劉波

摘 要：為探究現(xiàn)階段建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)在我國(guó)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，運(yùn)用協(xié)同設(shè)計(jì)與中心文件設(shè)計(jì)構(gòu)建地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型。以Revit和Midas Gen 2019設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)模型的受力計(jì)算模型，通過(guò)BIM模型設(shè)計(jì)對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用效益進(jìn)行分析。研究證明，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有科學(xué)依據(jù)且可行，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供幫助。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型（BIM）;地鐵車(chē)站;受力計(jì)算模型;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0090-04

Application Analysis of BIM Technology in Structural Design of Subway Station

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113122）

Abstract： In order to explore the application of BIM technology in the structural design of subway stations in China at the present stage， the structural model of subway stations is constructed by using collaborative design and central document design， the stress calculation model of the structural model is designed by Revit and Midas Gen 2019， and the application benefits of BIM technology are analyzed through BIM model design. The research shows that the structural design of subway station based on BIM technology is scientific and feasible， and the research results can provide help for relevant projects.

Keywords： Building Information Modeling（BIM）;subway station;the stress calculation model;structural design

本文將以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)某地鐵車(chē)站工程進(jìn)行BIM模型協(xié)同設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真模擬方式大致相同，均需要利用軟件對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行可行性模擬，然后利用計(jì)算軟件和BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站臺(tái)結(jié)構(gòu)模型的全方位協(xié)同設(shè)計(jì)。從構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程中可以看出，BIM技術(shù)能夠?qū)⒄麄€(gè)設(shè)計(jì)方向與力學(xué)結(jié)構(gòu)在虛擬模型中進(jìn)行展示。技術(shù)人員通過(guò)BIM技術(shù)可以有效縮短常規(guī)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)長(zhǎng)，提升分組設(shè)計(jì)的工作效率，避免手動(dòng)設(shè)計(jì)易出現(xiàn)的漏洞。

1 BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)因具有模擬性、優(yōu)化性以及出圖性等基本特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可行性模擬、結(jié)構(gòu)受力計(jì)算以及設(shè)計(jì)信息綜合等任務(wù)。

1.1 BIM技術(shù)的模擬性

將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可進(jìn)行日照模擬、節(jié)能模擬以及緊急疏散模擬等設(shè)計(jì)，達(dá)到減少污染、節(jié)約資源以及確保工程建設(shè)安全的目的。BIM技術(shù)可進(jìn)行4D施工模擬，以判斷施工方案、工程建設(shè)以及施工進(jìn)度等是否合理。另外，BIM技術(shù)還能夠以3D模型為基礎(chǔ)進(jìn)行造價(jià)控制，方便財(cái)務(wù)人員快速計(jì)算出臨時(shí)設(shè)計(jì)變更造成的工程成本，并快速生成變更后的工程預(yù)算，從而及時(shí)有效地控制工程成本。

1.2 BIM技術(shù)的優(yōu)化性

BIM技術(shù)能夠優(yōu)化項(xiàng)目方案，將投資回報(bào)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)合，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)建筑設(shè)計(jì)或某些不可抗拒因素影響施工計(jì)劃設(shè)計(jì)后對(duì)投資回報(bào)帶來(lái)的影響，從而通過(guò)對(duì)比不同方案為招標(biāo)者提供最優(yōu)方案。此外，利用BIM技術(shù)可以對(duì)特大建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行優(yōu)化，顯著縮短工期和實(shí)現(xiàn)造價(jià)改進(jìn)。

1.3 BIM技術(shù)的出圖性

BIM技術(shù)可設(shè)計(jì)出三維可視化的虛擬建筑模型，經(jīng)軟件協(xié)調(diào)、模擬和優(yōu)化后，能夠幫助設(shè)計(jì)方生成施工圖、綜合管線圖、結(jié)構(gòu)留洞圖、碰撞檢查、偵錯(cuò)報(bào)告以及改進(jìn)方案等，同時(shí)可利用計(jì)算插件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖的參數(shù)標(biāo)注、結(jié)構(gòu)劃分以及圖層分解等功能。BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用是解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與大型地下結(jié)構(gòu)的重要方法，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然選擇。

2 以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心價(jià)值在于，BIM技術(shù)能夠在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的全面共享，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造以及管理等方面的規(guī)范性[1]。Midas Gen 2019（下文簡(jiǎn)稱(chēng)Midas）與Revit是BIM技術(shù)構(gòu)建的核心建模與計(jì)算軟件，在分析BIM技術(shù)在地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，需要結(jié)合該軟件的計(jì)算數(shù)據(jù)佐證BIM技術(shù)應(yīng)用分析的科學(xué)性。以鏈接模式協(xié)同設(shè)計(jì)與中心文件實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)模式構(gòu)建地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型[2-3]，運(yùn)用Midas與Revit對(duì)模型受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 鏈接模式協(xié)同設(shè)計(jì)

