BIM技术在地铁车站设计中的应用分析

田辰右

（中铁上海设计院集团有限公司-天津分院，天津 300073）

0 引言

地铁是我国城市交通的重要组成部分，有助于提高城市通行效率，使城市居民出行更加方便快捷。但地铁工程是一类综合性高、施工周期长的大型工程，相较于一般的建筑工程而言，其涉及的专业多、接口复杂，整体的施工难度较高，因此对硬件、软件、人员素质、人员配合能力等都有更严苛的要求。在地铁工程施工过程中，协调好各专业人员，使其能够高度协作，确保各项施工内容有序、高效地开展是关键。引入BIM 技术进行地铁车站设计，不仅在优化设计方案、模拟管线敷设方面有积极作用，还能显著提高整体施工效率。

1 传统Auto CAD 设计软件在地铁设计中的弊端

1.1 复杂空间效果表现能力差

由于Auto CAD 设计软件是基于2D 线条进行设计，图纸通常以二维的方式呈现，相较于平面，这种呈现方式有更好的表达效果，但在竖向空间关系的表现上依然存在很大的局限性。由于地铁轨道的管线复杂程度较高，管线竖向重叠、交叉关系复杂，而且很多管线存在保温层、隔热层等外部构造，传统的2D 图纸难以清晰、准确地将上述关系表现出来。在此背景下，以二维设计软件为设计工具，协调各专业管线设计极为困难，其间不仅需要投入大量的人力、时间成本，且出错率较高。

1.2 图纸辨别性较差

地铁车站施工一般参照二维图纸展开，如纸质版施工图纸，以及CAD、PDF 等格式的图纸。但在一些复杂节点的施工中，如站内管线，往往一个位置存在若干层，而每一层的管线构成并不相同，仅通过二维图纸，很难清楚地表达出每个点位的施工要求。由于管线数量太多，导致二维图纸中的线条大量叠加，辨别性较差，往往需要施工人员结合施工经验展开作业。局部复杂的节点，仅通过图纸无法真正指导施工，往往需要设计人员就图纸内容对施工人员进行大量的答疑工作，这会极大地影响施工效率。

1.3 不便于后期修改

在地铁工程设计中，通常每个建筑单体图纸就会包含平面及多个剖面图。若是后期某个节点发生调整，就需要各专业去修改此节点涉及的各张图纸。由于施工图纸的绘制精度高，标注等非常详细，修改过程中工作量会很大，如此便很容易遗漏[1]。

1.4 缺乏协同设计能力

地铁工程涉及二十几个专业，目前各专业绘制图纸的过程均是相对独立的。一般是先根据基础资料绘制本专业二维图纸，再提给其他专业，之后通过其他专业的反馈，对二维图纸进行修改。此方式设计效率低，加之接口复杂，整个过程中很容易遗漏，容易导致连锁错误。

2 BIM 技术在地铁车站设计中的优势

2.1 有较强的直观性

与Auto CAD 软件对二维图纸进行编辑的情况不同，借助BIM 技术可以以三维形式进行编辑，可以非常直观地将建筑物的构造、结构构件尺寸、管线相对位置关系等呈现出来。地铁车站规模较大，内部房间众多，功能分区复杂，各专业管线更是纵横交错，体量十分庞大。面对这类复杂的构造，在传统的二维设计中，设计者往往需要在头脑中想象空间关系，再按照规则绘制成二维图纸，对设计人员的空间想象力与相关工程经验的要求较高，设计过程中容易出错。而借助BIM 技术，直接面向三维模型进行操作，能够很大程度上降低这项工作的难度，而且可靠性高，有助于设计质量的提高。

2.2 具有较强的同步协调性

BIM 技术主要依托于计算机、互联网技术，各专业设计人员在BIM 模型中进行修改，再通过互联网进行同步，就能够实现快速协调作业，较传统的设计方式更高效。同时，BIM 技术能与数据库相通，遇到施工较为困难的路段时，可以利用数据库互通的形式协调多队施工人员，进而大大提高施工作业的准确性、可靠性，有效缩短施工周期，保证施工质量。

