城市軌道交通地下區(qū)間BIM設(shè)計(jì)研究

方黃磊

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）概念由Eastmam于1975年提出［1］，而后廣泛運(yùn)用于建筑、工業(yè)、基礎(chǔ)建設(shè)等行業(yè)。根據(jù)美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對BIM的定義［2］以及對當(dāng)前BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀［3-4］進(jìn)行研究，其主要應(yīng)用包含3個方面：（1）設(shè)計(jì)三維BIM模型，集成各類工程信息，形成工程項(xiàng)目的數(shù)字化表達(dá)；（2）以BIM模型為基礎(chǔ)，為工程全生命周期中各項(xiàng)作業(yè)決策提供信息依據(jù)；（3）工程所涉及專業(yè)以BIM模型為平臺，進(jìn)行信息共享與協(xié)同作業(yè)。因此，BIM模型作為所有工程信息的虛擬載體，是實(shí)現(xiàn)全生命周期BIM運(yùn)用的基礎(chǔ)，BIM模型設(shè)計(jì)是其推廣應(yīng)用的第1步。

地下區(qū)間作為城市軌道交通工程的重要部分，因其施工工法多，導(dǎo)致工程實(shí)體截面形式各異、裝配式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)并存，因此建立地下區(qū)間BIM模型需要采用不同的建模思路。城市軌道交通工程結(jié)構(gòu)在幾何特征上表現(xiàn)為沿空間曲線分布，模型整體和細(xì)部均以異形空間曲面為主，區(qū)間內(nèi)部的細(xì)部構(gòu)造定位主要依靠線路中心線實(shí)現(xiàn)，并且細(xì)部構(gòu)造較多且分布規(guī)則各異，給BIM模型設(shè)計(jì)帶來巨大困難。地下區(qū)間涉及專業(yè)多、模型信息豐富、交付成果種類多，需要制定合適的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范BIM設(shè)計(jì)行為。解決這些問題需要對建模軟件選擇、建模標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件庫搭建等方面進(jìn)行深入研究。因此，對城市軌道交通地下區(qū)間BIM模型設(shè)計(jì)研究中面臨的問題進(jìn)行討論，提出可行的解決思路，促進(jìn)城市軌道交通BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1 建模軟件選擇

現(xiàn)有BIM建模軟件種類繁多，選擇地下區(qū)間BIM模型建模軟件需要結(jié)合地下區(qū)間模型特點(diǎn)、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、二次開發(fā)、培訓(xùn)成本等方面進(jìn)行綜合考慮［5］。目前，城市軌道交通BIM設(shè)計(jì)采用的主流軟件為“ABD”三大平臺下的系列軟件，均包含建模、檢查、展示、分析等系列功能（見表1）。其中，地下區(qū)間建模常用軟件有Revit、OpenRail Designer、CATIA等。

表1 城市軌道交通BIM設(shè)計(jì)主流軟件功能對比

地下區(qū)間施工主要采用盾構(gòu)、明挖、礦山法3種施工工法［6］。盾構(gòu)法采用裝配式結(jié)構(gòu)，明挖法與礦山法主要為現(xiàn)澆式連續(xù)結(jié)構(gòu)，裝配式結(jié)構(gòu)包含大量類似螺栓孔洞的細(xì)部構(gòu)造，對軟件的參數(shù)化建模功能要求較高，能夠利用參數(shù)驅(qū)動形體實(shí)現(xiàn)一模多用，現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)沿空間曲線連續(xù)分布，截面輪廓存在變化的需求，對軟件的異形曲面建模能力具有挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)有的BIM設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利用三大平臺都能夠?qū)崿F(xiàn)地下區(qū)間建模，但是三大平臺在實(shí)現(xiàn)過程中均存在困難，不能解決地下區(qū)間BIM模型設(shè)計(jì)過程中遇到的所有問題。

根據(jù)表1所列不同軟件平臺的特點(diǎn)，對地下區(qū)間BIM核心建模軟件的確定提出以下建議：

（1）項(xiàng)目規(guī)模較小、以單體建模居多、資金有限時，建議采用Revit進(jìn)行設(shè)計(jì)，特定異形結(jié)構(gòu)建模通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)；

（2）大型工程項(xiàng)目、涉及多專業(yè)協(xié)同、項(xiàng)目資金充裕時，建議采用OpenRail Designer進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)文件通用；

（3）項(xiàng)目異形程度高、參數(shù)化要求高、預(yù)算比較充裕時，建議選擇CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時與Revit平臺進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。

