基于BIM的地鐵場站綜合辦公樓虛擬建造與數值模擬研究

李富強

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司）

1 引言

地鐵場站綜合辦公樓設計涉及辦公、餐飲、住宿，管線十分復雜，主要包括通風空調、給排水、消防給水、動力照明、FAS、BAS、供電、通信、信號等。通過BIM技術可以直觀、全方位的查看各種管線的位置、走向、高度，從而協調專業間的沖突，做出最合理的修改和排布，避免設計環節中往往會忽略的施工安裝、運營維護等實際問題[1-2]。

在施工階段BIM技術可以讓設計和施工無縫溝通，幫助施工企業更直觀、簡單、高效的了解設計意圖，而且如果設計階段本身就采用了BIM技術，那么對于管線施工來說就有了很大的技術保障。所以BIM是一個從設計開始一直貫穿施工運營的全新的工作方式[3-4]。

本文以西安地鐵四號線場站綜合辦公樓項目為研究對象，將BIM理念應用于綜合辦公樓施工中，通過建立三維建筑模型、機電模型及有限元模型，對綜合辦公樓專業間碰撞以及虛擬建造進行了系統研究，同時對該綜合樓一層餐廳網架結構進行了有限元數值模擬分析。所得結果為BIM技術在地鐵場站綜合辦公樓施工中的應用提供了有益的參考。

2 工程項目簡介

西安地鐵四號線綜合辦公樓工程（以下簡稱為“綜合樓”）位于TJSG-TCC標段的東南部，建設基地與周邊道路連接順暢。該綜合樓為鋼筋混凝土框架結構，4層，其中1至3層為生產辦公功能區，配套廚房、餐廳、浴室及車庫等功能空間，4層為乘務員公寓。總建筑面積：5659.3m2；建筑總高度：17.4m；結構類型：鋼筋混凝土框架結構；耐火等級：地上二級，消防泵間為地下一級；防水等級：屋面防水等級Ⅰ級，地下消防泵間防水等級為地下Ⅰ級；設計使用年限：50a；抗震設防烈度：8度。

由于本綜合樓功能涵蓋辦公、生活和生產，因此在設計建造時存在多個專業之間的協調，在施工過程中核對工程量時容易發生失誤。同時該綜合樓的建筑和機電安裝工程也較為復雜，存在多專業之間的協調和管線碰撞的風險。

基于上述的問題，針對西安地鐵四號線停車場綜合辦公樓工程應用BIM技術進行建筑信息模型的建造，用以指導該項目的施工建設。

3 BIM模型的建立

依據BIM理念，對擬建的綜合樓以BIM三維建模涉及工程的全部二維圖紙進行實體化、參數化。特別是針對綜合樓所獨有的一些結構構件、設備裝置進行專門的族庫研發設計，形成建筑的三維數字化，從而形成結構及非結構構件溯源、實現建筑虛擬建造。

除土建施工以外，機電安裝是工程項目建造施工過程中重要的一環，在BIM模型建造過程中對機電BIM模型的搭建是十分重要的。依據綜合樓項目的具體情況，該項目的機電模型可以分為通風空調、空調水、給水、排水、強電、弱電及消防等。其餐廳除上述內容外，在暖通和空調方面仍有著特殊的設計要求[5]。

綜上所述，根據實際施工圖紙搭建出綜合樓的精準三維信息建筑模型，使施工單位和建設單位能全方位、直觀地理解綜合樓項目的設計意圖，清楚地看到施工過程中的實時形象和進度情況。其中表1為綜合樓BIM模型的深度標準。

4 BIM各類模型在工程中的應用

BIM的意義在于將建筑施工的過程數字化、可視化和溯源化，因此建筑BIM模型在工程施工中的應用分為許多方面[6]。

4.1 工程量提取

利用所建成的綜合樓工程的BIM三維模型中豐富的結構構件數據信息，結合工程施工中實際需要，可以通過BIM軟件快速靈活的提取各部分構件的工程量信息。便于工程項目部對綜合樓的工程量進行實時控制[7]。

4.2 碰撞報告分析

由于綜合樓施工涉及建筑、結構和設備（含水、暖、電）三大專業，因此在實際工程施工過程中面臨多專業間的協調，做到合理的專業間避讓，從而盡量降低工程變更率。利用BIM技術對所建立的真實三維模型進行多專業間的碰撞檢測，在實際施工前檢測出專業間碰撞的問題，從而將問題前置，避免專業間的沖突是針對該綜合樓進行BIM虛擬建造的最大意義。通過對綜合樓BIM模型進行碰撞分析，發現存在多處碰撞點，碰撞類型分為專業內的碰撞[8]（見圖1）與專業外的碰撞（見圖2）。并據此形成了各專業（結構、機電、暖通）間碰撞報告及優化建議（初始各類碰撞共1000余處）。