以某地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為例，在BIM軟件中進(jìn)行地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型的鏈接式協(xié)同設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入BIM軟件中，可得地鐵車(chē)站的三維結(jié)構(gòu)樣板模型，如圖1所示。

將上述地鐵車(chē)站樣板模型交由相關(guān)人員制作同比例縮小的實(shí)體模型、平面剖切模型和側(cè)面剖切模型。該模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為3大類(lèi)，分別為建筑結(jié)構(gòu)主體的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑墻體、地板和采光等設(shè)計(jì)，照明、通風(fēng)、消防以及美化裝飾等設(shè)計(jì)。在鏈接模式的協(xié)同設(shè)計(jì)中，需要將上述3類(lèi)設(shè)計(jì)方向分別分配給不同的專(zhuān)業(yè)人員，每個(gè)設(shè)計(jì)均需要單獨(dú)出設(shè)計(jì)圖紙，并以BIM軟件為協(xié)同中心鏈入各自的設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的階段性設(shè)計(jì)。在鏈接模式協(xié)同設(shè)計(jì)中可以將管線單獨(dú)設(shè)計(jì)為一個(gè)模型，將實(shí)體模型中無(wú)法制作的隱藏結(jié)構(gòu)以虛擬三維模型的方式展現(xiàn)，以便其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考設(shè)計(jì)。搭建完成的地鐵車(chē)站實(shí)體模型與剖切模型分別如圖2和圖3所示。

2.2 中心文件協(xié)同設(shè)計(jì)模式

2.2.1 中心文件協(xié)同設(shè)計(jì)。中心文件協(xié)同設(shè)計(jì)需要將互聯(lián)網(wǎng)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的媒介統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以規(guī)范多專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在該設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可打破地域和時(shí)間的限制，隨時(shí)在BIM軟件中獲取最新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。同理，設(shè)計(jì)小組可以將設(shè)計(jì)隨手保存在BIM軟件中，避免圖紙式設(shè)計(jì)的麻煩[4]。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，中心文件協(xié)同設(shè)計(jì)模式可將整個(gè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行拆分，由團(tuán)隊(duì)組長(zhǎng)對(duì)分解設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分工。團(tuán)隊(duì)小組成員接收并明確所承擔(dān)的任務(wù)后，即可視為整個(gè)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)始。每個(gè)設(shè)計(jì)小組可以將設(shè)計(jì)完成的結(jié)構(gòu)模型上傳至中心文件，不斷豐富地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)所有設(shè)計(jì)完成后，由團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而解決一些設(shè)計(jì)沖突或者設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題[5]。

2.2.2 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)建模。以上述設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，利用BIM軟件對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。先由小組分工設(shè)計(jì)的方式構(gòu)建地鐵車(chē)站站臺(tái)模型的本地文件，再由結(jié)構(gòu)師啟動(dòng)本地文件將中心模型上傳至本地文件。此時(shí)，團(tuán)隊(duì)中所有設(shè)計(jì)人員均可以在BIM軟件中找到該文件并保存使用。地鐵車(chē)站站臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

結(jié)構(gòu)師需要以建筑師構(gòu)建的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。以建筑站臺(tái)模型為例，結(jié)構(gòu)模型站臺(tái)的建模設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)方面。一方面，需要結(jié)構(gòu)師將建筑站臺(tái)的底板、中板和外墻等設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到本地文件，按結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)或優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)模型。另一方面，需要結(jié)構(gòu)師對(duì)建筑師設(shè)計(jì)建筑模型中不存在的結(jié)構(gòu)如梁、柱和矮墻等部分進(jìn)行完善。該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，由結(jié)構(gòu)師保存到本地文件并上傳至BIM軟件內(nèi)的中心文件。地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

完成該部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，由建筑師同步BIM軟件上的中心文件，在地鐵車(chē)站站臺(tái)模型的基礎(chǔ)上對(duì)站廳層進(jìn)行設(shè)計(jì)，并時(shí)刻更新由結(jié)構(gòu)師在BIM軟件上發(fā)送的設(shè)計(jì)構(gòu)件更新申請(qǐng)。當(dāng)建筑師完成站廳層的建筑設(shè)計(jì)后，需將設(shè)計(jì)保存在本地文件并上傳至BIM軟件的中心文件。此時(shí)，結(jié)構(gòu)師可以通過(guò)更新中心文件的方式獲取站廳層設(shè)計(jì)模型，利用BIM軟件對(duì)兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到一個(gè)完整的地鐵車(chē)站建筑模型，如圖6所示。在圖6模型的外側(cè)加裝圍護(hù)機(jī)構(gòu)，可得到此時(shí)地鐵車(chē)站的三維BIM模型，如圖7所示。

3 利用BIM技術(shù)對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算

為簡(jiǎn)化地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型受力結(jié)構(gòu)，降低模型量計(jì)算難度，本文將以圖6模型中一處結(jié)構(gòu)的縱切段為基礎(chǔ)，運(yùn)用BIM技術(shù)生成該建筑的二維結(jié)構(gòu)模型和三維結(jié)構(gòu)模型，利用Midas和Revit對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)與受力的檢驗(yàn)分析[6]。

