明挖装配式地铁车站BIM协同设计

柯尉，王华兵，沈婷，徐军林

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 城市轨道与地下工程设计研究院，湖北 武汉 430063）

0 引言

建筑工业化以标准化设计、工厂化生产、机械化施工和信息化管理为目标，装配式结构能够很好地满足该要求，积极发展各种预制装配式结构体系成为实现装配式结构和建筑工业化的关键。在美国、日本和一些欧洲国家，装配式结构应用较广泛、装配化程度髙。在工厂进行装配式结构的预制构件生产，并在现场完成施工安装与构造处理，其施工方式高效便捷、能源耗用率低、工业化生产水平高，有利于将粗放型、密集型的现场施工工人转变为技能型的产业化工人，符合绿色建筑概念及建筑产业工业化转型的发展趋势。

1 地下结构预制装配技术

与地面结构预制装配技术相比，除盾构法预制管片隧道外，国内外大型明挖地下结构预制装配技术的研究和应用均较少，研究滞后也制约了该优势技术的发展。地下结构预制装配技术的优势主要体现在以下方面：

（1）显著提高结构工程质量；

（2）大幅提高现场施工作业效率、缩短工期；

（3）大幅降低施工噪声和粉尘污染、环境影响；

（4）大幅减少劳动力需求；

（5）有效解决严寒地区冬季施工困难［1］。

明挖地下结构的使用环境、受力、防水和施工工艺等方面，与地面结构存在较大差异，也不同于盾构法形成的隧道结构。因此，制定明挖地下结构预制装配技术方案时，应有不同的解决思路和方法，并建立新的技术体系。

我国地下结构工程建设起步于20世纪50年代，经过几十年发展，已由最初单一的明挖法，发展到现在的明挖法、矿山法、盾构法等多种方法并存。在我国地下工程领域，预制装配建造技术的应用主要集中在盾构法修建的铁路、公路、地铁区间、市政管廊等地下工程，并以单一的圆形结构为主。许多研究团队结合项目具体情况，在结构受力、接头承载特性、抗震等方面作了大量研究，并取得一定成果，形成了相应的国家和行业技术标准。在铁路矿山法隧道工程中，曾有局部采用装配式衬砌的先例，如兰渝铁路西秦岭特长隧道的仰拱，采用预制化技术，对边墙、拱墙进行现场浇筑。除盾构隧道外，较复杂的大断面，尤其是地铁车站结构预制装配技术的研究和应用尚不成熟［2-5］。

2 装配式地铁车站BIM应用

近年来，BIM技术被越来越多地应用于装配式建筑的设计、生产及现场施工过程中［6-10］。上海市住房和城乡建设管理委员会于2016年发布的《上海市装配式建筑2016—2020年发展规划》明确要求，“将BIM技术融入装配式建筑项目建设全过程，加快配套软件研发，实现产业链各环节数据共享”。

鉴于装配式地铁车站研究尚处于起步阶段，设计、生产及施工中有许多需要研究和解决的问题。BIM技术的深入应用可为装配式地铁车站的设计、生产及施工带来实质性帮助，因此，将BIM技术引入装配式地铁车站多专业一体化设计是有必要的。BIM技术可辅助装配式地铁车站的构件分块，以及精细化、多专业间正向协同设计，提升装配式地铁车站的设计精度，减少由设计误差带来的工期延误和资源浪费。

应用BIM技术实现装配式构件三维信息化设计，创建多维度参数化构件库，根据需要获取不同类型的装配式构件模块，为装配式地铁车站方案研究和深化设计提供强大的参数化构件库资源。利用BIM协同设计平台开展多专业协同设计，将建筑、结构、机电、装修等专业集成于同一平台，开展全过程同深度整体设计，精准完成预制构件的预埋件及孔洞预留，实现装配式地铁车站标准化、模块化设计。

3 多专业协同设计

3.1 技术路线

通过基于BIM的三维参数化设计及协同设计技术研究及应用，解决装配式地铁车站构件分块比选、构件精细化设计、构件节点深化设计及多专业设计协调等技术难题。通过搭建BIM协同设计平台，开展建筑、结构、机电、装修等多专业BIM正向协同设计及构件深化设计。多专业协同设计流程示意见图1。

图1 多专业协同设计流程示意图

3.2 实现方法

3.2.1 协同环境配置

装配式地铁车站BIM协同设计工作采用集中办公方式进行，各专业需在同一网络环境下（局域网）办公，采用“工作集”和“链接”的方式进行协同。协同设计的基础是文件共享，基于Windows系统的共享机制，采用“网络共享文件夹”方式实现共享文件的并发读写。

