BIM模型在科隆尼佩斯動車段項目中的運用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

BIM模型在科隆尼佩斯動車段項目中的運用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

德鐵國際公司作為項目總包承接了德鐵長途客運公司的新建科隆尼佩斯ICE動車段的設計項目。該動車段將承擔全部新購ICE高速列車以及用于長途客運的新一代城際特快列車ICx的養護維修任務。

為了完成這一艱巨任務，項目設計組使用了建筑信息模型（BIM）。

1 項目要求

（1）動車段項目投資大約2．2億歐元，其中6 000萬歐元是設計目標的建設成本。

（2）主體功能分布在一個長443 m的維修車間內，其中鋪設4條維修股道和6個不同的作業面。此外，還有4層的辦公和管理區，包括幾個會議室、1個接待室和內部餐廳。在一個附樓內有6個不同的輔助車間，1個設有750個衣帽柜的更衣間和1個2層的技術區。在另外一個附樓內設立了多個重要功能區，如氣候試驗室、變電室和大型儲藏單元。對各維修工序所需要的材料都規定有相應的存放位置：對小部件配置了專用的自動托舉系統，放置在7 m多高的窄貨架上的托盤和格柵箱中；對大部件和輪對也規定了相應的地面存放位置。

（3）動車段配備最先進的機械設備：

● 8臺載質量為1．6 t、能縱向行走的旋臂起重機，用于更換長途列車車頂上的笨重大部件，如空調設備。

● 轉向架更換設備，用于更換完全組裝好的整個轉向架和位于車輛下方的其他比較笨重的主要部件，因此也可進行繁重的修理作業。

● 專用的、與轉向架更換設備構成邏輯聯系的轉向架試驗臺。在模擬載質量的條件下對轉向架進行測量，對彈簧進行調整作業。

● 維修股道安裝橫向軌道梁，用于快速和直接更換輪對；還安裝可走行的作業平臺。

● 空心軸超聲波檢測系統、空調設備維修車間以及其他檢測室和車間。

為達到建設和運營過程中的可持續發展目標，進行了動態建筑模擬實驗，以提出更理想、高效率且可持續的能源供應設備設計。此外，利用地下水在冬天供應熱能，夏天則用于制冷。光伏發電設備能使地熱設備的運行更加環保。消防水箱還用于儲存熱能，所儲存的熱能用于冬天對列車除冰。辦公室、其他公共空間和外部設備都采用了LED照明燈，以實現更加節能的目的。

根據設計方案，車間外墻采用了大面積的聚碳酸酯保溫層，這就像一層輕薄皮膚覆蓋在堅固的混凝土外部基底上。多顏色的保溫層向外界展現德鐵集團Logo的顏色；由于其透光性高，能充分利用陽光。智能照明控制系統按需求自動打開燈光照明。

2 設計階段

為進行如此復雜的房屋結構設計，首先規定了基本要求，以了解設計任務的規模。除了進行傳統2D設計外，還要研究如何進一步改進設計方法（見圖1）。非常重要的是要促進專業設計組之間的合作，以及向所有項目參與者提供最新的設計狀況信息，以避免信息損失。

此外，還要求準備靈活的備選設計方案。因為在本階段，具體應鋪設幾條維修股道，車間應有多大規模等問題還沒有最終確定。討論中曾提出了鋪設3條、4條或者6條維修股道的方案。因此在最初的設計階段，必須同時進行3種方案的設計。設計組試圖尋找一種解決方法，能從包含不同變通方案的一種設計中導出3個不同的設計。在設計模型中將設計與大致數量和估算成本建立邏輯聯系也非常重要，因為若沒有這種邏輯聯系，在相互關聯的設計方法中就必須人工補充數量和重量，這可能會導致出現錯誤。此外，計劃采用一種高效方法通過以后的修改對設計進行調整，盡量縮短設計時間并能迅速實現可視化，從而能方便地向委托方和項目的合作方介紹建議設計方案。

2012年第一季度在進行房屋建筑設計的初步規劃階段就采用了BIM設計方法和支持BIM的3D軟件（見圖2），滿足了上述所有要求。

3 房屋結構設計：數據結構和項目處理

為了處理設計工作，制作了一個中央房屋結構模型，建筑師在這個模型內貫徹落實他們的設計工作。由8名建筑師組成的小組同時在該模型上進行工作，綜合集成了對房屋結構最重要的三個專業設計師，即承重結構設計、機械設備和建筑技術設備設計師的設計方案。

預先共同商定了對合作設計工作流程的規定。其中包括需要交換的細節深度、對統一的計算處理參數和命名習慣的規定。建議使用統一的軟件，但只有在專業設計師來自同一家公司才能保證做到。若使用不同的軟件，就必須確定交換格式。建議通過IFC（Industry Foundation Classes）接口來進行數據交換。這樣，所傳輸的模型信息比構件的3D結構圖形信息還要多。為了避免不統一，所使用的設計軟件要經過IFC認證。

