BIM技術在地鐵設計中的運用

郭 杰

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京100000）

地鐵的設計不僅要考慮地鐵本身的功能，也需要充分研究地鐵線路、地鐵站的重要性，滿足工藝的要求。但是隨著地鐵站的逐漸復雜，使用傳統CAD方法開展設計已經很難滿足表述要求，設計人員在設計工作中分析地鐵施工到運行的動態過程也有一定的困難。為此，需要使用BIM技術進行地鐵的設計工作，使設計人員可以綜合考慮地鐵在功能、工藝、施工、成本、安全等各方面的要求，減少地鐵建設過程中的問題，提升地鐵的建設水平。

1 基于BIM技術的地鐵站模型

資產或者設備管理人員使用CAD圖紙可以寫入格式數據，以收集資產或者設備的有用信息。如果項目在建設過程中突然出現了狀況，就需要不依賴圖紙和規范進行處理，保證對現場情況處理的靈活性。在BIM技術出現后，對項目的建設水平逐漸提升，不同專業之間的聯系更加緊密，因為BIM技術平臺保證了行業之間的溝通效率[1]。資產管理人員也可以使用BIM技術進行建筑物不同組件的識別工作，也能在施工的過程中，利用嵌入信息模型識別建筑物的施工歷史。

在BIM系統中，BIM軟件所建立的詳細模型用于定義建筑物中不同屬性的組件（如圖1地鐵工程BIM模型組成），這些組件被分成了幾個大類，包括建筑、結構、機械和電氣，BIM系統中每個組件或者屬性都可以根據其類型產生聯系，比如對結構單元，可以分析其材料信息、建設年限以及建設用途，還能計算維護、修復所需要的時間，并對之前存在的缺陷進行分析。資產管理人員需要通過設計將不同類型、屬性的組件信息聯系，例如可以設計模型的ID編號，安裝日期、能源消耗和先前維護的情況，以及修復措施[2]。地鐵車站的每個組件都會影響地鐵的服務水平和運行效率，因此資產管理人員需要了解組件對地鐵站的影響和作用，制定不同組件的權重，分析組件對地鐵站服務水平的影響。

圖1 地鐵工程BIM模型組成

地鐵站的地下空間有限，而施工建設過程中，每個施工工序都要有足夠的地下空間才能達到工藝要求，否則工程施工將難以進行。為了能真正地利用地下空間，減少工程施工中存在的沖突，施工方可以使用BIM技術開展模擬工作，尤其能模擬工程施工的動態過程，研究專業之間的協作要求，協調不同專業的施工，確定工程施工的最佳順序，以及優化施工現場機械設備的行走路線和人員活動范圍，減少施工過程中專業之間的沖突和矛盾。

2 BIM技術在地鐵設計中的運用

2.1 BIM技術用于檢測地鐵站內環境質量

為加強施工過程中對施工情況的檢測工作，需要建立基于BIM的無線網絡感知系統，依靠BIM技術模型，在地鐵站內設置和安裝傳感器，建立不同條件下的通信通道。系統主要包括兩部分，分別是基于BIM技術的地鐵站模型和路由器節點。依靠此模型能顯示不同構件在地鐵站和特定空間下所處的等級，可以以空間作為約束，將基于BIM技術模型內的無線傳感器所收集的數據匯總并儲存。

地鐵站的舒適監控器包括室內/室外溫度、濕度、舒適溫度和日期等參數，溫度參數會根據濕熱舒適監控器室外位置變化，是多數乘客都滿意的大氣溫度。舒適溫度會根據室內外平均中性溫度Tn，0、大氣溫度T0，根據公式Tn，0=17.6+0.31T0獲得，當信息輸出到BIM信息模型中后，參數就會根據當前的日期數據更新，以及更新其他數據[3]。無線傳感器部分包括了兩種布置點——路由器布置點和接收器布置點，微型控制器中包括了一個可以儲存代碼的儲存空間，能夠監控路由器節點的動態，并獲得連接到路由器節點的傳感器動態。例如在測量溫度和濕度時，就可以使用DHT11數碼溫濕度傳感器模塊，可以獲得的溫度測量精度為±2℃，濕度測量精度為±5%，數據可以從路由器節點傳輸到接收器節點，再從接收器節點傳送入計算機。

