BIM技术在轨道交通工程设计中的应用

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摘 要: 近年来,我国已进入了城市轨道交通的快速发展期。建筑信息模型技术( BIM) 作为建筑业的全新技术也逐渐被应用于轨道交通工程的设计中。文章介绍了 BIM 技术的概念、应用和发展,重点归纳了目前它在轨道交通工程设计中的可推广应用途径。笔者通过自己参与的北京地铁 7 号线百子湾站 BIM 建模应用的实践体验,以及其他将 BIM 技术应用于地铁车站站内管线碰撞检查的案例经验,分析总结了 BIM 技术在轨道交通工程设计应用中存在的问题及原因。最后,对 BIM 技术在轨道交通工程领域中的发展做出了展望。

1 引 言
近几年,我国各大城市在大力推进轨道交通事业,地铁建设和发展突飞猛进。城市轨道交通工程设计中涉及专业种类繁多、专业接口多、界面管理复杂,传统方法难以实现信息在整个设计过程的集成 和 闭 环。 而 三 维 建 筑 信 息 模 型 ( Building Information Modeling,BIM) 以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目的各种相关信息,可用于设计、建造、管理等。在城市轨道交通建设项目中推广应用 BIM 技术,尤其是在设计阶段的方案设计、可视化表现、土建及设备各专业协同工作、土建设计及管线综合的自动碰撞检测、施工图设计等诸方面发挥其优势,有利于设计变更后的系统校核、对施工深化指导等,可以大大提高建筑工程的集成化程度,将设计乃至整个工程的质量和效率显著提高。BIM 的应用源自美国。从 2003 年起,美国总务管理局制定了 3D-4D-BIM 计划及 BIM 指南,后来陆续开展了 BIM 应用的研究,并有州政府要求州内新建公建项目必须应用 BIM。目前,欧洲、亚洲已有多国政府致力于 BIM 标准的制定。我国从2003 年开始在工程建设行业引进 BIM 技术,目前以设计院应用为主,政府及行业协会也越来越重视BIM 的应用价值和意义[1]。国内外学者对 BIM 技术应用的相关研究大部分集中在三个方面。第一方面是概念层面,从宏观角度出发,介绍 BIM 的概念和标准、技术发展及在设计中的应用。第二方面是应用层面,以 BIM 本身为立足点,讨论在各工程建设行业中的使用、实践及推广。第三方面是技术层面,以 BIM 的技术特点为支撑点,做可视化、一体化、协同工作等研究。与国外相比,我国 BIM 技术的应用和发展起步较 晚,在轨道交通工程建设中的应用和论述较少。

2 BIM 的概念、特点和发展
2. 1 BIM 的概念
建 筑 信 息 模 型 BIM ( Building Information Modeling) ,是以建筑物三维数字化为载体,贯穿建筑物全生命周期整个主线,将建筑设计、施工和管理等相关产业链的各个环节所需要的信息关联起来,各工种协同工作而形成的建筑物信息集。

2.2 BIM 的特点
2.2.1 信息集成
BIM 技术通过数字信息来模拟建筑物的真实信息,包括建筑体量的空间关系,几何形状描述的视觉信息,各个设计要素,如梁、柱、墙、管线、设备的几何信息,各种建筑材料和构件的物理和功能特性,及构件连接方式、荷载等分析信息。归根结底,BIM 的核心是通过数字信息来组建一个由计算机管控的三维模型数据库,便于建筑师从中提取相关设计信息。这种设计方法与使用传统 CAD 线条绘图的方法有很大差别。

2 .2.2 工作可传递性
BIM 的基本特性之一是工程数据在设计创建时就有随时保持一致的相互关联性,即当工程中的某项内容被修改后,BIM 系统会立即自动将修改反映到所有受影响的其他图元,而不需建筑师自己处理图纸。这种特点使得应用 BIM 系统的项目工作具有一定的连续性,工作成果能够迅速体现在相关工程阶段中,节省了人力,降低了成本,极大地提高了工作效率。

2. 2.3 支持协同工作
BIM 系统为设计方、施工方、建设方和运营管理者搭建了一个及时沟通、同步工作、时时监测的全新平台,提高了工作水平和设计质量。如: 利用BIM 搭建的三维模型来做梁、柱、管线等碰撞检测,可以根据各专业不同的布设原则,同步自动检测出各构件间冲突或影响,提高了整个设计团队中各专业沟通配合的效率。

2.3 BIM 在建筑行业的应用现状
几年来,BIM 技术已从早先提出的理想概念转变为实际应用的设计工具,给整个建筑设计乃至施工、建设、管理等行业带来了不同的机遇和挑战。在我国,先进的建筑设计团队和地产公司都成立了BIM 设计工作组。 BIM 给建筑行业的软件应用,增添了更多的智能工具,实现了更多的职能工序。它除了继承计算机辅助设计的相应功能,并将其使用范围扩展到了更多的领域,如工程造价、进度安排,具有为工程建
设管理服务的潜能。