3.1 二維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在分析二維橫斷面模型時(shí)，需要將承重柱的受力情況進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，將其視為承重墻或二維結(jié)構(gòu)中的中墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。運(yùn)用Revit軟件對(duì)承重柱和承重梁進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，需要將柱、梁簡(jiǎn)化成柱單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[7]，承重墻和地板等主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為板單元進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該二維截?cái)嗄Ｐ偷挠?jì)算單元類(lèi)型，可在BIM軟件中使用柱構(gòu)建維護(hù)結(jié)構(gòu)、柱和主體墻，用梁構(gòu)建模型的頂板、中板和底板。以圖6地鐵車(chē)站中間橫斷面為標(biāo)準(zhǔn)，向縱向延伸1 m作為結(jié)構(gòu)分析的框架模型。在二維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，如何計(jì)算中柱問(wèn)題是整個(gè)計(jì)算中的難點(diǎn)。若直接選取中柱剛度等效轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的中柱完全不符合實(shí)際情況。為此，需要利用Revit軟件在二維結(jié)構(gòu)模型中柱的同一位置構(gòu)建兩種不同大小的結(jié)構(gòu)柱。其中：柱子A的尺寸應(yīng)當(dāng)與原結(jié)構(gòu)柱的實(shí)際尺寸相等，并以原數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的縱斷面受力計(jì)算;柱子B的尺寸應(yīng)當(dāng)為剛度等效轉(zhuǎn)化后中墻延伸米數(shù)的尺寸，并選取橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[8]。針對(duì)只計(jì)算橫斷面參數(shù)的柱子而言，同樣需要采取在結(jié)構(gòu)柱中添加中柱的方法獲取二維模型的參數(shù)信息，然后將中柱的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Midas，利用BIM軟件在三維結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上生成二維結(jié)構(gòu)截?cái)嗄Ｐ?，如圖8（a）所示。隱藏圖8（a）中其他結(jié)構(gòu)后，可得到二維框架計(jì)算與分析模型，如圖8（b）所示。

3.2 三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

利用鏈接模式協(xié)同設(shè)計(jì)的地鐵車(chē)站BIM結(jié)構(gòu)模型不會(huì)涉及權(quán)限問(wèn)題，因此可以在三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中直接將地鐵車(chē)站BIM模型進(jìn)行不同程度的拆分，并分給小組成員進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)的計(jì)算。為方便計(jì)算，本文將直接截取車(chē)站的盾構(gòu)擴(kuò)大段作為三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。簡(jiǎn)化后的三維模型可以在BIM軟件中直接生成計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)模型，如圖9所示。利用BIM技術(shù)將該部分結(jié)構(gòu)分析的3D視圖樣板復(fù)制到3D視圖中，可得到擴(kuò)大的三維計(jì)算BIM結(jié)構(gòu)模型，如圖10所示。

由于三維模型計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜，因此需要在BIM軟件中添加幾何模型、材質(zhì)標(biāo)定、邊界條件規(guī)劃、荷載工況計(jì)算以及荷載值計(jì)算等插件，以精準(zhǔn)計(jì)算出車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。因?yàn)镽evit軟件的綜合能力較弱且集成化能力較低，所以三維模型結(jié)構(gòu)計(jì)算中只將輔助幾何模型、材質(zhì)標(biāo)定、荷載工況以及荷載組合等數(shù)據(jù)參數(shù)輸入Revit軟件進(jìn)行計(jì)算，將邊界條件與荷載計(jì)算輸入到Midas中進(jìn)行計(jì)算[9]。BIM技術(shù)在地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以有效縮短設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)車(chē)站結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與計(jì)算流程。例如，在上述三維模型的設(shè)計(jì)計(jì)算與數(shù)值標(biāo)定工作中，只需將盾構(gòu)擴(kuò)大段的BIM計(jì)算模型上傳至Midas中即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算和數(shù)值標(biāo)定等，同時(shí)Midas會(huì)增加數(shù)據(jù)模型設(shè)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元，方便各項(xiàng)數(shù)據(jù)的定義與自主調(diào)整。經(jīng)BIM技術(shù)計(jì)算的三維地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)因具有高度兼容性和出色的計(jì)算能力被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在利用協(xié)同設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程中，幾乎所有操作都需要圍繞BIM軟件來(lái)開(kāi)展，即以BIM軟件為主要平臺(tái)進(jìn)行地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息交流。BIM技術(shù)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的漏洞與缺陷。BIM軟件中擁有設(shè)計(jì)報(bào)錯(cuò)的功能，如果輸入?yún)?shù)或設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的問(wèn)題就會(huì)顯示信息錯(cuò)誤，從而提醒設(shè)計(jì)人員該部分設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，有效避免現(xiàn)階段建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)一步錯(cuò)步步錯(cuò)的嚴(yán)重問(wèn)題。

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