2.3 模拟性

利用BIM 技术，不仅可以模拟设计出建筑物的模型，还可以模拟不能在真实世界中进行操作的事物[2]。比如，在设计阶段，可以利用BIM 技术模拟客流情况；在施工阶段，可以利用BIM 技术进行4D 模拟，即根据施工组织设计模拟施工情况，从而确定合理的施工方案，更好地指导后续施工；还可以利用BIM 技术进行5D 模拟（基于3D 模型的造价控制），从而更好地进行成本控制；在后期运营阶段，可以利用BIM 技术模拟日常紧急情况的处理方式，如模拟发生火灾时的人员疏散等。

2.4 适用于工程的全生命周期

相较于一般的项目，轨道交通项目的投资规模更大，建设周期更长。一条地铁线路的建设投资通常达上百亿，建设周期一般为3～5年，甚至更长[3]。地铁一般位于主城区，周边建筑密集、地下管线众多，工程结构风险和工程环境风险都很大。地铁建设涉及多个参与方，如建设方、施工方、设计方、监理方，还有相关的政府管理部门、市政管理部门等。各方又涉及多个单位，工作协调难度非常大。地铁投入运营后，运营企业的工作量也很大。地铁是承担市内交通运输任务的主要工具之一，地铁运营企业不仅要为公众提供优质的服务，还要保证公众的安全出行，其间需要各专业系统内30 多项不同的专业设备设施正常、协调运行。在传统的工作模式中，轨道交通工程各阶段的工作相对独立，过渡期的交接工作十分烦琐，容易出错。而应用BIM 技术，则可基于三维数字设计和工程软件构建可视化的数字模型，同时能集成子系统信息，可以为建设、设计、施工及运维单位等各方提供“模拟+分析”的统一协作平台，各方工作都可以在此平台上开展，工作成果也可以共享，进而使整个工程项目在设计、施工与运营各个阶段都能有效节约成本、提升效率、提高质量。

3 BIM 技术在地铁车站设计中的应用方式分析

从整体来看，BIM 技术在地铁车站项目中的应用与在其他建筑工程中的应用无异，目的都是提高设计、施工、管理效率，提高工程整体质量。但地铁车站项目更为复杂，具有涉及专业多、参与方多、接口多、协调工作量大等特点，因此BIM 技术在其中有更大的应用空间。BIM 技术在地铁车站项目设计环节的应用主要有以下几个方面。

3.1 用于各专业模型整合及碰撞检测

在各专业的二维图纸具备一定的深度后，可通过BIM 技术，将所有专业的内容进行整合，使其形成一个完整的模型整体。整合完毕后，利用BIM 技术的碰撞检测功能，就能够实现对管线碰撞问题及土建结构冲突问题的快速检测。对于综合管线，可以快速检测出碰撞的节点、涉及专业、具体的空间关系等；在土建方面，不仅可以发现结构梁柱、门窗洞口等冲突的位置，也可以对复杂节点位置进行检测，在二维图纸中不易表现的形体在模型中可以非常直观地呈现出来，便于设计人员对建筑细部节点进行优化。相较于传统的检查方式，基于BIM 技术的碰撞检测方式速度更快、精度更高，能够显著提高设计质量和设计效率。

3.2 用于协调各专业的设计过程

相较于传统的设计方式，BIM 技术能更好地整合地铁车站项目的各个专业，除了传统设计中涉及的建筑、结构、给排水、电力、环控外，还能有效整合与地铁运营有关的配套专业，如通信、信号、行车、轨道等。若是采用CAD 制图的方式，其间需要各专业之间进行大量的沟通和反复的协调来实现协同设计，会耗费大量的时间成本、人力资源，而且需要复杂的管理体系来保证整个设计系统的正常运行。这种方式不但效率低下，且由于接口过于复杂，设计中的联动较为被动，非常容易出现专业间的接口出现偏差的情况，会降低工作效率，也不利于成果质量控制。而利用BIM 技术，可以有效整合各专业设计，如利用BIM 中央系统与数据库进行交互，即可实现各专业的高度协同设计[4]。在不同专业间、不同建设参与方的沟通方面，利用BIM 技术可使问题的呈现更直观，如此便能大大降低各方的沟通成本，提高解决问题的效率，提高设计质量。

在施工过程中，工程中所涉及的所有标高、外形、材质等，即与施工直接相关的数据资料都可以在BIM模型中进行筛选调用，这种数据共享方式具有较强的直观性，施工人员和设计人员能够一目了然，从而实现设计与施工的有效协调。施工技术人员还可利用BIM 技术数据集成程度高的特点，这种直观性强的优势，相较于传统的二维图纸而言无疑具有显著的优势，现场施工人员基于BIM 系统对施工设计进行了解后，就能够全面了解施工难点、设计人员的设计理念等内容，进而高效地完成设计交底。

