南通轨道交通换乘枢纽青年路站BIM技术应用

2021-04-09汪其超

现代交通技术 2021年1期

汪其超，王涛,2，刘捷，赵俊

(1. 华设设计集团股份有限公司，南京 210014；2. 南京大学地球科学与工程学院，南京 210046)

随着大城市的快速发展，城市地上空间已经不能满足城市发展的现实需求，因此需要对地下空间进行开发利用[1-5]。轨道交通作为城市交通的“骨骼”，能充分利用有限的城市空间，也能承载主要的出行客流。据中国城市轨道交通协会数据，截至2018年末，我国内地已有35个城市开通了城市轨道交通线路185条并投入运营，运营线路长度达到5761.4 km，年度新增运营线路长度达728.7 km。

轨道交通的蓬勃发展，也为本行业的设计师们带来了诸多挑战。例如车站施工周期长、设计周期极短；地下管线众多，改迁困难；沿线交通量大，交通导改工作困难；周边建筑物密集，车站总平面布置受限；设计、施工配合过程不流畅；等等。如何保证高效设计、降低质量风险、控制成本投资，并配合政府部门推动城市交通建设，成为目前轨道交通工程设计阶段最重要的探索方向。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术[6]，是以各专业三维模型为载体的信息集成数据库，能够提供一个可供各参与方协同设计、使用的平台。将BIM技术应用于轨道交通工程设计中，可以加强各专业间设计协同，提高设计效率和设计质量，优化管线改迁和交通导改的设计方案等。目前国内绝大部分新建轨道交通工程提出了不同程度的BIM技术应用要求，部分城市在设计总体的基础上，专门设立了BIM设计总体。

本文将介绍在轨道交通传统设计手段不足的前提下，如何应用BIM技术，保质、高效地完成了南通轨道交通1、2号线同期实施换乘站青年路站的深化设计，解决了困扰设计师们的诸多关键技术难题，为BIM技术在轨道交通工程领域的进一步应用研究提供了支撑。

1 BIM技术的优势及发展

1.1 BIM技术介绍

BIM技术是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，建立建筑信息模型，通过承载建筑信息的模型，将设计、施工、运维等全过程各阶段关联起来的技术。

BIM技术的优势[7]主要有以下几点：

(1) 可视化。BIM技术优化了设计思路和设计方法，尤其是面对规模庞大、造型复杂、形状各异的建筑物，真正做到“所见即所得”，提高了设计质量和设计效率。

(2) 协同性。一方面，各专业可以在同一个建筑信息模型中添加、修改和存储不同的模型，并保持实时更新和统一性；另一方面，BIM技术可用于碰撞检查、动态模拟，预见施工阶段的管线碰撞、模型冲突，提前在设计阶段解决问题，实现设计、施工、运维和管理各阶段全过程协同工作。

(3) 模拟性。BIM模型可以进行客流模拟分析、节能模拟、日照模拟等可持续设计，确保工程建设安全，节约能源，减少污染；可进行施工模拟，确定合理的施工方案、施工进度及工程材料供应时间表，进行数字化、精细化的工程建设。

(4) 优化性。BIM技术可以把项目设计和投资回报结合起来，实时计算设计变化对投资回报的影响，通过方案比选，为决策者提供最优方案；通过对项目的设计和施工进行优化，可以显著缩短工期、减少造价。

(5) 出图性。BIM技术可以基于三维模型生成各个平面、剖面的综合管线图、结构图、建筑图、开洞图、碰撞分析报告等，帮助施工单位精准出图施工。

1.2 BIM技术发展现状

1) BIM技术国外发展现状

BIM技术从美国发展起来，而后逐渐被欧洲、日本等发达国家和地区运用。当前以美国对BIM技术的应用最为广泛和深入[8]。2003年，美国总务管理局(GSA)推出了国家3D-4D-BIM计划，提升建筑行业信息化水平、提高生产效率；2007年起，GSA陆续发布系列BIM指南，用于规范和引导BIM技术在实际项目的应用；截至2013年8月，美国1/3的企业对于BIM技术的使用率已达到60%以上，而由美国政府负责建设的项目中，BIM技术使用率已达到100%。英国建设行业网发表的调查报告显示：截至2014年1月, 在英国的建筑、工程和施工行业企业中,BIM技术的使用率已达到57%，增幅显著；北欧的挪威、芬兰和德国等国，BIM技术在工程项目中的实际应用达到了60%～70%；2010年3月，日本的国土交通省宣布，将在其管辖的建筑项目中推进BIM技术应用，根据今后设计业务来具体推行BIM技术应用。

目前在国际上，BIM技术应用已经成为设计、施工企业承接各类项目的敲门砖，是建筑类企业必要的核心竞争力。

2) BIM技术国内发展现状

香港是我国最早将BIM技术应用到城市轨道交通项目的地区。早在2015年，香港地铁的82座车站中就有20多座车站已经实现模型化，并形成基于BIM模型的各运营管理系统支撑的信息网络，实现了客流、采光、能耗、烟雾和可视化碰撞检测等应用，产生了良好的社会效果[9]。