以全生命周期應(yīng)用作為推動力的BIM設(shè)計(jì)，在不遠(yuǎn)的將來必將以某種形式實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)互通，目前各大設(shè)計(jì)院應(yīng)結(jié)合自身在行業(yè)中的定位選擇適當(dāng)?shù)慕＼浖?，進(jìn)行深入開發(fā)，提高BIM設(shè)計(jì)效率。

2 建模標(biāo)準(zhǔn)

制定建模標(biāo)準(zhǔn)是為了約束建模行為，保證BIM模型的統(tǒng)一性、規(guī)范性以及可用性。軌道交通BIM模型設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作已陸續(xù)開展，要結(jié)合各地BIM設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營各階段不斷修正BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［7］。下面從模型拆分、命名規(guī)則、模型信息、建模深度等方面，對地下區(qū)間BIM建模標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵部分進(jìn)行探討。

2.1 模型拆分

模型拆分主要針對BIM模型幾何實(shí)體進(jìn)行，拆分地下區(qū)間模型應(yīng)從BIM模型的應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合軟件功能、建模思路、硬件配置、二維圖形等方面進(jìn)行綜合考慮。在地下區(qū)間范圍內(nèi)，除了標(biāo)準(zhǔn)的隧道結(jié)構(gòu)，還包括區(qū)間風(fēng)井、聯(lián)絡(luò)通道及廢水泵房、工作井等單體建構(gòu)筑物，因而拆分地下區(qū)間模型原則應(yīng)同時兼顧單體建構(gòu)筑物與占據(jù)大多數(shù)里程范圍的隧道區(qū)間，不同工法的隧道區(qū)間在建模思路上也有所不同，均應(yīng)當(dāng)分別建模；針對不同模型單元，結(jié)合傳統(tǒng)二維圖紙內(nèi)容，應(yīng)作構(gòu)件劃分。經(jīng)過上述思路劃分，僅需要對基本構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)一模多用，大大提高BIM建模效率。同時，僅對合模的計(jì)算機(jī)配置要求較高，可減少硬件方面投入。

主要拆分原則如下：

（1）地下區(qū)間按單體建構(gòu)筑物及工法類型進(jìn)行分解，制作模型單元；

（2）區(qū)間風(fēng)井、聯(lián)絡(luò)通道等單體模型按專業(yè)、樓層進(jìn)行拆分；

（3）明挖區(qū)間與礦山區(qū)間按照施工縫為界進(jìn)行拆分；

（4）較長的盾構(gòu)區(qū)間按照里程進(jìn)行拆分；

（5）模型單元按構(gòu)件層次做拆分；

（6）地下區(qū)間范圍內(nèi)市政、地形地質(zhì)、周邊建筑單獨(dú)建模。

2.2 命名規(guī)則

建立命名規(guī)則意味著通過檢索能夠快速調(diào)用BIM相關(guān)模型與構(gòu)件，提高BIM模型設(shè)計(jì)與管理效率。軌道交通工程地下區(qū)間BIM模型命名規(guī)則包括項(xiàng)目文件夾、模型文件、構(gòu)件的命名。BIM項(xiàng)目文件夾命名體系應(yīng)根據(jù)工程名稱、工點(diǎn)名稱、設(shè)計(jì)階段以及所屬專業(yè)建立（見圖1）。

圖1 BIM項(xiàng)目文件夾命名體系

由圖1可知，模型文件名稱應(yīng)反映項(xiàng)目、設(shè)計(jì)階段、工點(diǎn)、專業(yè)以及文件版次等信息，為便于檢索可以采用代碼形式進(jìn)行系統(tǒng)性命名，建議采用“項(xiàng)目代碼-階段代碼-工點(diǎn)代碼-專業(yè)代碼-版次代碼”的格式，如WH062-SS-QJ01-SD-1表示武漢市軌道交通6號線2期工程-施工圖設(shè)計(jì)階段-01區(qū)間-隧道專業(yè)-1版。構(gòu)件作為模型單元最小組成部分，構(gòu)件所屬類型、材質(zhì)以及關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)當(dāng)在構(gòu)件名稱中體現(xiàn)，建議采用“類型名稱-材質(zhì)名稱-關(guān)鍵參數(shù)”的格式。

2.3 模型信息

BIM設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何將全生命周期中各類所需的信息集成至BIM模型，主要信息包括幾何信息與非幾何信息［8］。地下區(qū)間BIM模型的屬性信息隨設(shè)計(jì)階段深入，按設(shè)計(jì)階段要求不斷將模型所需信息添加至BIM模型。BIM模型的信息豐富度應(yīng)滿足當(dāng)前階段協(xié)同設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、施工指導(dǎo)以及運(yùn)營維護(hù)中各參與方所需的數(shù)據(jù)量，并且數(shù)據(jù)格式應(yīng)滿足不同參與方間傳遞和共享的要求。

