BIM技术在轨交设计中的应用

　　5 BIM 在城市轨道交通项目进度管理中的应用

　　5 Schedule Management of Urban Rail Transit ProjectBased on BIM Technology.

　　城市轨道交通项目建设往往会穿越城市繁华地区，商业、交通繁忙，地面建筑物众多，其施工过程势必会影响正常的城市交通，故其在建设期间往往会加重城市交通拥堵状况，增加城市交通压力。故如何缩短建设周期成为城市轨道交通项目建设亟待解决的问题。

　　在城市轨道交通工程中，施工时间最长，施工费用最大的工程即为车站工程。特别是城市轨道交通区间隧道引进盾构法施工后，因盾构法施工速度快，区间隧道施工速度与地铁车站施工速度快慢不对称的矛盾尤为突出。因此，要加快城市轨道交通建设速度和节省工程投资，就是如何优化设计和选用技术先进、经济合理的施工方案，从而降低城市轨道交通车站工程的造价和缩短施工工期[73].本章将从优化设计和选择合理的施工方案两方面对 BIM 技术在城市轨道交通项目车站工程进度管理中的应用进行研究。

　　5.1 BIM 技术在设计中的应用（Implementation of BIM Technology inDesign）。

　　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，传统的CAD 设计出的 2D 图纸冗繁、错误率高、变更频繁，协作沟通困难，更难以实现信息在整个设计过程的集成和闭环，给设计施工带来了很多不必要的麻烦。

　　而建筑信息模型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、施工图设计、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，显着提高设计乃至整个工程的质量和效率。

　　当设计师釆用 BIM 软件工具来进行设计时，会体会到与使用传统二维绘图软件或者单纯的三维模型软件有很大的不同。BIM 所建立的模型不再是以点、线这些简单的几何对象所组合而成的独立的平面图形，而是以门、窗、梁、柱等包含丰富参数和信息的构件所搭建的三维参数化信息模型。这个模型包含了丰富的设计信息，是由庞大的数据库组成的。基于 BIM 技术的整个设计过程就是不断完善和修改各种建筑的信息和构件的参数，真正的实现参数化设计[74].

　　5.1.1 优化设计。

　　（1）合理的前期规划。

　　城市轨道交通项目前期规划阶段，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、环境保护等。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。

　　（2）准确快捷地绘制 3D 模型。

　　传统模式下，建筑师根据自己的职业想象力来构筑心中的建筑物，然后描绘出草图，再通过草图来绘制平立剖面图，最后请专业人士根据多个 2D 图纸建模渲染，绘制出效果图。对于大型复杂项目，常常会出现最终的效果图与设计师所想象的不一样，这时时间往往不允许他们再去同时修改模型和图纸，这样就导致了经常会出现最终的效果图和平立剖图纸不一致的现象，这种设计模式无法保证设计产品的准确性，妨碍了设计质量的提高。

　　BIM 技术的设计产品均为三维模型，BIM 软件使用者可以直接在 3D 平台上绘制"所见所想即所得"的 3D 虚拟建筑模型，建筑师可以随时看到设计的效果。而且运用 BIM技术的漫游功能，在设计的任何阶段，设计师都可以绕着建筑旋转，观察各个角度的设计效果，或者深入建筑内部，身临其境的感受建筑内部的空间效果，从而确保各个部位的设计效果都准确满意。并且，还可以把建筑放在场地环境中，评价建筑与环境是否融洽，考察建筑与周围环境之间的相互影响。在设计过程中，建筑师可以不断推敲重要的空间元素，判断设计思路是否正确、材料是否合适、颜色是否和谐以及所创造的空间是否与环境相融。基于BIM 技术的虚拟建筑设计极大地解放了建筑师的想象力和创造力，将建筑师从二维图纸中解放出来，保证了设计产品的准确性。

　　在城市轨道交通项目的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，还可结合车站一体化开发的范围、造型等，剖析其功能布局。

　　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。

　　（3）准确便捷的应对设计变更。

　　城市轨道交通工程涉及专业种类繁多、专业接口多，其设计过程是一个反复修改的优化过程，反复的修改和协调工作浪费了设计师大量宝贵的时间和精力。传统的基于二维 CAD 设计方法，最突出的短板就是信息割裂，这样导致的结果就是，设计稍有修改，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。例如：施工图纸设计中，平面图、立面图、剖面图都是分割开来设计的，如果立面图中修改了一个门窗，那就必须在相应的平面图中也进行相应的修改，同时涉及到的工程量变更又得重新计算一次。设计师完成了方案设计和图纸设计后，很大精力都放在了这种类似的小修小改上，设计改动一处付出的代价非常大，而且常常导致设计周期延误和设计成本的增加。如果到施工阶段才发现，便会可能造成变更、返工、资源浪费，很可能影响工期，增加成本，损失更大。

　　BIM 技术彻底改变了这一过程，BIM 模型的图元是基于构件的，各个构件都是基于各种真实的参数创建的，构件与构建之间的区别与联系也是通过参数进行的。BIM 的参数化设计使得 BIM 模型中构件的参数发生变化会引起关联构件参数自动发生相应改变。

