基于BIM技术的地铁精细化建筑设计分析
文｜中煤天津设计工程有限责任公司 刘兴旺
伴随着城市建设进程不断推进，需要避免盲目建设大规模地铁建筑，通过精细化设计充分体现地铁作用。地铁作为系统性工程，包含许多结构复杂的建筑项目，需要多个专业参与到建筑设计活动中，未能实施有效管控将给地铁建设活动开展带来不良影响。BIM 技术在地铁设计、施工等领域得到了应用，如在北京、上海等发达地区地铁施工主要采取了BIM 技术优化工程设计，通过模拟仿真等形式消除设计存在的漏洞。但有关地铁精细化建筑设计的研究大多停留在理论层面，因此应结合实践展开分析，科学应用BIM 技术提升地铁项目整体建设水平。
2.1 BIM 技术概述
BIM 技术为建筑信息模型的简称，通过将工程参数转化成信息，并实现信息汇集，从而生成三维立体模型。在模型中对相关数据、信息进行增删、修改，可以生成新的模型。从技术特性来看，首先具有模拟性，将3D 模型当成是基础，对施工过程展开模拟分析，判断设计方案是否合理。其次，具有优化性，可以通过汇总工程成本、进度等信息对工程设计与施工方案进行优化，达到缩短工期和控制造价等目标[1]。再次，具有可视化特点，能以三维可视化形式展示工程结构图、管线图等各种图纸，实现图层分解和参数标注，辅助人员合理编制工程设计方案。最后，具有协调性，各专业人员均可通过系统平台查看模型及信息，并进行数据调整，为加强各专业信息交互和实现工程协同设计提供支持。
2.2 BIM 应用分析
地铁车站建筑包含多个部分，在精细化设计的过程中，需要考虑各部分结构设计科学性，结构、水、电等各专业协同设计，后续能够顺利进行施工建设等。而地铁位于人员密集场所，周围分布大量建筑物、管道、设施等，因此在设计阶段需要考虑各种因素带来的影响，确保建筑施工布局合理。应用BIM 技术，能够辅助实现车站建筑布局设计（见图1），通过做好主体结构、附属设施等基元模型划分，选择族样本和约束参数等完成三维参数化构件创建，根据空间位置、数量关系等完成建筑布局设计。对照模型分析结果，对二维模型进行调整，实现建筑布局优化。借助BIM 模型提升地铁建筑设计的精细化程度，利用辅助设计软件等对工程施工过程展开模拟分析，完成工程量等信息统计和精准测算，生成项目施工明细表[2]。对照表格加强施工管理，加强地铁建筑施工成本、质量等各方面分析，保持信息高效联动，能够推动地铁建筑标准化建设，提高地铁建设效率和质量，为工程带来更多效益。
图1 BIM 技术在地铁车站建筑布局设计中的应用
3.1 项目概况
某地铁1 号线工程全线长约15km，沿线包含5 个地铁车站。其中，换乘车站长272.5m，采用“T”形站厅换乘，标准段宽达20.7m，总建筑面积最大，约2.25 万m2，建设有车辆段、停车场和主变电站等建筑。在工程设计过程中，考虑沿线分布较多建筑物，采用BIM 技术实现全线设计，通过建筑精细化设计实现“零碰撞”目标的同时，加快施工进度和提高建设质量，确保车站功能分区合理、流线顺畅，各建筑物充分发挥功能。
3.2 地铁工程建设特点
3.2.1 公共服务性
地铁工程建设大多由政府部门投资，其本身具有突出的公共服务性特点，本质上属于国家经营的产品，并不涉及到其它竞争主体，其在运行过程中可以方便人们的生活，赋予人们更加优质的出行体验。
3.2.2 投入大
结合近年来城市轨道交通建设的实际情况来看，其有着极大的投入，甚至部分地区的地铁建设高达9 亿元/km。此外，地铁建筑建设涉及到较多的内容，这便提高了对于工作人员专业程度和知识储备的要求。而在施工阶段,工作人员不仅面临着施工技术条件的限制，还不可避免地受到主观意识的影响，导致工程项目建设始终面临着一定的不稳定因素。此外，因为施工条件处在地下空间，所以与其它建筑工程相比，具有更高的复杂性，由此造成地铁建筑面临着相对较长的施工工期。
3.2.3 施工难度高
在针对地铁建筑展开设计工作的过程中，若想从源头上保障交通的便利性，往往会将施工地点放在交通更加通畅的区域，并确保其更靠近交通网的中心区域，有着更为密集的人员流动。此外，地铁轨道长度较长，施工阶段涉及到多种地下设施、地下管道以及建筑物，这对于施工人员本身的施工水平提出了极高的要求。除此以外，由于地铁建筑大多位于地下，所以施工人员在施工过程中需要在保障建筑结构稳定性的基础上保护施工人员的安全，这也进一步提高了施工的难度。
3.3 精细化设计准备
按照设计要求，应提前做好BIM软件选择，确保可以顺利汇集工程各种信息，支持各参与方导入、提取和更新信息，协同开展设计活动。根据地铁项目各参建方习惯使用二维制图软件的情况，选用Revit 软件实现地铁精细化设计，需尽快确立统一设计标准，要求各专业通过BIM 平台上传和保存文件，确保各方适应新的软件制图方式，实现文件及成果的轻量化交付，实时更新工程信息[3]。