表1 BIM模型創建深度表

圖1 排風管與采暖回水管、采暖供水管碰撞

圖2 結構梁與消火栓管碰撞

其兩類碰撞的原因經過分析主要由下列因素造成：

①建筑施工圖與結構施工圖前期未能有效統一，而機電專業設計圖紙管線在定位時錯誤使用建筑施工圖，而未與結構施工圖相結合；

②水、暖、電等設備施工圖在設計時未有效與結構施工圖設計匹配，導致部分管線標高過高，與結構梁標高沖突，從而造成專業間的碰撞；

③施工圖所涉及的各專業設計人員之間溝通不暢，未能及時有效地協調各專業間的工作，造成專業信息不對等，從而產生專業間（主要是結構專業與暖通專業）的碰撞。

在碰撞發生后，借助BIM模型，還對原有的不合理的機電管線設計方案進行了優化，形成了新的專業設計結果（見圖 3）。

4.3 虛擬建造

利用BIM技術的協同性、模擬性的優勢特點，借助完成的BIM模型可以對項目的重點或難點部分進行可建性模擬，根據施工進度計劃結合細化后的綜合樓的BIM模型，拆分進度計劃，以確定每一個模型構件所對應的建造時間，最終完成工程構件與時間的無縫匹配，做出詳細的構件及進度計劃表。施工過程中應用BIM模型及NAVISWORKS軟件的功能，將經Revit細化后的模型及進度計劃表導入軟件，通過將每個進度信息與相應構件進行關聯，然后進行設置調整完成準備工作。對于一些重要的施工環節或采用新施工工藝的關鍵部位、施工現場平面布置等施工指導措施進行模擬和分析，以提高計劃的可行性。本項目對綜合樓工程項目的施工建造進行了模擬，直觀地了解了整個施工安裝環節的時間節點和安裝工序，同時也使得施工方進一步對原有安裝方案進行了優化和改善，提高了施工效率和施工方案的安全性。

4.4 實時漫游

提前獲得擬建工程的竣工效果對于工程建設方與施工方以及設計方都是具有現實意義的。因此，在前述實際應用的基礎上，借助3D MAX等渲染軟件工具，對綜合樓工程建成投入使用后的實際情景進行了仿真展示，跨越時間和空間的限制實現用戶體驗，從而對整個設計效果進行綜合驗證。

5 MIDAS/CIVIL有限元分析

該綜合樓工程除了在功能上構造復雜外，在結構類型上也存在主體框架結構與一層餐廳網架結構兩種類型的交叉。為了在施工前對結構的受力有深入的理解與把控，將BIM理念進行延伸，加入結構受力分析。依據MIDAS/CIVIL專業有限元軟件，選用Beam單元及與實際一致的約束方式，建立網架三維有限元模型，對網架結構進行受力分析。從有限元分析結果來看，該網架受力合理，上弦桿與下弦桿以及腹桿內力均未超出桿件材料的許用應力，結構受力安全。

6 結語

通過在西安地鐵四號線綜合辦公樓工程中引入BIM理念，借助Revit、NAVISWORKS、3D MAX 和 MIDAS/CIVIL等專業軟件，對綜合樓進行了建筑信息模型建立、分析以及優化，可以得出如下結論：

①在復雜施工項目中應用BIM技術進行輔助施工，可以借助BIM技術中不同專業間模型的真實組合，通過三維碰撞檢查提前在施工圖中發現專業間的碰撞問題，從而能夠給企業減少損失，提升施工效率；

圖3 機電管線綜合優化示意

②虛擬建造的實現可以將BIM技術的應用成果延伸到4D施工進度管理、材料管理、虛擬施工指導、成本管理及設備運維管理等，從而提升施工過程中各項管理效率；

③基于BIM模型而實現的項目建成虛擬漫游可以預先掌握項目建成后的效果。從實踐檢驗來看，采用虛擬漫游動畫可以有效提升工程建設方與施工方的溝通效率，并可進一步在工程技術交底中予以應用，避免交底不清和理解偏差；

④BIM的理念在于建筑的全生命周期管理，因此，將數值模擬理念合理融入到BIM技術中，對各專業中影響較大的結構專業進行有限元數值模擬，可以在項目虛擬建造的同時把控好結構受力分析，對結構的施工形成理論支撐。