BIM技術在地鐵建設交通疏解中的應用研究

郭堅，陳韜

(長沙市規劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410007)

建筑信息模型(BIM)是以三維數字技術為基礎，集成建筑市政工程項目各種相關信息的工程數據模型。它是對工程項目相關信息的詳盡表達，是數字技術在建筑市政工程中的直接應用，可解決建筑工程在軟件中的描述問題，使設計人員和工程技術人員能對各種信息作出正確設計和應對，并為協同工作提供堅實的基礎。

長沙市軌道交通1號線北延工程周南中學站項目主要由疏解期間地鐵站場結構、軌道區間、地面道路系統、排水管線遷改臨時及永久管網系統組成，規模大、結構形式復雜、綜合性強。傳統的基于二維平面的方案比選和設計方法通常難以整合城市三維建構筑物、地質、道路、管網等重要信息。為提高設計質量，該項目應用BIM技術輔助決策、指導設計。

1 工程概況

長沙市軌道交通1號線北延一期工程位于金霞組團段，起于彩霞路站，止于開福區政府站(1號線一期起點站)，線路長約10.67 km，其中高架段約4.52 km、地下段約5.81 km、過渡段0.34 km。共設5座車站，其中2座高架站、3座地下站、1座換乘站(與10號線換乘)，平均站間距2.02 km，最大站間距2.064 km(青竹湖路站至馮蔡路站)，最小站間距1.946 km(馮蔡路站至周南中學站)。在線路北端(彩霞路站北側)設沙河停車場1座。

周南中學站為地下2層車站，全長298.5 m，標準段寬22.7 m，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，總建筑面積17 252.1 m2。有效站臺中心處頂板覆土4.5 m，底板埋深18.03 m，軌面埋深16.55 m，軌面高程24.25 m。車站站廳凈高3.5 m，站臺層凈高3.2 m，車站范圍內由北向南設0.2 %坡。南北方向芙蓉北路規劃道路紅線寬60 m，東西方向興聯路規劃道路紅線寬46 m，均屬于城市主干道，均已建成通車。站體總體平面布置見圖1。

圖1 周南中學站總體平面布置示意圖

在車站結構BIM模型(見圖2)的基礎上，綜合運用Revit2017、路易2018及鴻業云協同平臺，實現交通疏解道路路面系統、市政排水管網系統、站場主體結構系統、兩廂周邊建筑及地形的“多模合一”(見圖3)，便于項目各參與方協同工作，方便溝通，大大提高生產效率。

圖2 周南中學站BIM建筑結構模型

圖3 基于云協同平臺的BIM綜合模型

2 基于BIM技術的交通疏解設計流程

利用基于BIM理念和云技術架構的協同管理平臺即BIM云協同，將設計過程中采用的BIM工具軟件結合為BIM項目設計與管理的整體解決方案，實現地鐵建設全過程、多專業綜合設計。利用BIM技術將二維交通疏解圖變成三維立體形象的可視化模型，使各相關單位可直觀了解既有道路通過交通改造后的情況，然后建立交通流，模擬道路改造后的交通狀況，并針對模擬后的交通疏解方案進行優化分析，提高交通疏解方案的審核通過率。交通疏解流程見圖4。

圖4 基于BIM技術的交通疏解設計流程

3 基于BIM技術的周南中學站分期模型

通過前期各方銜接會議及所建立的未分期模型初步確定車站主體及附屬工程分5期施工。開始施工之前，拆除部分芙蓉北路兩側路側綠化帶與人行道、兩廂建筑退讓廣場空地，施作臨時路面等。分期過程中，通過建立與設計同步的BIM數據模型，實現及時直觀分析疏解期間設計車道預留及占地是否滿足設計、紅線要求，并實現過程聯動，發現問題迅速反饋，并修改分期及車道布置，提高設計效率和設計質量。限于篇幅，僅以交通疏解第4期的BIM模型為例進行闡述。