3.2.2 中心文件配置

在Revit的“协作”选项卡中激活“协作”工具，此时，Revit将开启工作集共享，选择“在网络内协作”。在服务器电脑上，将开启“协作”后的文件保存至“装配式地铁车站BIM共享文件夹”。以建筑专业为例，模型可命名为“装配式地铁车站建筑中心文件.rvt”，保存时须在文件名前加上共享文件夹网络路径。

3.2.3 工作集及链接设置

工作集根据各专业实际建模情况进行划分，如建筑专业可根据构件类型划分为“墙”“板”“柱”等构件，多人协同建模可根据自己负责的构件类型，在相应工作集开展工作。专业内工作集权限均掌握在各自建模人员手中，一般建议将“可编辑”状态设置为“是”，即只有该部分模型建模人员具有修改权限，避免相互修改导致模型错乱。所有专业模型均需以建筑专业提供的“项目基点”为准，专业间采用“链接”的方式进行相互参照，“参照类型”需设置为“覆盖”，避免显示链接文件中的嵌套链接。

3.2.4 协同流程及要点

（2）结构、机电等专业。采用链接的方式，参照建筑模型，使用相同基点进行参照。各专业均需在“装配式地铁车站BIM共享文件夹”建立中心文件，如“建筑中心文件”“结构中心文件”“暖通中心文件”等。

各专业在进行模型建立时，若需参照其他专业，需在各自“本地文件”中，链接共享文件夹下的相应模型，如结构专业参照建筑模型定位，需在“结构本地文件”中使用“插入—Revit链接”，使用“项目基点—项目基点”或“原点—原点”的对齐方式进行链接。

3.3 协同设计标准

3.3.1 模型文件命名

装配式地铁车站模型文件夹命名应分为4个级别：第1级为项目名称，第2级为设计阶段，第3级为专业分类，第4级为文件类型（见表1）。

表1 项目文件夹命名

模型文件命名标准如下：

（1）项目代码。用于识别工程地点及名称，工程地点用大写拼音首字母表示，工程名称用阿拉伯数字及大写字母（适用于分期建设线路）表示。

（2）阶段代码。用于识别模型阶段，项目阶段包括：C-初步设计阶段、S-施工图设计阶段、SG-施工阶段、YW-运维阶段。

4.4.1 简化审批流程，减轻企业负担。参照《国家农业综合开发资金和项目管理办法》第三十条：省级农发机构根据本地区实际情况可以下放项目评审权限。为此，建议参照经营主体实施的其他农业项目管理模式，由区县农发办初审并公示无异议后报市农发办备案，市农发办按原要求审批实施计划，项目实施完成后由区县农发办组织初验，市农发办组织终验，验收合格后再补助资金或贴息，以减轻企经营主体编制可行性研究报告和规划设计、协调金融机构等项目前期费用，缩短建设周期。

（3）专业代码。用于识别模型所属专业，代码包括：JZ-建筑专业、JG-结构专业、TK-通风空调专业、DZ-动力照明专业、GPS-给排水与消防专业、TX-通信专业等。

（4）版次编码。用于描述模型版本信息，初版文件可省略，变更设计版次采用A—Z大写英文字母的方式标注，分别代表变更第1版—变更第26版。如变更第1版图纸编号为“01A”。