根據(jù)上述模型拆分原則，將地下區(qū)間模型拆分至構(gòu)件級后，基本能夠提供各參與方的數(shù)據(jù)信息附加主體。模型信息附加方式主要包括以下2種：

（1）在建模過程中，利用軟件基礎(chǔ)功能，在模型中創(chuàng)建數(shù)據(jù)接口并輸入信息；

（2）在BIM模型之外創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，利用編碼鏈接或模型關(guān)聯(lián)的方式，將外部數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行對接。

對于地下區(qū)間的幾何信息，以坐標(biāo)尺寸方式直觀地表現(xiàn)在模型上，而材質(zhì)特性、模型分析參數(shù)等數(shù)據(jù)可以通過自帶接口或者創(chuàng)建接口的方式進(jìn)行輸入與調(diào)整，對于施工管理及運(yùn)營維護(hù)中使用到的數(shù)據(jù)更適合在數(shù)據(jù)庫中集成并鏈接，便于后期二次開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這些信息外置也利于模型輕量化。不同階段地下區(qū)間BIM模型所需數(shù)據(jù)不同，結(jié)合具體需求，剔除上階段模型中的冗余信息。

2.4 建模深度

在BIM建模設(shè)計(jì)中，建模深度為構(gòu)件信息的豐富程度［9］。如果構(gòu)件信息太少，無法滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)階段對于模型信息的需求；如果構(gòu)件信息過多，會增加設(shè)計(jì)人員的工作量，降低設(shè)計(jì)效率。因此在不同項(xiàng)目階段，模型深度應(yīng)滿足各項(xiàng)目參與方在該階段的需求。針對地下區(qū)間BIM模型設(shè)計(jì)，按照不同工程階段，建議將模型深度從低到高劃分為6個等級（見表2）。

表2 地下區(qū)間BIM建模深度等級

3 構(gòu)件庫搭建

類比機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對于構(gòu)件的理解，土建BIM構(gòu)件是BIM模型中可更換的實(shí)體組成部分，并且具有不可替代的特定功能［10］。通過建立標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫，利用參數(shù)化驅(qū)動構(gòu)件的關(guān)鍵尺寸得到不同類型構(gòu)件，可減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)創(chuàng)建模型構(gòu)件的工作。從構(gòu)件定義角度理解，裝配式結(jié)構(gòu)與單體建構(gòu)筑物能夠明確劃分具有特定功能的構(gòu)件，盾構(gòu)法施工是對管片、螺栓等構(gòu)件反復(fù)拼接的過程（見圖2（a）），而明挖法與礦山法施工主體結(jié)構(gòu)是由空間曲面圍合而成的實(shí)體（見圖2（b）），其本身無法定義為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。針對沿著空間曲線分布的連續(xù)實(shí)體，建議以結(jié)構(gòu)斷面或輪廓作為基本構(gòu)件，通過對斷面或輪廓尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)斷面，通過掃掠或放樣的方式實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)建模。明挖法的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、礦山法的支護(hù)措施同樣可以通過參數(shù)化構(gòu)件形式制作入庫。

為滿足不同設(shè)計(jì)階段需求，對各階段構(gòu)件建模深度和屬性信息范圍做出明確要求，并且分別制作不同階段需求的構(gòu)件，這樣能保證組裝項(xiàng)目模型的信息量有效且合理。通過以上思路，可搭建適用不同設(shè)計(jì)階段、包含全工法的地下區(qū)間BIM構(gòu)件庫，合理開發(fā)構(gòu)件庫管理系統(tǒng)，在項(xiàng)目過程中不斷積累更新構(gòu)件，有利于完善地下區(qū)間BIM構(gòu)件庫，從而提高BIM設(shè)計(jì)效率。

圖2 地下區(qū)間BIM模型

4 結(jié)論

（1）通過分析城市軌道交通地下區(qū)間BIM模型特征，對比現(xiàn)階段主流建模軟件平臺的功能特點(diǎn)，為選取軌道交通地下區(qū)間BIM建模軟件提供建議。

（2）為規(guī)范地下區(qū)間BIM設(shè)計(jì)行為，應(yīng)當(dāng)制定適用的建模標(biāo)準(zhǔn)，從模型拆分、命名規(guī)則、模型信息以及建模深度等方面對地下區(qū)間BIM設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行討論。

（3）構(gòu)件庫作為BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資源，直接影響模型質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率，提出適用于地下區(qū)間各設(shè)計(jì)階段、全工法構(gòu)件庫的搭建思路。

通過以上研究工作，為現(xiàn)階段地下區(qū)間BIM設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)提供可行的解決思路，促進(jìn)BIM在城市軌道交通中的應(yīng)用。