3.3 辅助施工图纸绘制

BIM 模型深化完成后，可直接转换为二维图纸，可以大大提高施工图纸绘制效率。比如，复杂程度极高的地铁综合管线以及管线的预留土建洞口等。想要保证施工图纸能够精确地指导施工，需要绘制上百个位置的剖面图，而且根据实际施工情况，还要分别绘制各个专业管线的图纸。如此巨大的工作量要占用海量的人力和时间，而且容易出错。借助BIM 技术，在完成模型建立、满足专业要求、碰撞修改后，利用导出二维CAD 图的插件，统一设置好图框、图层、线性等出图标准，即可批量生成绘制标准统一、绘图规范的图纸，后续如需调整，根据实际的工程情况，对一些细部标注进行调整即可及时完成图纸修改，不仅能大大降低设计人员的工作量，还能保证图纸的精确性。BIM 建模能够在三维模型绘制的过程中，及时发现设计中存在的缺陷，了解图纸中的错误，避免了由于图纸出错而导致的返工现象，同时与二维图纸相比，BIM 建模具有更快的审核反馈效率，减少不必要的设计变更，大大提高了设计效率，节约地铁设计施工的成本，兼顾了经济效益和设计效率，因此应用BIM 技术有助于施工图纸的绘制及审核。

3.4 用于模拟施工流程

考虑到地铁车站工程规模较大，地下车站基坑深度较大，同时多位于市区繁华街道，周边环境较为复杂，可供施工的空间较为狭小，相对来说，施工风险大、难度高、投资高[5]。借助BIM 技术，按照施工方案反复模拟施工过程，能在这一过程中发现可能存在的问题和风险，进而及时针对问题对施工方案进行调整和修改，提前制订应对措施，进而优化施工方案和图纸，以更好地指导施工，为施工单位制定更完善的人员、机械、设备投入计划，节约资源提供有效支撑，从而保证项目顺利开展。

4 目前BIM 技术的应用局限性分析

虽然BIM 技术在城市轨道交通工程设计中的运用取得了一定的成效，但是距离全面深化应用的目标还有一段距离，在实际应用中也暴露出了一些问题，若不及时解决，会阻碍BIM 技术的进一步发展和应用。目前，BIM 技术在城市轨道交通工程设计中的应用局限性体现在如下几个方面。

4.1 缺失统一的BIM 技术标准

在BIM 技术应用方面，目前普遍存在各自为营的现象，即不同的BIM 生态只关注与自身领域相关的配套技术的发展，未能朝着标准统一化的方向发展。相较于国外，我国的这一发展现状显然不利于BIM 技术在地铁车站设计及其他相关领域的深化推广，因此需要国家层面予以一定的支持，如制定相应的标准，有效解决这一问题。

4.2 配套技术发展不健全

目前，我国的许多BIM 配套设备及核心建模软件的发展尚不完善，导致BIM 技术在实际应用的过程中仍然存在较大的局限性，对于地铁车站这类复杂的工程项目而言，还需要进一步开发专业的配套软件，以满足日常工作中的使用需求。

4.3 专业人才的缺失

此外，我国存在BIM 技术人才短缺的问题[6]。目前，我国各大高校有关BIM 技术的课程开设不足，真正全面掌握BIM 技术的专业性人才少之又少，多是对BIM 技术一知半解，在实际应用时难免会存在不足。为此，高校需要加大对相关人才的培养力度，企业也要重视对相关人员的培养，进而全面提高BIM 技术在地铁车站设计及其他相关领域的应用效果。

5 结语

相较于传统的CAD 设计模式，BIM 技术无疑具有更多优势，不但能为各单位之间的协同配合提供一个开放平台，还能有效节约设计时长，提高设计图纸的准确度与精确度，进而大大提高施工质量。但BIM 技术在城市轨道交通工程领域的应用方面，也暴露出了一些问题，如缺乏统一标准，专业配套设备与软件尚不健全，专业人才相对不足等。因此，为进一步发挥BIM 技术在相关领域的应用效果，需采取有效对策，形成相应的应用标准体系、逐步完善配套设备与软件，加大专业人才培养力度等，以促进我国交通事业的发展。