近几年，BIM技术在内地城市轨道交通行业的应用处于蓬勃发展的态势，短短几年间，北京、上海、广州、苏州、南通等城市的轨道交通项目均不同程度地应用了BIM技术。无锡地铁1号线落霞路站基于车站土建BIM模型，深化设计各专业管线，通过碰撞分析对管综进行优化；南京市地铁项目采用传统设计与BIM设计相结合，将传统二维管综图纸和三维管综模型进行协调，通过碰撞检查减少了设计变更，控制了工期，降低了工程造价；深圳市地铁人民南路站引入BIM技术，进行土建与机电专业建模、各专业模型碰撞优化，提高了设计效率和施工资源使用效率，降低了工程造价。

总体来看，国内城市轨道交通行业的BIM技术研究和应用仍处于起步阶段，虽然在地上建筑应用研究中取得了较多的成就，但在地下建筑物的应用上目前局限于模型创建、碰撞检查等方面，应用范围及深度尤为不足，与国际水平存在较大差距。

2 BIM技术在青年路站的应用

2.1 工程概况

南通地铁1号线工程贯穿南通市东西向中轴线最重要的客流走廊。在建设过程中，通过引入BIM技术，提高工程信息化水平，提升南通轨道交通1号线工程的设计和施工质量，为后期地铁的智能运营与维护创造良好开端。青年路站地理位置如图1所示。

图1 青年路站地理位置

青年路站是南通轨道交通1、2号线同期实施换乘车站。车站主体包含1号线车站(地下二层岛式车站)、2号线车站(地下三层岛式车站)及附属地下空间三个部分，总建筑面积约50 000 m2，其中2号线车站为国内少有的全曲线车站。青年路站是全线规模最大、难度最高、周边环境最复杂的重点车站，主要设计难点如下：

(1) 两线换乘车站同期设计施工，专业多、接口复杂，设计周期仅5个月。

(2) 车站位于老城核心区，外部条件错综复杂，管线众多，改迁困难；车站位于两条城市主干道交叉口，交通量大，导改困难；周边建筑物密集，距离近，车站总平布置受限。

(3) 作为1、2号线换乘站，社会关注度高，施工质量和进度要求高。

2.2 青年路站BIM技术应用流程

青年路站BIM技术应用流程主要包含收集数据、三维协同BIM模型设计、碰撞检测、工程量统计复核、生成BIM专册施工图纸和BIM技术交底。本次青年路站BIM技术深化设计采用Revit软件进行基础建模，使用Navisworks、Fuzor等软件或插件开展辅助设计工作，工作内容主要由BIM设计小组完成，小组成员涵盖了建筑、结构、机电各专业。轨道交通工程设计BIM技术应用流程如图2所示。

2.2.1 收集数据

在创建BIM模型之前，收集方案设计报告、车站总平面图、各专业图纸和项目电子版地形图(含周边场地、建筑、道路等信息)。设计人员首先应熟悉收集的资料，校核平面坐标、标高、轴网等数据的准确性，避免基础信息设置的错误影响后期建模整体工作。

图2 轨道交通工程设计BIM技术应用流程

2.2.2 三维协同BIM模型设计

受制于周边密集的建、构筑物分布，青年路站建设空间十分有限，同时，数十类专业须在狭小的空间进行布置且不发生碰撞，这对各专业空间利用效率提出了很高的技术要求。

三维协同设计[10]是BIM技术的核心理念，它在地铁车站设计中的应用是一种开拓性的突破。在Revit软件中，基本的协同方式有链接和工作集[11]两种模式。两种协同方法的比较如表1所示。

本项目基于Revit软件平台，以工作集模式为主、链接模式为辅进行协同设计。以工作集模式为例，首先创建具有统一坐标、标高属性的中心文件，保存至局域网共享文件夹中；然后建筑、结构、机电等各专业保存中心文件至本机，创建各自专业的BIM模型；最后各专业将BIM模型同步至中心文件。这种工作模式打破了各专业设计时间上的序列，设计冲突在设计阶段就得以解决，大大减少了施工阶段变更量。

2.2.3 碰撞检测

青年路站设计工作包含30多个专业，各专业设计量大，专业内部及专业之间存在大量二维图纸中不易发现的碰撞。例如，在二维图纸中，管线在转角、交叉、梁下等空间局促部位的碰撞无法直观反映出来，会影响设计优化的进度，加大后期设计变更的风险。