应用BIM 技术，要求构建地铁建筑三维信息模型，通过碰撞检测、施工模拟等方式确认工程性质和解决设计难题，将设计方案和具体建筑物对比，确认差距并改进设计方案。采取立体、平面等形式对建筑进行整体构造，提升建筑功能性，并通过模拟分析科学确定电能等资源分布位置，实现地铁建筑结构优化，生成具有较强可行性的施工方案和图纸。利用BIM技术辅助完成车站建筑二维设计，将图纸导入到平台中后，能够生成集建筑、结构、机电等专业为一体的总装模型，如图2所示。
图2 地铁车站建筑总装模型
地铁各标段由车站和区间构成，在文件夹下对各标段车站设置独立项目名，按照顺序排序，各车站文件目录下包含二维图纸、BIM 模型、修改意见单及模型、成果文件等。通过编写样本文件，提出明确模型样式、绘制方式、成果输出等规则，帮助各方理解模型组成，确保各方顺利沟通，协同开展建筑设计工作。
3.4 精细化设计实施
3.4.1 三维可视化设计
在地铁精细化建筑设计上，首先通过创建族样本文件夹将系统文件和3D 模型结合，完成车站建筑总体建模，实现建筑全面设计。根据车站特点划分为主体建筑和附属建筑，根据出图习惯设置平面模型和立面模型。根据车站形式和轨面标高，将主体模型划分为底板层、站台层、顶板层等多个平面，附属建筑划分为风亭、出入口等，各自单独列为一个子集。
在此基础上，对模型元素信息进行划分，包含位置、类型、构造等几何信息和名称、权属、分部分项等非几何信息。通过对构件信息进行命名和编号，根据各专业提供的阶段性图纸和相关资料建立节点模型（见图3），包含站厅等建筑物的三维可视化图形，标注准确位置，呈现整体外形和尺寸关系，为确认各建筑物间的相对关系提供支持[4]。将空间关系当成是表达重点，对设计方案的合理性展开分析，实现建筑布局优化。
图3 车站建筑节点模型
应用BIM 模型进行车站建筑三维可视化设计，应确保图纸、资料的准确性，利用各专业修改后的内容进行建模，在生成车站、停车场等建筑物模型的同时，对区间配套环境进行分析，显示施工区域内重要构筑物，如地下隧道、市政管道等。通过深化图纸内容，高精度展现建筑物和周围环境关系，对建筑体量、外形和空间构成等展开分析，提升模型精细度，精准表达区间隧道、车站等各部分结构限界，准确显示车站区间结构、附属结构等建筑物结构轮廓，确保最终输出结果不会出现各部分建筑物相互干涉问题，并且最大限度消除环境因素给工程施工带来的影响[5]。
在三维可视化分析过程中，不同建筑物对建设技术提出了不同要求，在模型设计过程中需要加强检验测试，从基础结构开始对车站自重、地基承载力等进行分析，确认各项参数得到合理设置，避免因建立模型不合理导致结果出现偏差。
在对换乘车站进行可视化设计时，通过输入车站规划相关图纸，如出入口方案、环境地质勘查报告等，建立交通组织和管线改迁模型。工作人员可以通过BIM 技术的应用优化地铁管线铺设形式，充分同管线铺设的各项参数相结合，在此基础上展开三维模拟仿真设计，进而使得管线的连接情况和走向能够达到可视化建设的效果。此外，工作人员应当针对管线铺设形式展开碰撞检测工作，进而在原有的基础上对设计方案采取相应的修改措施，这样便可以在极大程度上提高管线铺设效果的提升，将其作为参考开展管线安装工作，从根本上促进安装质量的提高，并减少其中不必要的人力物力成本投入。
3.4.2 建筑协同化设计
应用BIM 技术打造协同设计平台，同步面向各专业开放模型修改权限，确认各专业能够同时接受信息，对专业设计内容进行实时完善，解决各专业交流不畅等问题，避免出现缺、漏、错等情况，有效提升建筑设计的精准度和效率。
模型由不同专业总装得到，由各专业按统一层级进行构件命名和顺序排列。将车站划分为高架站、浅埋车站等类型，将用房划分为车库、主变电等类型，然后划分为站厅层、站台层等层别，进一步完成构件定义。
构件作为图元组，包含图形、参数属性，如墙构件划分为防火分区隔墙、防火墙、普通墙等类型，包含尺寸、所属位置等信息。各专业通过族库调用构件模板后，可以通过修改相关信息创建新构件，生成二维图确认标注比例等信息是否符合规范，然后生成三维形体确认建模精度符合要求。
通过对车站建筑主体模型的细部构件进行完善，如门窗洞口等，通过碰撞检查确认是否存在空间冲突。
在工程设计实践中，将车站样本模型交由各专业人员制作同比例缩小实体模型，各专业单独出具图纸，将BIM 模型当成是中心链接各自图纸，完成建筑结构阶段性设计。针对管线等隐藏结构，可采用虚拟三维方式展示。通过将各专业结构模型上传，对建筑结构模型进行更新和丰富，可以确认结构是否存在冲突。对建筑横断面模型展开分析，需采用Midas 模型进行结构受力检验，
