面標高，將主體模型劃分為底板層、站臺層、頂板層等多個平面，附屬建筑劃分為風亭、出入口等，各自單獨列為一個子集。

在此基礎上，對模型元素信息進行劃分，包含位置、類型、構造等幾何信息和名稱、權屬、分部分項等非幾何信息。通過對構件信息進行命名和編號，根據各專業提供的階段性圖紙和相關資料建立節點模型（見圖3），包含站廳等建筑物的三維可視化圖形，標注準確位置，呈現整體外形和尺寸關系，為確認各建筑物間的相對關系提供支持[4]。將空間關系當成是表達重點，對設計方案的合理性展開分析，實現建筑布局優化。

圖3 車站建筑節點模型

應用BIM 模型進行車站建筑三維可視化設計，應確保圖紙、資料的準確性，利用各專業修改后的內容進行建模，在生成車站、停車場等建筑物模型的同時，對區間配套環境進行分析，顯示施工區域內重要構筑物，如地下隧道、市政管道等。通過深化圖紙內容，高精度展現建筑物和周圍環境關系，對建筑體量、外形和空間構成等展開分析，提升模型精細度，精準表達區間隧道、車站等各部分結構限界，準確顯示車站區間結構、附屬結構等建筑物結構輪廓，確保最終輸出結果不會出現各部分建筑物相互干涉問題，并且最大限度消除環境因素給工程施工帶來的影響[5]。

在三維可視化分析過程中，不同建筑物對建設技術提出了不同要求，在模型設計過程中需要加強檢驗測試，從基礎結構開始對車站自重、地基承載力等進行分析，確認各項參數得到合理設置，避免因建立模型不合理導致結果出現偏差。

在對換乘車站進行可視化設計時，通過輸入車站規劃相關圖紙，如出入口方案、環境地質勘查報告等，建立交通組織和管線改遷模型。工作人員可以通過BIM 技術的應用優化地鐵管線鋪設形式，充分同管線鋪設的各項參數相結合，在此基礎上展開三維模擬仿真設計，進而使得管線的連接情況和走向能夠達到可視化建設的效果。此外，工作人員應當針對管線鋪設形式展開碰撞檢測工作，進而在原有的基礎上對設計方案采取相應的修改措施，這樣便可以在極大程度上提高管線鋪設效果的提升，將其作為參考開展管線安裝工作，從根本上促進安裝質量的提高，并減少其中不必要的人力物力成本投入。

3.4.2 建筑協同化設計

應用BIM 技術打造協同設計平臺，同步面向各專業開放模型修改權限，確認各專業能夠同時接受信息，對專業設計內容進行實時完善，解決各專業交流不暢等問題，避免出現缺、漏、錯等情況，有效提升建筑設計的精準度和效率。

模型由不同專業總裝得到，由各專業按統一層級進行構件命名和順序排列。將車站劃分為高架站、淺埋車站等類型，將用房劃分為車庫、主變電等類型，然后劃分為站廳層、站臺層等層別，進一步完成構件定義。

構件作為圖元組，包含圖形、參數屬性，如墻構件劃分為防火分區隔墻、防火墻、普通墻等類型，包含尺寸、所屬位置等信息。各專業通過族庫調用構件模板后，可以通過修改相關信息創建新構件，生成二維圖確認標注比例等信息是否符合規范，然后生成三維形體確認建模精度符合要求。

通過對車站建筑主體模型的細部構件進行完善，如門窗洞口等，通過碰撞檢查確認是否存在空間沖突。

在工程設計實踐中，將車站樣本模型交由各專業人員制作同比例縮小實體模型，各專業單獨出具圖紙，將BIM 模型當成是中心鏈接各自圖紙，完成建筑結構階段性設計。針對管線等隱藏結構，可采用虛擬三維方式展示。通過將各專業結構模型上傳，對建筑結構模型進行更新和豐富，可以確認結構是否存在沖突。對建筑橫斷面模型展開分析，需采用Midas 模型進行結構受力檢驗，

如在建筑結構協同設計方面，需要將邊界條件等信息輸入到Revit 軟件中計算，直接在三維模型中對各部分結構進行拆分，由各自專業進行結構設計和驗算，縮短各專業設計車站建筑需要的時間。添加材質標定、荷載工況等信息，可以在BIM 軟件中生成新的結構模型，方便各專業自主調整模型結構數據。在各專業模型建成后，可以實現相互補充，如利用結構專業模型展開分析，能夠確定站廳層、站臺層等各層裝修面高度，利用軟件開孔工具直接開設樓梯孔、風孔等，利用元器件庫布置風機、風管、弱電設備、電梯等設施，如圖4所示。經過各專業協同設計，初步形成完善后的建筑三維模型，方便各專業相互檢查，為最終輸出設計成果提供保障。