3.3.2 工作集命名

装配式地铁车站各专业在BIM模型中的构件工作集命名划分见表2。

表2 构件工作集命名划分

3.3.3 构件命名

在BIM设计中，其构件命名标准如下：

（1）土建专业构件。类型名称-材质信息-尺寸信息（见表3）。各专业管道命名标准：专业代码-管道名称，如TK-大系统送风管。

表3 土建构件命名表

（2）系统专业设备。专业代码-设备名称-规格尺寸，如GPS-闸阀-DN150。

3.3.4 设计管控要点

在满足模型精度要求的前提下，应满足以下要求：

（1）建筑专业：楼梯间、楼梯、电梯间、管井、配电间、空调机房、泵房、天花板高度等定位须准确。

（2）结构专业：梁、板、柱的截面尺寸与定位须与图纸一致。

（3）给排水及消防专业：各系统类型划分及命名须正确，有坡度的水管须建出坡度，阀门及保温层须建模。

（4）暖通专业：各系统类型划分及命名须正确，影响管线综合的设备、末端须建模，有坡度的水管须建出坡度，阀门及保温层须建模。

（5）电气专业：各系统类型划分及命名须正确，影响管线综合的设备、末端须建模。

管线综合管控要点：

（1）管线综合应在施工图阶段施工专业深化阶段各完成1次。

（2）施工图阶段管线综合过程中，施工、设计、咨询单位应密切协作，设计单位应根据最终BIM模型反映的三维情况，调整二维图纸。

模型扣减规则：

（1）墙与柱：墙在结构柱、构造柱处应断开。

（2）墙与梁：墙顶部约束条件为梁底。

（3）墙与板：内衬墙扣减结构顶板、中板，结构底板扣减内衬墙，局部墙顶部约束条件为板底。

（4）柱与梁：结构柱扣减梁，构造柱顶部约束条件为梁底。

（5）柱与板：结构柱扣减结构顶板、中板。

（6）梁与板：梁扣减结构板。

3.3.5 模型交付

（1）模型精细度（LOD）是BIM模型所容纳的模型单元丰富程度的衡量标准，是BIM的构件/设备在项目全生命周期中的几何和非几何信息的精细程度。

（2）构件/设备本身的信息量和三维数据随项目的不断发展越来越丰富，作为同步，构件/设备三维模型的几何和非几何信息也越来越详细。

（3）BIM模型细度应由非几何信息和几何信息组成，BIM模型构件元素根据阶段的不同，从低到高的细度要求见表4。

表4 模型精细度等级

4 信息化设计

装配式建筑是采用工厂化生产的构件、配件、部品，通过机械化、信息化装配式技术组装的建筑整体，其工厂化生产构配件精度可达毫米级，现场组装精度要求较高，可满足各种产品组件的安装精度要求。装配式建筑核心是“集成”，BIM则是“集成”的主线，串联设计、生产、施工、装修和管理全过程，服务于设计、建设、运维、拆除等全生命周期，可数字化仿真模拟、信息化描述系统要素，实现信息化协同设计、可视化装配，工程量信息交互和节点连接模拟及检验等全新运用，整合建筑全产业链，实现全过程、全方位的信息化集成。

在设计阶段，基于BIM协同设计平台进行多专业协同设计，将建筑、结构、机电和装修等专业集成于同一平台，开展全过程同深度整体设计，精准完成预制构件的预埋件及孔洞预留，实现装配式地铁车站标准化、模块化设计。

在设计阶段，实现生产、施工前置参与，各参与方需求与要求前置，通过BIM信息化模型实现信息交互，实现“全员、全专业、全过程”BIM信息化应用。信息化设计流程示意见图2。

图2 信息化设计流程示意图

基于BIM技术实现装配式构件的三维信息化设计，创建多维度参数化构件库，可根据需要获取不同类型的装配式构件模块，为装配式地铁车站方案研究和深化设计提供强大的参数化构件库资源（见图3）。

图3 参数化构件库资源

为装配式地铁车站各预制构件设置1个编码，该编码可综合反映其项目特征、空间特征、时间特征及构件特征，将编码与构件关联，赋予了每个构件唯一的“身份证”（见表5）。

表5 某预制构件编码示例

在协同设计全过程，严格执行BIM正向协同设计实施标准。同时，依据预制构件编码标准和构件信息存储于传递标准，明确预制构件信息的赋予、存储和传递，实现装配式地铁车站全过程信息化管理。

5 结束语

以某装配式地铁车站项目为背景，对装配式地铁车站多专业BIM协同设计及预制构件信息化设计进行系统研究，解决了该项目多专业BIM协同设计关键技术问题。利用BIM协同设计平台开展多专业协同设计，将建筑、结构、机电、装修等专业集成于同一平台，开展全过程同深度整体设计，精准完成预制构件的预埋件及孔洞预留，实现装配式地铁车站标准化、模块化设计。

为规范装配式地铁车站多专业一体化BIM设计模型创建及交付，引导项目设计、构件生产及施工领域信息化实施，提高BIM模型质量，编写了多专业BIM协同设计实施指南。为项目设计团队提供了标准化的BIM工作方法，避免因各方标准不统一导致的交接误解和信息丢失，减少变更与返工，最大限度提高生产效率，确保各方在项目中产出高质量的、形式统一的、符合交付要求的建筑信息模型，保证数字化BIM文档结构的正确性，从而实现高效的数据共享。

为规范装配式预制构件“设计—生产—施工”全流程数据信息传递标准，编制装配式预制构件编码标准及装配式预制构件信息存储与传递标准。为装配式地铁车站各预制构件设置1个编码，编码可综合反映项目特征、空间特征、时间特征和构件特征，编码与构件BIM模型关联，赋予每个构件唯一的“身份证”。同时，明确装配式预制构件数据信息存储与传递标准，使预制构件数据信息在统一规则下实现全流程传递，有力地支撑了预制构件BIM信息化管理。