田辰右

（中鐵上海設(shè)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(yè)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(zhì)、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(xié)調(diào)好各專業(yè)人員，使其能夠高度協(xié)作，確保各項施工內(nèi)容有序、高效地開展是關(guān)鍵。引入BIM 技術(shù)進行地鐵車站設(shè)計，不僅在優(yōu)化設(shè)計方案、模擬管線敷設(shè)方面有積極作用，還能顯著提高整體施工效率。

1 傳統(tǒng)Auto CAD 設(shè)計軟件在地鐵設(shè)計中的弊端

1.1 復雜空間效果表現(xiàn)能力差

由于Auto CAD 設(shè)計軟件是基于2D 線條進行設(shè)計，圖紙通常以二維的方式呈現(xiàn)，相較于平面，這種呈現(xiàn)方式有更好的表達效果，但在豎向空間關(guān)系的表現(xiàn)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(guān)系復雜，而且很多管線存在保溫層、隔熱層等外部構(gòu)造，傳統(tǒng)的2D 圖紙難以清晰、準確地將上述關(guān)系表現(xiàn)出來。在此背景下，以二維設(shè)計軟件為設(shè)計工具，協(xié)調(diào)各專業(yè)管線設(shè)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(zhì)版施工圖紙，以及CAD、PDF 等格式的圖紙。但在一些復雜節(jié)點的施工中，如站內(nèi)管線，往往一個位置存在若干層，而每一層的管線構(gòu)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(shù)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(jié)合施工經(jīng)驗展開作業(yè)。局部復雜的節(jié)點，僅通過圖紙無法真正指導施工，往往需要設(shè)計人員就圖紙內(nèi)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(shè)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(jié)點發(fā)生調(diào)整，就需要各專業(yè)去修改此節(jié)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(xié)同設(shè)計能力

地鐵工程涉及二十幾個專業(yè)，目前各專業(yè)繪制圖紙的過程均是相對獨立的。一般是先根據(jù)基礎(chǔ)資料繪制本專業(yè)二維圖紙，再提給其他專業(yè)，之后通過其他專業(yè)的反饋，對二維圖紙進行修改。此方式設(shè)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(shù)在地鐵車站設(shè)計中的優(yōu)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(shù)可以以三維形式進行編輯，可以非常直觀地將建筑物的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、管線相對位置關(guān)系等呈現(xiàn)出來。地鐵車站規(guī)模較大，內(nèi)部房間眾多，功能分區(qū)復雜，各專業(yè)管線更是縱橫交錯，體量十分龐大。面對這類復雜的構(gòu)造，在傳統(tǒng)的二維設(shè)計中，設(shè)計者往往需要在頭腦中想象空間關(guān)系，再按照規(guī)則繪制成二維圖紙，對設(shè)計人員的空間想象力與相關(guān)工程經(jīng)驗的要求較高，設(shè)計過程中容易出錯。而借助BIM 技術(shù)，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(shè)計質(zhì)量的提高。

2.2 具有較強的同步協(xié)調(diào)性

BIM 技術(shù)主要依托于計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各專業(yè)設(shè)計人員在BIM 模型中進行修改，再通過互聯(lián)網(wǎng)進行同步，就能夠?qū)崿F(xiàn)快速協(xié)調(diào)作業(yè)，較傳統(tǒng)的設(shè)計方式更高效。同時，BIM 技術(shù)能與數(shù)據(jù)庫相通，遇到施工較為困難的路段時，可以利用數(shù)據(jù)庫互通的形式協(xié)調(diào)多隊施工人員，進而大大提高施工作業(yè)的準確性、可靠性，有效縮短施工周期，保證施工質(zhì)量。