3.1 站點主體施工位置及圍擋區域

第4期圍擋施工剩余的1、2號出入口；施工圍擋占用芙蓉北路西側輔道道路、人行道及周邊建筑退讓用地，圍擋面積1 071.98 m2。實施時間4個月。

3.2 疏解車道布置

如圖5所示，興聯路由東至西方向的行車道基本恢復現狀交通，疏解車道保持雙向八車道；芙蓉北路疏解車道利用東側主體施工時的回填區域，交通疏解保持雙向十車道+人非混行車道。芙蓉路口采用現狀信號燈控制交通。

圖5 第4期圍擋和交通疏解示意圖

3.3 對現狀交通、兩廂居民出入及消防的影響

第4期施工對興聯路交通影響甚微，對芙蓉北路南北向交通影響較大，不過其各方向交通基本暢通。由于該區域小區進出口較多，施工期間能保證消防車抵達周邊建筑物。施工完成后，按照芙蓉北路現狀進行道路恢復。

項目設計人員及BIM建模人員協調配合，根據市政道路路面系統、市政排水管線系統、車站總體結構、兩廂建筑信息及周邊地形建立 “多模合一”BIM綜合模型(見圖6、圖7)，用于指導地鐵建設過程中的交通疏解設計。

圖6 第4期BIM地面交通模型

圖7 第4期BIM綜合模型

4 BIM技術關鍵應用點

4.1 交通疏解過程中的行車視距檢查

應用BIM技術建立與站場結構無縫對接的項目模型，充分了解和掌握項目涉及區域周邊情況，同步項目設計，由設計人員參與建立各階段BIM模型，用于方案展示匯報。模擬實際行車過程，及早發現、及時處理可能存在的視距問題、豎向高差問題、紅線占用問題。

傳統設計中只能依靠二維平面圖(見圖8)進行交叉口視距分析，不能對整條道路進行分析，且無法綜合考慮道路平、縱、橫、地形及其他構造物對交通的影響，效率低下，也容易遺漏相關控制要素。如第1期交通疏解的芙蓉北路與興聯路交叉口處，施工時施工圍擋可能擋住駕駛員的視距。如果在傳統二維視圖中對該交叉口進行視距分析，非經驗豐富的工程師很容易遺漏相關因素。

圖8 傳統二維視圖

通過建立周南中學站第1期交通疏解的BIM模型，構建真實的市政道路三維場景，能快速、準確地發現并解決問題。在道路BIM模型中，在每個交叉口視距三角形的直角邊上連續布置機動車(見圖9)，然后沿道路以設計速度模擬駕駛漫游，只要在漫游經過視距三角形(見圖10)時能看到相交道路上預先布置的所有機動車，則該交叉口停車視距滿足規范要求。

圖9 3D模型俯視圖

圖10 漫游中的視距

如圖所10示，在以40 km/h的速度進行道路漫游時無法看到預先布置的目標車輛，視線被施工圍擋阻擋。為此，提出以下2種解決方案：1)改變圍擋范圍。圍擋修改前由于缺乏經驗，設置的圍擋阻礙行車視野(見圖11)，對行人及相關車輛造成威脅。通過路易2018自帶的視距三角形分析，對圍擋倒角處進行動態調整(見圖12)，保障行人及車輛行駛安全。2)降低此處施工期間的設計速度。考慮到此處由于周南中學地鐵站施工需要無法移動施工圍擋，將施工期間的設計速度降到30 km/h，并重新進行30 km/h路線漫游，確認可行。

圖11 圍擋修改前

圖12 圍擋修改后

應用BIM技術對交通疏解期間行車視距進行檢查，可綜合道路情況、施工階段圍擋布置、周邊建構物情況，也能通過BIM模型根據各種制約因素的變化及時制訂有針對性的調整方案，相比僅由道路專業人員按照規范檢查更高效和可靠。

4.2 交通疏解不同分期車道變換可能產生的擁堵與解決措施

目前，城市道路設計主要基于設計規范和設計人員的工程經驗，而城市道路交通復雜多變，傳統設計方法很難滿足現實要求。基于BIM的交通工程仿真分析可彌補傳統設計方法的不足。在道路BIM模型中，對行車速度、交通流量、車型及交叉口信號燈配時等參數進行設置，可真實模擬道路的交通情況，實時觀察各路段、各路口的交通擁堵情況，避免由于工程設計引起交通擁堵，對疏解期間道路紅線的調整也可給出相應建議。