2.4 BIM 在轨道交通工程设计中的发展趋势
目前,国内对于 BIM 技术引入、应用及发展的研究层面大都在民用建筑设计领域,在轨道交通工程方面的使用和研究几乎是空白。BIM 技术近两年刚刚被引入到城市轨道交通工程设计建设当中,主要是用于地铁车站及周边环境可视化设计和管线综合的碰撞检测。根据 BIM 技术目前的应用发展现状,未来它
可以在轨道交通工程前期、设计、施工、运营等各个阶段中发挥重大作用,展现其三维可视化、分析优
化设计、协同工作、资源共享等特性。

3 BIM 技术在轨道交通工程设计中的应用
3. 1 前期规划
城市轨道交通前期规划阶段,在可行性研究的基础上利用 BIM 思想能够构造出城市交通的三维模型。这个模型的构成元素包含地质条件、道桥情况、管线地形、特殊建构筑物等固有特性,还包含自然科学、技术研究、社会科学、人文经济等多方面的信息和资料,如人口密度及组成、城市经济结构、出行分布等。基于这些模型信息能够进行线网规模、日客运量、日换乘量、轨道线网平均运距等各种分析和计算。

3.2 可视化设计
在方案设计和初步设计阶段,建立车站三维实体模型,能够从全局把握站位周边地上地下的地形、道路、管线、建构筑物等情况,快速直观地推敲车站建筑主体和附属体量( 如图 1) ,还可结合车站一体化开发的范围、造型等,剖析其功能布局。随着项目的不断推进,一般会探索多个设计方案。这些方案可以是概念上的方案设计,也可以是详细的工程设计。BIM 使用设计选项允许建筑师利用一个模型同时开发和研究多个备选方案。由于模型的直观可视化和可靠性,业主方、设计单位可以运用 BIM 模型相互沟通,发现设计问题,进行方案的论证和优化,更大限度地发挥 BIM 的价值。

BIM 技术用数字化的建筑构件来表示真实的建筑物形态,对于传统计算机辅助绘图软件用物理信息的几何图形来表示的设计方法,无疑是个根本的改变。

3.3 协同设计
我国设计单位目前协同工作的基本现状是: 设计分散、成果集中、需要时协同,简单易行,比较符合目前设计单位网络现状和设计习惯。其协同设计主要是通过网络通信软件或数据中心,在设计单位局域网上建立电子邮件系统或即时通讯系统,设计人员和管理人员在此平台环境下存取文件、查寻信息、交换或互提资料[3]。

BIM 技术中所谓的“协同设计”,就是建筑、结 构、设备等各个专业在同一个工作平台下工作,设定的项目中心文件集体共享( 如图 2) 。不同专业人员使用各自的 BIM 核心建模软件建立自己专业
相关的 BIM 模型,与这个中心文件链接,并在与其同步后,将新创建或修改的信息自动添加到中心文件。这个中心文件就是建筑信息模型,各专业都可以在此模型中查看其他专业构件的布置及信息,从
而实现信息共享。 图 2 BIM 工作集中心文件.

设计单位在方案设计、初步设计、乃至施工图设计阶段,均可按各个专业分类: 建筑工程师、结构工程师、设备工程师等在一个设计平台上协同工作。建筑专业以墙柱、楼板、屋顶、门窗等构件为基本图元; 结构专业以梁、板、柱为主; 设备专业的基本图元构件较多,大致分成水、暖、电、消防等几个系统。每一种基本图元都可以组合成复杂的体量,被归成“族”,类似 CAD 的块。最终,由各专业协同工作、搭建出完整的 BIM 模型。

3.4 优化设计
建筑设计是一个反复修改的优化过程。以往设计中稍有变更,就需要手动修改各种图纸中的相关信息,费时费力,还容易出现信息不匹配的现象,如果到施工阶段才发现,便可能造成变更、返工、浪费资源。

在 BIM 模型中,图纸是其中的一种视图类型。根据要创建的图纸类型,可以在视图中直接添加平面、剖面、立面和三维视图等不同模型界面。BIM模型中的所有图元构件都是基于一定的逻辑关系生成的,设计文件中的各个图纸视图和模型构建等图元都是关联在一起的,任何部分的修改都能够自动修改并相应反映到其他图纸视图及与模型相关的全部子项,引起关联变更。因此,整个项目中多专业协同工作在任何时刻、任何地方由任何一个专业所做的任何变更,均可确保各专业设计文件保持协调一致和完整,并保证实时最新的信息。这大大减少了设计人员的重复劳动和错误率,节约资源、提高效率、降低成本。

 

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