BIM设计小组完成建筑、结构、设备等专业BIM模型整合，进行碰撞检测并生成碰撞分析报告，对报告中存在的400多处“差、错、漏、碰”等问题，逐条提出优化设计方案，修改BIM模型直至无碰撞。碰撞问题主要分为两大类：风管、水管、桥架之间的碰撞；建筑、结构与设备管线的碰撞。例如，如图3所示，站厅层公共区通信、动照、FAS/BAS桥架与风管发生碰撞，根据管综设计要求，利用Revit软件将桥架上翻布置，从而避免了后期施工中的碰撞，将问题解决在设计阶段。优化设计后的模型如图4所示。

图3 桥架与风管发生碰撞

图4 优化设计后的模型

2.2.4 工程量统计复核

各专业创建BIM模型前，应确保BIM基本构件的几何数据与非几何数据与技术要求一致，便于校核工程量[12]；同时，为避免工程量统计出现较大误差，创建模型前应确保构件扣减关系正确，青年路站构件扣减原则为“柱扣减梁、梁扣减板、板被梁、柱扣减”。

按照区域、族类型、构件尺寸等分组排序条件，对青年路站各类模型构件进行分类统计，并生成工程量清单，将各类构件BIM工程量与投资建立计算的土建招标工程量对比得到差值，按差值范围分为以下三类：一类问题(3%～5%)共38项；二类问题(5%～10%)共11项；三类问题(10%以上)共31项。通过分析差值大小可以对土建招标工程量进行校核，并最终确定土建招标工程量，从而有效提高土建算量的准确性。

2.2.5 生成BIM专册施工图纸

青年路站BIM施工图模型通过校核后，生成了BIM专册蓝图，以供施工单位参考。Revit软件在设计出图的过程中，在以下几个方面，国内尚无统一标准：①注释、标记设置；②尺寸标注参数设置；③标题栏的设置；④线型、线宽和颜色的设置；⑤过滤器的应用。

基于华设设计集团股份有限公司编制的《轨道交通工程设计阶段BIM模型应用标准》和《轨道工程CAD制图标准》，对图纸的编码分类、专业颜色、线型线宽、图框和标题栏等信息统一要求，使生成的BIM专册图既满足BIM工作技术要求，又符合院内制图标准。

2.2.6 BIM技术交底

依据三维模型和BIM专册施工图，确定最终的施工方案，设计人员对施工单位进行三维可视化施工交底。施工单位应做好施工阶段的BIM技术工作，组织专人负责施工模型的深化、拆分、更新与现场数据录入等工作，并将变更后的模型上传至可视化建设管理平台，供设计方校核。

3 BIM应用关键技术研究

3.1 无人机倾斜摄影技术[13]对BIM模型的校核

车站周边居住和商业建筑密集，贴近道路红线，车站的出入口、风亭等布置受限，且存在二维地形图中没有的新建建筑。采用无人机对沿线地表进行高精度倾斜摄影，可以建立可靠、准确的三维地表环境模型, 对稳定车站总平面布置起到至关重要的作用；倾斜摄影模型与BIM车站模型出入口进行校核，可验证BIM模型的准确度。整合后的倾斜摄影地表模型和车站BIM模型如图5所示。

图5 整合后的倾斜摄影地表模型和车站BIM模型

3.2 管线改迁模拟

车站位于老城区主干道交叉口，施工过程中需要对地下分布的12类、近百根市政管线分6期改迁，难度非常大，很难精确掌握每个阶段管线的类型、埋深等信息。

对既有和改迁的市政管线进行仿真BIM建模，可以精准地呈现管线类型、截面尺寸、地下分布、窖井的位置及尺寸，以动态方式展现管线改迁重难点，也可以模拟管线各阶段改迁内容，及时发现方案的不足并优化。各类管线BIM模型如图6所示。

图6 各类管线BIM模型

3.3 交通组织模拟

基于本站周边地表环境模型和交通组织方案资料，创建各期施工围挡、道路指引牌、临时设施等模型，模拟各施工阶段的地面交通组织方式，基于BIM模型进行交通仿真分析，确定方案对交通的影响程度。

各阶段交通导改BIM应用方案如下：

(1) 阶段一：施工临时路面板，工农路向东西两侧翻交，维持双向6车道+2条非机动车道通行能力。

(2) 阶段二：施工车站主体结构及东侧出入口部分内部结构，工农路向西侧翻交，维持双向6车道+2条非机动车道通行能力。

(3) 阶段三：施工车站西侧附属结构，工农路维持双向6车道+2条非机动车道通行能力，东西向恢复原通行能力。

(4) 阶段四：施工车站东侧剩余附属结构，工农路维持双向6车道+2条非机动车道通行能力, 东西向保持双向2车道。

3.4 勘察地质模型

基于地勘单位提供的地质勘察、地下管线物探和地下障碍物调查资料等，创建本站范围内场地地质模型、地下管线模型、地下障碍物模型。同时，根据工程应用需要，选择场地内的重要地表建筑物，对倾斜实景模型进行单体化，并与地质模型、地下管线、地下障碍物等模型进行仿真整合分析，从而快速获取周边建设环境现状信息，为项目各阶段的模型应用提供基础数据支持。