4.2.1 信號燈配時優化

芙蓉北路設計速度為60 km/h。按照《城市道路工程規范》，設計速度為60 km/h時，第4級飽和流的車流密度為57 pcu/s，施工期間取0.7倍第4級飽和流的車流密度即40 pcu/s(見圖13)。以該項目第2期施工為例，首先建立周南中學站第2期施工模型(見圖14)，然后導入相應交通標志標線、紅綠燈及交通流，通過對交通流與信號燈的關聯配時(表1、見圖15)進行交通仿真模擬，再通過反復調整配時，得到合理可行的交通方案(見圖16)。

圖13 交通參數控制

圖14 第2期交通疏解仿真模擬

表1 信號燈配時優化

圖15 信號燈配時優化

圖16 第2期交通疏解模型

4.2.2 根據擁堵情況調整疏解期間車道數量

周南中學站位于興聯路與芙蓉北路交匯處，其中芙蓉北路高峰期車流量較大，第1、2期施工圍擋均占用芙蓉北路較大面積，而根據建模分析結果，縮減芙蓉北路車道數量將導致整個芙蓉北路擁堵，嚴重影響施工期間芙蓉北路的使用。因此，第1、2期施工時均拓寬道路西側紅線(見圖17、圖18)，適當降低芙蓉北路車道寬度，保持芙蓉北路車道數不變。

圖17 施工第1期車道及圍擋布置

圖18 施工第2期車道及圍擋布置

第1期施工圍擋占用的興聯路路幅比第2期大，根據交通建模分析，第1期施工如果不拓寬興聯路紅線，興聯路將變成雙向二車道道路，周南中學站交叉口將發生嚴重擁堵。因此，第1期施工時拓寬興聯路北側道路紅線，保證該交叉口的正常通行，第2期施工時恢復現狀路幅。

應用BIM技術對交通疏解期間進行擁堵狀況分析，可更科學地布置疏解期間車道規模及信號燈配時，在保證交通順暢的條件下盡量少占道路紅線之外的用地。

4.2.3 交通疏解期標準標牌庫的建立

疏解設計中，通過采用BIM仿真技術建立交通標志標線及安全設施的三維模型，與道路模型拼合，構建道路三維場景，實現全路網道路交通標志標線的合理性分析和評價。

由于各地方標志標牌的樣式并不統一，設計中需創建一個適用于地鐵建設期間完整的標志標牌庫，方便建模時取用。該項目設計中，在建立周南中學站5個施工期及運營期模型的同時，建立部分交通疏解期間及施工期間標志標牌庫(見圖19)。

圖19 運營期周南中學站交通疏解和第1期交通疏解標志標牌庫

該項目所處位置十分重要，是未來地鐵12號線、興聯路過江通道及芙蓉路快速化改造項目的控制性關鍵節點，標志標牌及模型數據庫的建立，可對未來地鐵12號線周南中學換乘站的建模帶來極大便利，在此基礎上還可對未來興聯路過江通道及芙蓉路快速化改造工程提供基礎模型支持，大大提高建模效率，縮短設計周期。

5 結語

結合長沙地鐵工程建設實際情況，對1號線北延線周南中學站交通疏解采用BIM技術進行設計，取得了良好效果，為未來長沙地鐵交通疏解及管線遷改設計中BIM技術的運用起到了帶頭和示范作用。

應用BIM技術對地鐵建設期及后續運營期的交通疏解進行優化設計，通過建立與站場結構無縫對接的項目模型，可充分了解和掌握項目涉及區域周邊情況；采用BIM技術模擬實際行車過程，可及早發現、及時處理可能存在的視距問題、豎向高差問題、紅線占用問題；通過采用BIM仿真技術，建立交通標志標線及安全設施的三維模型，與道路模型拼合，構建道路三維場景，可實現全路網道路交通標志標線的合理性分析和評價；在BIM軟件中建立長沙市政基礎設施建設標志標牌模型庫，可為長沙未來地鐵工程及其他市政基礎工程中BIM模型建立提供參考。