2.3 模擬性

利用BIM 技術(shù)，不僅可以模擬設(shè)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(shè)計階段，可以利用BIM 技術(shù)模擬客流情況；在施工階段，可以利用BIM 技術(shù)進行4D 模擬，即根據(jù)施工組織設(shè)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(xù)施工；還可以利用BIM 技術(shù)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(shù)模擬日常緊急情況的處理方式，如模擬發(fā)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(guī)模更大，建設(shè)周期更長。一條地鐵線路的建設(shè)投資通常達上百億，建設(shè)周期一般為3～5年，甚至更長[3]。地鐵一般位于主城區(qū)，周邊建筑密集、地下管線眾多，工程結(jié)構(gòu)風險和工程環(huán)境風險都很大。地鐵建設(shè)涉及多個參與方，如建設(shè)方、施工方、設(shè)計方、監(jiān)理方，還有相關(guān)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(xié)調(diào)難度非常大。地鐵投入運營后，運營企業(yè)的工作量也很大。地鐵是承擔市內(nèi)交通運輸任務(wù)的主要工具之一，地鐵運營企業(yè)不僅要為公眾提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，還要保證公眾的安全出行，其間需要各專業(yè)系統(tǒng)內(nèi)30 多項不同的專業(yè)設(shè)備設(shè)施正常、協(xié)調(diào)運行。在傳統(tǒng)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(shù)，則可基于三維數(shù)字設(shè)計和工程軟件構(gòu)建可視化的數(shù)字模型，同時能集成子系統(tǒng)信息，可以為建設(shè)、設(shè)計、施工及運維單位等各方提供“模擬+分析”的統(tǒng)一協(xié)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(shè)計、施工與運營各個階段都能有效節(jié)約成本、提升效率、提高質(zhì)量。

3 BIM 技術(shù)在地鐵車站設(shè)計中的應用方式分析

從整體來看，BIM 技術(shù)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(shè)計、施工、管理效率，提高工程整體質(zhì)量。但地鐵車站項目更為復雜，具有涉及專業(yè)多、參與方多、接口多、協(xié)調(diào)工作量大等特點，因此BIM 技術(shù)在其中有更大的應用空間。BIM 技術(shù)在地鐵車站項目設(shè)計環(huán)節(jié)的應用主要有以下幾個方面。

3.1 用于各專業(yè)模型整合及碰撞檢測

在各專業(yè)的二維圖紙具備一定的深度后，可通過BIM 技術(shù)，將所有專業(yè)的內(nèi)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(shù)的碰撞檢測功能，就能夠?qū)崿F(xiàn)對管線碰撞問題及土建結(jié)構(gòu)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(jié)點、涉及專業(yè)、具體的空間關(guān)系等；在土建方面，不僅可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁柱、門窗洞口等沖突的位置，也可以對復雜節(jié)點位置進行檢測，在二維圖紙中不易表現(xiàn)的形體在模型中可以非常直觀地呈現(xiàn)出來，便于設(shè)計人員對建筑細部節(jié)點進行優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)的檢查方式，基于BIM 技術(shù)的碰撞檢測方式速度更快、精度更高，能夠顯著提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。

3.2 用于協(xié)調(diào)各專業(yè)的設(shè)計過程

相較于傳統(tǒng)的設(shè)計方式，BIM 技術(shù)能更好地整合地鐵車站項目的各個專業(yè)，除了傳統(tǒng)設(shè)計中涉及的建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電力、環(huán)控外，還能有效整合與地鐵運營有關(guān)的配套專業(yè)，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(yè)之間進行大量的溝通和反復的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)協(xié)同設(shè)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(shè)計系統(tǒng)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(shè)計中的聯(lián)動較為被動，非常容易出現(xiàn)專業(yè)間的接口出現(xiàn)偏差的情況，會降低工作效率，也不利于成果質(zhì)量控制。而利用BIM 技術(shù)，可以有效整合各專業(yè)設(shè)計，如利用BIM 中央系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫進行交互，即可實現(xiàn)各專業(yè)的高度協(xié)同設(shè)計[4]。在不同專業(yè)間、不同建設(shè)參與方的溝通方面，利用BIM 技術(shù)可使問題的呈現(xiàn)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(shè)計質(zhì)量。