由于地鐵車站的地下開挖深度會超過平臺層以下10米，導致地鐵站的站臺層溫度往往高于室外溫度，而且，由于地鐵站內的乘客較多，乘客的體溫是地鐵站內熱量的來源，列車運行也會攜帶大量的額外熱量。所以應該基于BIM系統和傳感器加強對地鐵站的監控，及時根據溫度、濕度調整地鐵站內的環境，保證地鐵站的舒適性。

2.2 BIM技術用于地鐵站維護排序系統

地鐵站有著快節奏的運行特點，利用BIM技術可以在快速的交通網絡中完成對不同部分的快速識別，一般快速交通網絡包括了幾條線路，不同的線路在重要性程度上是各不相同的，運行過程中對地鐵站維護的排序重要程度主要取決于幾個關鍵因素。

比如特定線路乘客的數量就會決定線路的主要和次要，以及線路的服務位置也是線路重要性的決定性因素，以上因素也可以用于對地鐵站重要性的評價中?；贐IM系統，能夠建立地鐵站的模型，設計每個地鐵站的內部組成部分，每個部分的重要性取決于所提供服務的水平，以及重要性大小。比如地鐵站中的結構單元決定了地鐵站的穩定性，通風系統決定了地鐵站的舒適度，所以這兩種構件在地鐵站的設計中就是必不可少的，但是建筑物的裝飾構件相對而言就不是必須的。在對不同組件進行資金分配時，需要按照BIM系統的物理性和重要性分配。

目前，對地鐵站維護的排序開發了專門的等級算法，有專業的軟件可以完成計算工作。相關算法也能引入到BIM系統中，幫助地鐵站的資產管理人員打通網絡的屬性，并且確定地鐵站中最重要和最不重要的資產。相關屬性都是根據用戶的需求列出，用戶通過確定數值，系統就能自動完成對各個構件重要性的分析工作，并完成對重要性的排序。有些情況下，用戶將會獲得具有同等重要性的標準，相關標準將會被制定為相同的數值。目前，一般會使用BIM管理系統根據四個層次對地鐵站內部資產進行排序，系統會計算地鐵線路、地鐵站、各類組件的權重，分析組件的重要性。

結合BIM技術的管理方式，在對每個地鐵站進行重要性權重分析時，需要綜合考慮同一條線路的其他地鐵站重要性，最后確定地鐵站的權重，所獲得的結果成為局部權重[4]。之后利用局部權重也能計算出地鐵站在全局中的重要性，以及完成對與地鐵站相關的其他部分重要性的分析。無論是局部權重還是全局權重，對地鐵站的管理工作都十分重要，而且具有較高的適用性。比如在地鐵線路上分配資金時，就需要使用局部權重進行資金分配；如果對整個地鐵系統的不同地鐵站進行資金分配，就需要根據整體權重分析地鐵站的資金。

使用BIM系統，地鐵站資產管理人員可以根據幾個因素，結合不同地鐵站的特點確定地鐵站組件的優先指數。通過實際工作中的研究結果，發現地鐵站線路重要性主要由三個主導性特性決定：地鐵站所屬線路的平均壽命、地鐵站的服務位置、乘客平均數量[5]。所以，對于地鐵站重要性產生影響的屬性包括：地鐵站每天進出乘客數量、地鐵站的建設工期、地鐵站上一次全面修復工作的時間、地鐵站地面或地下的車型、該車站是否為交換站。還需要使用地鐵線路從建造一直到整條地鐵線路最終完成的平均工期，分析地鐵站的重要性。

所以地鐵站的資產管理人員應該對地鐵線路和地鐵站的屬性做好排序工作，然后利用屬性排序計算每個屬性的重要性權重，使用重要性的權重和屬性值完成對每條地鐵線路和地鐵站優先指數的計算。根據BIM系統，可以將各個屬性的數值大小轉化為百分比的形式，滿足歸一化計算的要求，防止優先級指數出現不符合實際的情況，也能避免優先級指數過于傾向于某一個值。

