城市轨道交通地下区间BIM设计研究

方黄磊

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）概念由Eastmam于1975年提出［1］，而后广泛运用于建筑、工业、基础建设等行业。根据美国国家BIM标准（NBIMS）对BIM的定义［2］以及对当前BIM的应用现状［3-4］进行研究，其主要应用包含3个方面：（1）设计三维BIM模型，集成各类工程信息，形成工程项目的数字化表达；（2）以BIM模型为基础，为工程全生命周期中各项作业决策提供信息依据；（3）工程所涉及专业以BIM模型为平台，进行信息共享与协同作业。因此，BIM模型作为所有工程信息的虚拟载体，是实现全生命周期BIM运用的基础，BIM模型设计是其推广应用的第1步。

地下区间作为城市轨道交通工程的重要部分，因其施工工法多，导致工程实体截面形式各异、装配式结构与现浇结构并存，因此建立地下区间BIM模型需要采用不同的建模思路。城市轨道交通工程结构在几何特征上表现为沿空间曲线分布，模型整体和细部均以异形空间曲面为主，区间内部的细部构造定位主要依靠线路中心线实现，并且细部构造较多且分布规则各异，给BIM模型设计带来巨大困难。地下区间涉及专业多、模型信息丰富、交付成果种类多，需要制定合适的标准来规范BIM设计行为。解决这些问题需要对建模软件选择、建模标准、构件库搭建等方面进行深入研究。因此，对城市轨道交通地下区间BIM模型设计研究中面临的问题进行讨论，提出可行的解决思路，促进城市轨道交通BIM正向设计实现。

1 建模软件选择

现有BIM建模软件种类繁多，选择地下区间BIM模型建模软件需要结合地下区间模型特点、各专业协同设计、二次开发、培训成本等方面进行综合考虑［5］。目前，城市轨道交通BIM设计采用的主流软件为“ABD”三大平台下的系列软件，均包含建模、检查、展示、分析等系列功能（见表1）。其中，地下区间建模常用软件有Revit、OpenRail Designer、CATIA等。

表1 城市轨道交通BIM设计主流软件功能对比

地下区间施工主要采用盾构、明挖、矿山法3种施工工法［6］。盾构法采用装配式结构，明挖法与矿山法主要为现浇式连续结构，装配式结构包含大量类似螺栓孔洞的细部构造，对软件的参数化建模功能要求较高，能够利用参数驱动形体实现一模多用，现浇式结构沿空间曲线连续分布，截面轮廓存在变化的需求，对软件的异形曲面建模能力具有挑战。根据现有的BIM设计实践经验，利用三大平台都能够实现地下区间建模，但是三大平台在实现过程中均存在困难，不能解决地下区间BIM模型设计过程中遇到的所有问题。

根据表1所列不同软件平台的特点，对地下区间BIM核心建模软件的确定提出以下建议：

（1）项目规模较小、以单体建模居多、资金有限时，建议采用Revit进行设计，特定异形结构建模通过二次开发实现；

（2）大型工程项目、涉及多专业协同、项目资金充裕时，建议采用OpenRail Designer进行设计，实现各专业文件通用；

（3）项目异形程度高、参数化要求高、预算比较充裕时，建议选择CATIA进行设计，必要时与Revit平台进行联合设计。

以全生命周期应用作为推动力的BIM设计，在不远的将来必将以某种形式实现软件之间的数据互通，目前各大设计院应结合自身在行业中的定位选择适当的建模软件，进行深入开发，提高BIM设计效率。

2 建模标准

制定建模标准是为了约束建模行为，保证BIM模型的统一性、规范性以及可用性。轨道交通BIM模型设计的相关标准研究工作已陆续开展，要结合各地BIM设计经验，在设计、施工到运营各阶段不断修正BIM设计标准［7］。下面从模型拆分、命名规则、模型信息、建模深度等方面，对地下区间BIM建模标准的关键部分进行探讨。

2.1 模型拆分

模型拆分主要针对BIM模型几何实体进行，拆分地下区间模型应从BIM模型的应用出发，结合软件功能、建模思路、硬件配置、二维图形等方面进行综合考虑。在地下区间范围内，除了标准的隧道结构，还包括区间风井、联络通道及废水泵房、工作井等单体建构筑物，因而拆分地下区间模型原则应同时兼顾单体建构筑物与占据大多数里程范围的隧道区间，不同工法的隧道区间在建模思路上也有所不同，均应当分别建模；针对不同模型单元，结合传统二维图纸内容，应作构件划分。经过上述思路划分，仅需要对基本构件进行参数化建模，实现一模多用，大大提高BIM建模效率。同时，仅对合模的计算机配置要求较高，可减少硬件方面投入。