在施工過程中，工程中所涉及的所有標高、外形、材質(zhì)等，即與施工直接相關(guān)的數(shù)據(jù)資料都可以在BIM模型中進行篩選調(diào)用，這種數(shù)據(jù)共享方式具有較強的直觀性，施工人員和設(shè)計人員能夠一目了然，從而實現(xiàn)設(shè)計與施工的有效協(xié)調(diào)。施工技術(shù)人員還可利用BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)集成程度高的特點，這種直觀性強的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的二維圖紙而言無疑具有顯著的優(yōu)勢，現(xiàn)場施工人員基于BIM 系統(tǒng)對施工設(shè)計進行了解后，就能夠全面了解施工難點、設(shè)計人員的設(shè)計理念等內(nèi)容，進而高效地完成設(shè)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(zhuǎn)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(jù)實際施工情況，還要分別繪制各個專業(yè)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(shù)，在完成模型建立、滿足專業(yè)要求、碰撞修改后，利用導出二維CAD 圖的插件，統(tǒng)一設(shè)置好圖框、圖層、線性等出圖標準，即可批量生成繪制標準統(tǒng)一、繪圖規(guī)范的圖紙，后續(xù)如需調(diào)整，根據(jù)實際的工程情況，對一些細部標注進行調(diào)整即可及時完成圖紙修改，不僅能大大降低設(shè)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(fā)現(xiàn)設(shè)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(xiàn)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(shè)計變更，大大提高了設(shè)計效率，節(jié)約地鐵設(shè)計施工的成本，兼顧了經(jīng)濟效益和設(shè)計效率，因此應用BIM 技術(shù)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(guī)模較大，地下車站基坑深度較大，同時多位于市區(qū)繁華街道，周邊環(huán)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(shù)，按照施工方案反復模擬施工過程，能在這一過程中發(fā)現(xiàn)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(diào)整和修改，提前制訂應對措施，進而優(yōu)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(shè)備投入計劃，節(jié)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(shù)的應用局限性分析

雖然BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程設(shè)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(shù)的進一步發(fā)展和應用。目前，BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程設(shè)計中的應用局限性體現(xiàn)在如下幾個方面。

4.1 缺失統(tǒng)一的BIM 技術(shù)標準

在BIM 技術(shù)應用方面，目前普遍存在各自為營的現(xiàn)象，即不同的BIM 生態(tài)只關(guān)注與自身領(lǐng)域相關(guān)的配套技術(shù)的發(fā)展，未能朝著標準統(tǒng)一化的方向發(fā)展。相較于國外，我國的這一發(fā)展現(xiàn)狀顯然不利于BIM 技術(shù)在地鐵車站設(shè)計及其他相關(guān)領(lǐng)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(shù)發(fā)展不健全

目前，我國的許多BIM 配套設(shè)備及核心建模軟件的發(fā)展尚不完善，導致BIM 技術(shù)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(fā)專業(yè)的配套軟件，以滿足日常工作中的使用需求。

4.3 專業(yè)人才的缺失

此外，我國存在BIM 技術(shù)人才短缺的問題[6]。目前，我國各大高校有關(guān)BIM 技術(shù)的課程開設(shè)不足，真正全面掌握BIM 技術(shù)的專業(yè)性人才少之又少，多是對BIM 技術(shù)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(guān)人才的培養(yǎng)力度，企業(yè)也要重視對相關(guān)人員的培養(yǎng)，進而全面提高BIM 技術(shù)在地鐵車站設(shè)計及其他相關(guān)領(lǐng)域的應用效果。

5 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的CAD 設(shè)計模式，BIM 技術(shù)無疑具有更多優(yōu)勢，不但能為各單位之間的協(xié)同配合提供一個開放平臺，還能有效節(jié)約設(shè)計時長，提高設(shè)計圖紙的準確度與精確度，進而大大提高施工質(zhì)量。但BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程領(lǐng)域的應用方面，也暴露出了一些問題，如缺乏統(tǒng)一標準，專業(yè)配套設(shè)備與軟件尚不健全，專業(yè)人才相對不足等。因此，為進一步發(fā)揮BIM 技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)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(shè)備與軟件，加大專業(yè)人才培養(yǎng)力度等，以促進我國交通事業(yè)的發(fā)展。