此外，對設計進展必須規定定期進行交換數據的固定時間節點。只有這樣才能為其他設計組提供最新的設計信息，并核查和推動設計進展。

在結構模型內落實設計工作的一個重要作用是能規定各建筑構件的設計要求，它為推動設計工作產生了巨大創新動力。在采用傳統設計方法時，建筑師必須在2D系統中追補其他建筑物的設計，而采用BIM方法后在已明確規定的責任范圍內只需控制3D設計數據的輸入。圖3說明，許多設計內容不屬于房屋結構設計，但是這些內容對房屋結構設計有重大關聯。

跨專業3D設計的另一個優點是，可在3D模型的任意位置生成傳統2D的平面布置圖、剖面圖和正視圖，因此在設計過程中可省去大量的繪圖工作。所插入的其他建筑物的設計也會同時顯示出來。此外，在3D設計范圍很容易看出結構物之間的沖突（見圖4），并能予以消除。

與傳統的2D設計相比，利用3D設計模型能夠高質量實現可視化，向客戶形象化介紹設計團隊的設計建議和方案，或者由客戶向公眾演示介紹。例如，為充分利用日光，通過這種3D設計模型將模型（數據）傳輸至軟件系統，進行了日光模擬實驗。

除此以外，可計算表冊內的所有參數和構件，例如對房屋建筑內部布局明細表冊內的參數和構件或者質量和數量進行計算。采用這些措施還能提高設計質量（見圖5）。

目前，德鐵國際公司正在努力達到以下目標，不僅在一個數據模型中按數據交換間隔時間將主要的房屋建筑物在一個數據模型中拼接起來，還要在一個模型中同時開展設計工作。這樣整個設計過程就與可視的BIM設計很相似（見圖6）。

4 “5D”設計

在初步設計階段，項目組可對進入5D設計的連接關系進行詳細測試。與市場領先的AVA軟件（招標、標的分配和工程建設成本核算）開發公司合作的目的在于，可在所設計的3D構件以及對施工流程進行模擬的基礎上進行可靠的成本核算。

5 成本核算

為了能夠進行計算，對所有3D構件都進行編碼，并執行同一種命名規則。在設計工作流程中，可把3D設計數據輸到一個特別生成的文件中，接著載入AVA軟件。在AVA環境中，把不同的構件分為報表，并安排在設計工作明細表中的相應項目內，以便進行成本核算。對這些報表可通過編程公式從3D模型中逐一地進行查詢。初步看這一步驟非常耗時，但能使以后的設計階段更有效率。因為只要把各構件與一個相應項目構成邏輯關系，以后一旦有變更就會自動計算所產生的成本。設計中若每天都有變更，上述方法就能降低成本，尤其與目前常用的人工計算修改方法相比更加明顯。從3D模型中生成的設計工作明細表各項目的重量和數量特別有用，這些表格可根據當時所需要的參數，迅速改變分類（見圖7）。

6 施工流程模型

制作施工流程模型，即將第5維“時間”與成本和構件聯系起來，是實現建筑工地施工流程的可視化非常有說服力的工具。在早期設計階段就可實現施工流程的可視化，而在設計工作比較繁重的大型項目中此前一直是以進度表反映施工流程的。但是，這并不意味著傳統的工期進度沒有用處，工期進度表依然是項目控制中的重要工具，是5D設計的依據。

5D設計，即與成本和時間要素建立邏輯關系的作用更多體現于輸出“流程影片”。AVA軟件在仿真過程中能播放施工進展、傳統的進度表、與施工進度模型相似顯示施工項目進展最新狀況，同時還顯示目前所花費的成本。因此在設計階段就能改進施工流程計劃質量，對施工監理而言能更迅速地監控整體進度。

德鐵國際公司認為，在5D工作流程內的3D模型對于撰寫投標書和給施工企業分配標的特別有用。通過將3D構件記錄在設計工作明細表的各分項目中，就能使這些項目實現可視化，這樣可使各個分項目內容更加明晰。與設計工作明細表的分項目建立邏輯關系可對各施工企業的報價進行比較，避免編制投標書出現錯誤。所有參與方都能從中獲益，并能在持續投入的時間內進一步提高質量。

7 總結

為新建“科隆尼佩斯動車段”項目選擇上述創新設計方法，是一個正確的決定。經驗表明，正確運用3D/5D技術盡管在準備階段花費較高，但能大大降低整體設計費用，尤其在變更設計修改較多時，費用降低的幅度更大。

現在公司正在進一步擴展BIM工具的用途，最終建筑設計部門從最初的項目建議書、拆除目標物到項目實施都可使用該工具實現可視化目標。

Thorsten Koop：德鐵國際公司，高級項目經理，thorsten.koop@db-international.de.

Erik Eifler：德鐵國際公司，建造設計師，erik. eifler@db-international.de.

Thomas Rath：德鐵國際公司，項目管理經理，thomas.rath@db-international.de.

注：本篇文章轉載于《鐵路技術評論》雜志2015年3月第21卷，但編者對文章的內容進行了精簡和改編。

責任編輯 王小紅