主要拆分原则如下：

（1）地下区间按单体建构筑物及工法类型进行分解，制作模型单元；

（2）区间风井、联络通道等单体模型按专业、楼层进行拆分；

（3）明挖区间与矿山区间按照施工缝为界进行拆分；

（4）较长的盾构区间按照里程进行拆分；

（5）模型单元按构件层次做拆分；

（6）地下区间范围内市政、地形地质、周边建筑单独建模。

2.2 命名规则

建立命名规则意味着通过检索能够快速调用BIM相关模型与构件，提高BIM模型设计与管理效率。轨道交通工程地下区间BIM模型命名规则包括项目文件夹、模型文件、构件的命名。BIM项目文件夹命名体系应根据工程名称、工点名称、设计阶段以及所属专业建立（见图1）。

图1 BIM项目文件夹命名体系

由图1可知，模型文件名称应反映项目、设计阶段、工点、专业以及文件版次等信息，为便于检索可以采用代码形式进行系统性命名，建议采用“项目代码-阶段代码-工点代码-专业代码-版次代码”的格式，如WH062-SS-QJ01-SD-1表示武汉市轨道交通6号线2期工程-施工图设计阶段-01区间-隧道专业-1版。构件作为模型单元最小组成部分，构件所属类型、材质以及关键参数应当在构件名称中体现，建议采用“类型名称-材质名称-关键参数”的格式。

2.3 模型信息

BIM设计关键在于如何将全生命周期中各类所需的信息集成至BIM模型，主要信息包括几何信息与非几何信息［8］。地下区间BIM模型的属性信息随设计阶段深入，按设计阶段要求不断将模型所需信息添加至BIM模型。BIM模型的信息丰富度应满足当前阶段协同设计、项目管理、施工指导以及运营维护中各参与方所需的数据量，并且数据格式应满足不同参与方间传递和共享的要求。

根据上述模型拆分原则，将地下区间模型拆分至构件级后，基本能够提供各参与方的数据信息附加主体。模型信息附加方式主要包括以下2种：

（1）在建模过程中，利用软件基础功能，在模型中创建数据接口并输入信息；

（2）在BIM模型之外创建数据库，利用编码链接或模型关联的方式，将外部数据与BIM模型进行对接。

对于地下区间的几何信息，以坐标尺寸方式直观地表现在模型上，而材质特性、模型分析参数等数据可以通过自带接口或者创建接口的方式进行输入与调整，对于施工管理及运营维护中使用到的数据更适合在数据库中集成并链接，便于后期二次开发数据库管理系统，这些信息外置也利于模型轻量化。不同阶段地下区间BIM模型所需数据不同，结合具体需求，剔除上阶段模型中的冗余信息。

2.4 建模深度

在BIM建模设计中，建模深度为构件信息的丰富程度［9］。如果构件信息太少，无法满足当前设计阶段对于模型信息的需求；如果构件信息过多，会增加设计人员的工作量，降低设计效率。因此在不同项目阶段，模型深度应满足各项目参与方在该阶段的需求。针对地下区间BIM模型设计，按照不同工程阶段，建议将模型深度从低到高划分为6个等级（见表2）。

表2 地下区间BIM建模深度等级

3 构件库搭建

类比机械设计行业对于构件的理解，土建BIM构件是BIM模型中可更换的实体组成部分，并且具有不可替代的特定功能［10］。通过建立标准化构件库，利用参数化驱动构件的关键尺寸得到不同类型构件，可减少设计人员重复创建模型构件的工作。从构件定义角度理解，装配式结构与单体建构筑物能够明确划分具有特定功能的构件，盾构法施工是对管片、螺栓等构件反复拼接的过程（见图2（a）），而明挖法与矿山法施工主体结构是由空间曲面围合而成的实体（见图2（b）），其本身无法定义为标准化构件。针对沿着空间曲线分布的连续实体，建议以结构断面或轮廓作为基本构件，通过对断面或轮廓尺寸参数进行调节，从而实现不同标准断面，通过扫掠或放样的方式实现主体结构建模。明挖法的围护结构、矿山法的支护措施同样可以通过参数化构件形式制作入库。

为满足不同设计阶段需求，对各阶段构件建模深度和属性信息范围做出明确要求，并且分别制作不同阶段需求的构件，这样能保证组装项目模型的信息量有效且合理。通过以上思路，可搭建适用不同设计阶段、包含全工法的地下区间BIM构件库，合理开发构件库管理系统，在项目过程中不断积累更新构件，有利于完善地下区间BIM构件库，从而提高BIM设计效率。

图2 地下区间BIM模型

4 结论

（1）通过分析城市轨道交通地下区间BIM模型特征，对比现阶段主流建模软件平台的功能特点，为选取轨道交通地下区间BIM建模软件提供建议。

（2）为规范地下区间BIM设计行为，应当制定适用的建模标准，从模型拆分、命名规则、模型信息以及建模深度等方面对地下区间BIM设计过程中关键节点进行讨论。

（3）构件库作为BIM设计的基础资源，直接影响模型质量与设计效率，提出适用于地下区间各设计阶段、全工法构件库的搭建思路。

通过以上研究工作，为现阶段地下区间BIM设计中的重难点提供可行的解决思路，促进BIM在城市轨道交通中的应用。