　　例如：建筑设计师或工程师们移动、删除构件或者改动了某个构件的尺寸，建筑模型就会自动更新数据信息，而且这种更改是相互关联的，即所有与之相关的参数都会发生相应的变化。任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，而且各个视图也会随着设计的进展和修改而实时更新，毋须再逐一对所有图纸进行修改，且保证了所有图纸的准确性和一致性。这大大减轻了设计师的工作量，把设计师从繁杂的建筑图纸和反反复复修改、再修改中解放出来，节约资源、提高效率、缩短工期、降低成本。

　　（4）多专业协同设计、提高设计质量。

　　传统的工程项目设计模式，通常是各个专业包括建筑、结构、暖通、机械、电气、通信、消防等，独自采用本专业相对应的软件工具分别进行设计，然后各专业再运用CAD 绘图工具进行二维施工图的绘制。这种基于二维 CAD 的设计方法，设计分散、成果集中、需要时协同，简单易行。各专业分开设计，使得信息完全割裂，而且由于反复的人为操作，数据的一致性很难得到保证，各个专业之间极易出现矛盾和冲突。

　　目前设计阶段的协同工作情况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[75].这些都只是设计资料或者成果的互取，并不是真正意义上的协同设计。

　　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。各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，系统会将新创建或修改的信息自动添加到中心文件。各专业都可以在此中心文件中查看其他专业构件的布置及信息，从而实现信息共享。

　　以 Revit 为例，RevitArchitecture 提供了"工作集"协作模式，如图 5-1 所示，此工作集将所有人的修改成果通过网络共享文件夹的方式保存在中央服务器上，并将他人修改的成果实时反馈给参与设计的其他用户，以便所有设计者都可以及时了解他人的修改和变更结果。工作集由项目经理或项目管理者在开始共享工作前设置完成，并保存于服务器共享文件夹中，以确保所有用户均具备可以访问并修改中心文件的权限。例如，结构工程师修改了结构模型中的柱子大小时，相对应的，"工作集"中的与这个柱子先关的数据参数信息也会立即更新，由于这个中心文件将各个专业的模型链接到了一起，这样各个专业的相关信息都会得到更新，这就保证了构件信息的精确性性和一致性，实现信息资源的无缝链接。

　　城市轨道交通涉及近 30 个专业，因而参与到项目设计中的各个专业队伍很多，传统的设计阶段协同工作模式使得信息很难在整个项目中实现集成和形成闭环，因此信息的流失现象严重，造成设计工作的重复和浪费。基于 BIM 技术的协同设计很好的解决了这一问题，将各个专业的设计工作放到一个公共的平台下进行，这样实现了集中设计，各设计人员可以随时进行沟通交流，保证了各专业信息的准确性和一致性，提高设计效率和质量。

　　（5）提高设计图纸的可施工性。

　　设计图纸的实际可施工性低是国内建设项目经常遇到的问题[76].由于专业化程度的提高以及国内绝大多数建设工程所采用的设计与施工分别承发包模式的局限性，设计与施工人员之间的交流甚少，加之很多设计人员缺乏施工经验，故极易导致施工人员难以完全理解施工图纸内容，甚至无法按照设计图纸进行施工的情况发生。BIM 技术可以通过提供可视化的 3D 平台加强设计与施工的交流，让有经验的施工管理人员参与到设计中来，在设计阶段早期植入可施工性理念，甚至可以推广新的工程项目管理模式如一体化项目管理模式 IPD（Integrated Project Delivery mode）以解决可施工性的问题。

　　5.1.2 高级分析能力。

　　2D CAD 绘制的图纸永远无法进行智能化的分析和模拟。而运用 BIM 技术创建的虚拟建筑模型中包含着丰富的非图形数据信息，提取模型中的数据，导入分析模拟软件中，即可进行结构分析、热工性能分析、设计成果一致性检查即碰撞检查、防火安全检验，以及能耗分析、规范检验等。

　　轨道交通项目车站工程内部吊顶管线多、配合工作量大，管线综合排布一直都是一个繁复头疼的工作。这么多的管线反映到平面图纸上就是密密麻麻的线条，在 CAD 视图界面上还可以用不同颜色、不同宽度的线来区分，待打印出来的图纸基本就是黑色密布的线条，不容易分清，看着也不够直观，有问题也反映不出来；而剖面图上的管线排布不足以能反映到站内全部管线综合的高程情况，转角、交叉、梁下的空间局促部位，肯定有管线之间碰撞或管线和梁碰撞等情况，但平面图上看不出来，没有三维立体的空间反馈。

　　运用 BIM 技术，各专业工程师可以在 BIM 软件上搭建本专业的建筑模型，并通过协同功能可以让不同专业的工程师更全面地获取与本专业相关的其他专业的信息，然后根据各种不同的设计原则，如"有压让无压、小管让大管"、"暖通管大先高排、强弱电整合、水管靠边走低"等，计算机自动地检测各构件对象间的相互影响。比如，可以检测并显示暖通风管是否梁或腋角冲突，可以提示出哪些管线高程上有冲突等等。而且，使用 BIM 技术做碰撞检查，可以排查到在人工图纸中很难发现的本专业或者与其他专业的碰撞点，经过几轮检测及设计调整后，可以得到满足专业及施工要求的"零碰撞",保证最终设计模型的正确率。