圖4 房間設備布置

基于BIM 技術展開地鐵建筑設計工作，能夠從各個施工環節著手促進BIM 技術的高效落實，在參建單位同各個部門之間創建深入溝通和交流的平臺，確保各個單位和部門之間能夠就各種現實問題進行及時溝通，在原有的基礎上促進各單位和部門之間協同配合程度的提升，進一步促進建筑工程建設效果的提高。除此以外，各部門可以利用BIM 技術對其自身所承擔的職責和分工進行明確，真正將責任落實到每一個工作人員身上，妥善完成好本職工作，支撐各個部門整體的持續穩定運行，提高工程整體建設效率，為地鐵建筑建設能夠滿足安全性和穩定性的要求奠定堅實的基礎，不斷推動施工過程的優化與完善。

3.4.3 工程參數化設計

在地鐵建筑設計上，應用BIM 技術不僅需要羅列三維對象，還需通過參數化設計全面顯示工程相關信息，配合進行三維施工模擬，以便結合現場實際情況對設計方案進行持續優化和改進。

在建筑結構和功能復雜的情況下，需設置復雜運行參數，包含材料特征、設計屬性等。如在地鐵扶梯設計上，需標注坡度、標高等信息。通過建立扶梯模型，后續通過調整參數即可進行精準計算，自動調整模型相關參數。

在完成參數化設計后，利用Revit軟件進行切圖，能夠對局部模型進行調整，生成相關文件，在新平面圖上標注尺寸和文字說明，添加到工程總平面圖中獲得完整圖紙。根據BIM出具的圖紙，通過加入相關信息說明可以對關鍵部分模型信息進行準確區分，確保設計人員能夠加強關鍵部位檢查檢測，通過施工模擬方式及時發現問題，有效提升設計數據處理和分析效率。

在BIM 系統中，全部圖紙數據能夠實現同步更新，如在二維圖紙發生變更后，將同時對三維模型參數進行調整。將工程設計成果和成本管理等工作聯動，發現任意環節出現數據錯誤能夠做到快速反應，通過生成新的數據參數加強工程信息統計，做到精準測量工程量和成本，為加強工程動態管理提供支持。

對照工程參數化設計結果，將BIM 軟件和EXCEL 結合在一起，能夠對各分部分項工程的工程量和施工成本進行統計、分析，系統化開展地鐵建筑施工管理工作。具體來講，就是利用BIM 模型組織和存儲工程相關信息，自動提取工程量明細表，完成各專業材料量匯總和測算。在直接修改模型的情況下，相關明細表中的數據也將隨之更新，重新進行施工成本核算。通過BIM 技術的應用實施地鐵精細化建筑設計能夠將Auto CAD 軟件和EXCEL 有效結合起來，形成二者良性互動的局面，確保各項工作之間的高效銜接。與此同時還能夠在模型的基礎上直接進行施工成本計算以及工程量計算。在BIM 技術的影響下，模型中所設計到的工程量信息更加系統化和豐富化，有助于進一步提高工程量計算以及施工成本核算的準確性和有效性。一旦發現數據存在錯誤，模型便能夠第一時間做出反應并采取相應的修改措施，對地鐵工程明細表展開實時動態的更新，同時還能夠更加方便地導出數據內容，有助于提高數據分析處理的質量和效率。

通過精細化建模，生成可靠數據信息，能夠輔助人員加強現場材料、設備等各方面跟蹤管理，實現全流程數據記錄，為落實項目全生命周期管理工作提供保障。

4.結論

BIM 技術具有較強模擬性、優化性、協調性等優勢，能夠為解決地鐵建筑設計難題提供有效方法和思路。通過應用BIM 技術實現建筑布局、結構等各方面設計，提升建筑設計精細化水平，為后續施工活動高效、高質量開展提供保障。在地鐵建筑設計實踐中，通過合理選擇BIM 軟件做好精細化設計準備，然后通過導入工程圖紙等信息生成參數模型，全方位展示建筑結構立體關系，優化建筑布局，同時通過生成結構計算模型實現協同設計。根據分析結果生成明細表和施工圖，對各分項建筑的工程量、成本等信息展開精準分析，可以全面推動工程建設發展，為提升地鐵建筑設計水平提供支撐。