如在建筑结构协同设计方面，需要将边界条件等信息输入到Revit 软件中计算，直接在三维模型中对各部分结构进行拆分，由各自专业进行结构设计和验算，缩短各专业设计车站建筑需要的时间。添加材质标定、荷载工况等信息，可以在BIM 软件中生成新的结构模型，方便各专业自主调整模型结构数据。在各专业模型建成后，可以实现相互补充，如利用结构专业模型展开分析，能够确定站厅层、站台层等各层装修面高度，利用软件开孔工具直接开设楼梯孔、风孔等，利用元器件库布置风机、风管、弱电设备、电梯等设施，如图4所示。经过各专业协同设计，初步形成完善后的建筑三维模型，方便各专业相互检查，为最终输出设计成果提供保障。
图4 房间设备布置
基于BIM 技术展开地铁建筑设计工作，能够从各个施工环节着手促进BIM 技术的高效落实，在参建单位同各个部门之间创建深入沟通和交流的平台，确保各个单位和部门之间能够就各种现实问题进行及时沟通，在原有的基础上促进各单位和部门之间协同配合程度的提升，进一步促进建筑工程建设效果的提高。除此以外，各部门可以利用BIM 技术对其自身所承担的职责和分工进行明确，真正将责任落实到每一个工作人员身上，妥善完成好本职工作，支撑各个部门整体的持续稳定运行，提高工程整体建设效率，为地铁建筑建设能够满足安全性和稳定性的要求奠定坚实的基础，不断推动施工过程的优化与完善。
3.4.3 工程参数化设计
在地铁建筑设计上，应用BIM 技术不仅需要罗列三维对象，还需通过参数化设计全面显示工程相关信息，配合进行三维施工模拟，以便结合现场实际情况对设计方案进行持续优化和改进。
在建筑结构和功能复杂的情况下，需设置复杂运行参数，包含材料特征、设计属性等。如在地铁扶梯设计上，需标注坡度、标高等信息。通过建立扶梯模型，后续通过调整参数即可进行精准计算，自动调整模型相关参数。
在完成参数化设计后，利用Revit软件进行切图，能够对局部模型进行调整，生成相关文件，在新平面图上标注尺寸和文字说明，添加到工程总平面图中获得完整图纸。根据BIM出具的图纸，通过加入相关信息说明可以对关键部分模型信息进行准确区分，确保设计人员能够加强关键部位检查检测，通过施工模拟方式及时发现问题，有效提升设计数据处理和分析效率。
在BIM 系统中，全部图纸数据能够实现同步更新，如在二维图纸发生变更后，将同时对三维模型参数进行调整。将工程设计成果和成本管理等工作联动，发现任意环节出现数据错误能够做到快速反应，通过生成新的数据参数加强工程信息统计，做到精准测量工程量和成本，为加强工程动态管理提供支持。
对照工程参数化设计结果，将BIM 软件和EXCEL 结合在一起，能够对各分部分项工程的工程量和施工成本进行统计、分析，系统化开展地铁建筑施工管理工作。具体来讲，就是利用BIM 模型组织和存储工程相关信息，自动提取工程量明细表，完成各专业材料量汇总和测算。在直接修改模型的情况下，相关明细表中的数据也将随之更新，重新进行施工成本核算。通过BIM 技术的应用实施地铁精细化建筑设计能够将Auto CAD 软件和EXCEL 有效结合起来，形成二者良性互动的局面，确保各项工作之间的高效衔接。与此同时还能够在模型的基础上直接进行施工成本计算以及工程量计算。在BIM 技术的影响下，模型中所设计到的工程量信息更加系统化和丰富化，有助于进一步提高工程量计算以及施工成本核算的准确性和有效性。一旦发现数据存在错误，模型便能够第一时间做出反应并采取相应的修改措施，对地铁工程明细表展开实时动态的更新，同时还能够更加方便地导出数据内容，有助于提高数据分析处理的质量和效率。
通过精细化建模，生成可靠数据信息，能够辅助人员加强现场材料、设备等各方面跟踪管理，实现全流程数据记录，为落实项目全生命周期管理工作提供保障。
BIM 技术具有较强模拟性、优化性、协调性等优势，能够为解决地铁建筑设计难题提供有效方法和思路。通过应用BIM 技术实现建筑布局、结构等各方面设计，提升建筑设计精细化水平，为后续施工活动高效、高质量开展提供保障。在地铁建筑设计实践中，通过合理选择BIM 软件做好精细化设计准备，然后通过导入工程图纸等信息生成参数模型，全方位展示建筑结构立体关系，优化建筑布局，同时通过生成结构计算模型实现协同设计。根据分析结果生成明细表和施工图，对各分项建筑的工程量、成本等信息展开精准分析，可以全面推动工程建设发展，为提升地铁建筑设计水平提供支撑。
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