　　城市轨道交通作为大型的城市基础设施项目，低能耗和可持续发展设计是必需要考虑的。传统的 CAD 技术只能在设计完成之后利用独立的能耗分析工具介入分析，由于设计时没有低能耗的观念，最终的分析结果往往是不理想的，而事后的修改设计是很难满足低能耗需求的。BIM 技术很好的将这种事后被动的处理方法变为主动控制，借助与BIM 模型具有互用性的能耗分析软件，在设计初期，就可以为设计注入低能耗与可持续发展的理念，这样设计的过程就是能耗控制的过程，达到真正的低能耗与可持续设计。

　　除此之外，各类与 BIM 模型具有互用性的其他软件都在提高建设项目整体质量上发挥了重要作用。

　　5.1.3 图纸文档自动生成。

　　在 2D 环境下，每一张图纸都是一个单独的"迷你项目",先从平面开始绘制，然后画立面、剖面，然后对照平立剖查找冲突或者错误进行修改；接着按照项目施工进展情况发现问题，再更改所有的图纸。永无休止地修改、再修改成为建筑师的一项繁重的工作，占用了大量宝贵的时间和精力。

　　BIM 技术改变了这种工作方式，在可视化的虚拟建筑中做设计，设计过程的核心是模型而不是图纸，图纸只是设计的副产品，是其中的一中视图类型。设计师可以根据要创建的图纸类型，在视图中直接添加平面图、立面图、剖面图、三维视图甚至大样图等不同模型界面，建筑模型可以自动生成所需要的图纸以及材料计算、面积计算等。所有的资料都是从一个存储了所有信息的数据库中提取的，所有的图纸都是同样的数据信息的不同表达方式，所有的报表都是对相关信息的归类和统计。而且 BIM 技术的可视化和协同设计使得模型的错误率大大降低，如果真的发现错误，BIM 技术的参数化设计，各个构件都是相关联的，保障了所有错误都得到完整修改，这些都保证了最终生成的图纸文档的正确性和一致性。

　　5.1.4 基于 BIM 的设计对项目进度的改进。

　　综上所述，BIM 对设计的帮助主要在于：优化设计、高级分析能力、图纸文档自动生成。这些帮助对项目进度的改进主要体现在以下几个方面：

　　（1）BIM 数据信息的集成促进了设计过程的集成，保证设计信息的完美传递，减少重复无效劳动，加快设计进度。

　　设计过程中，方案设计和工程设计常常由不同的团队完成。方案设计阶段的建筑师只关心造型设计和粗略的功能布局，许多细化工作在后面几个阶段完成。这容易造成设计上的脱节。此外，很多方案转交给后续阶段的建筑师后，建筑师须根据实际工程要求对原方案进行梳理，有时甚至是重新绘制一遍草图，一方面工作量较大，另一方面常因工程要求或简单错误导致不能很好的保证原设计概念。BIM 技术将设计的所有阶段都集中到一套建筑信息模型中，信息通过模型的传递不断得到积累，避免了重复无效劳动，另一方面可以很好的传递各设计师的设计意图，保证原设计概念，改变"方案设计一个样，施工图另外一个样"的弊病，从而加快设计进度。

　　（2）BIM 的可视化和协同设计，提高设计成果准确率，从而减少设计缺陷对施工进度造成的影响。

　　（3）三维建筑信息模型能够提供更有效的设计沟通和设计表现，通过三维建筑模型与业内专业人员及业主进行有效沟通，能够避免二维文件容易引起的对设计的误解，特别是对细部设计的认知混淆，以确保项目中与设计阶段相关的各种活动能够顺利正确地实施，节省因为误解而导致的设计返工问题，节省设计时间，加快项目进度。

　　（4）BIM 的高级分析能力，保证了设计成果能符合国家规范、标准的相关要求，结构设计合理且低能耗、可持续；特别是设计成果一致性检查即碰撞检测，对于城市轨道交通项目这样的大型复杂项目，只依靠人力进行检查和排查大量的构件冲突是一项艰巨的工作，BIM 模型的碰撞检测功能则充分发挥计算机对庞大数据的处理能力，将各个专业（建筑、结构、设备）的设计成果集成到一个建筑模型中，制定相应的检查规则，即可进行碰撞检测，碰撞检测节点将自动生成截图及包含相交部分长度，碰撞点三维坐标等信息的详细的检测报告，便于查找碰撞的构件和位置。通过碰撞检测可以查找风道水管是否相交、空调管道的高度是否合适等，在施工前避免不必要的错误，减少施工过程中的返工，节省人力、物力，加快施工进度。

　　（5）设计阶段完成的 BIM 模型中包含了项目所需的所有基本信息，项目的平面、立面、剖面图直接由 BIM 模型生成，保证了施工图纸的质量。这样施工单位按照施工图施工，保证了各项工作的正确性，减少返工，加快施工进度。