2.3 BIM技術用于地鐵施工方

地鐵施工過程中，由于現場的空間比較狹小，因此需要強化對現場的管控工作。利用BIM技術管控可以強化對地鐵空間的管理和使用，因為施工過程中必須考慮需求、位置和時間等管理因素，而利用BIM技術可以提升空間的信息化水平，并且依托可視化技術提升對空間的認識，尤其是能反映出地鐵運行過程中的動態變化狀況，給管理人員提供可視化的三維動態模型，解決地鐵建造過程中的動態問題。由于具有更為直觀的信息，因此BIM技術減少了施工過程中交替進行的繁瑣程序，優化人員施工位置、活動路線，讓地鐵地下空間得到了最大化的利用，不僅能提升工程施工作業效率，也能有效控制施工成本，并且保證工程施工的安全。

地鐵施工不能缺少對安全的管控，引入BIM技術開展安全管控可以獲得更好的效果，保障地鐵施工環境的安全。施工前，應建立地鐵施工項目的三維模型，了解施工空間特點，初步分析地鐵施工過程中可能面臨的安全風險，然后開展安全問題的檢查。利用BIM模型信息（見圖2），能明確地表現地鐵各個位置的空間信息，還能利用模擬分析各個位置的安全風險。傳感器等設備能實時反映施工過程中地鐵施工現場各個位置的狀況，能在出現安全風險時及時做出反應和采取措施，在充分利用信息的同時，也為安全管理創造了良好條件。

圖2 站廳層土建BIM模型

地鐵的設計工作中，可能會存在空間沖突，因此需要使用BIM技術完成對空間沖突的檢查。比如機械施工中會使用機械手臂和座吊，兩個機械設備之間可能會在空間中產生沖突，不僅不利于工程施工，還可能導致安全事故[6]。而利用BIM技術建立動態施工模型，可以比較方便地發現工程施工中存在的實際問題和潛在問題，減少施工設備和施工計劃之間的沖突，保證工程施工的經濟性和解決施工的安全問題，實現了對地鐵工程施工的嚴格管控。

2.4 BIM技術用于地鐵施工空間突擊檢查

由于地鐵工程建設的空間相對狹小，易受到很多方面的限制，因此地鐵施工建設中可能會出現設備摩擦、空間沖突導致工程施工的生產率嚴重下降，還會因為工程施工引發安全事故。為了有效利用空間，就需要在工程施工時為不同的施工專業提供必要的空間，保證施工活動的正常進行[7]。例如需要確定機械臂長的旋轉半徑，合理配置施工人員的活動半徑，避免人員和設備由于施工工序不合理導致空間上的沖突，不僅會導致財產損失，還會導致人員傷亡，將會增加地鐵工程建設的負面輿論，還會影響工程施工建設的正常進度。

為此，施工過程中應該開展施工現場的動態模擬工作，分析工程施工過程中可能出現的問題，然后利用智能算法獲得機械運行的最佳半徑、人員活動路線、不同專業的施工范圍。以及通過計算各個位置出現安全事故的可能性，合理開展優化工作，避免生命財產損失，最大程度確保工程的施工安全。突擊檢查之前，應該進行每一個構件和每一道工序占用空間情況的分析，分析各個專業對工程施工的空間要求，以及研究構件的實體體型[8]。有些工程中會存在一些比較特別的實體，對于這類情況就要使用特殊的方式來描述其空間占用，尤其要突出特殊實體所具有的空間特點。例如施工過程中的機械，機械運輸行為主要表現為前進和機械臂旋轉，施工模擬的過程中就要使用特殊的模型分析機械的活動，分析機械和周圍其他實體之間的沖突，研究碰撞出現的可能性。

3 結束語

地鐵建設具有極高的復雜性，進行地鐵的設計工作需要綜合考慮不同地鐵站的重要性，研究站點的乘客數量、服務地點，以及分析各個地鐵線路的重要性，提升對建設資金的分配合理性。使用BIM技術進行設計的過程中，可以從地鐵站的功能出發，并且考慮地鐵站建設的合理性、工藝復雜性等問題，分析地鐵施工過程中存在的沖突，優化地鐵設計，滿足地鐵的建設要求。