明挖裝配式地鐵車站BIM協同設計

柯尉，王華兵，沈婷，徐軍林

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 城市軌道與地下工程設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

建筑工業化以標準化設計、工廠化生產、機械化施工和信息化管理為目標，裝配式結構能夠很好地滿足該要求，積極發展各種預制裝配式結構體系成為實現裝配式結構和建筑工業化的關鍵。在美國、日本和一些歐洲國家，裝配式結構應用較廣泛、裝配化程度髙。在工廠進行裝配式結構的預制構件生產，并在現場完成施工安裝與構造處理，其施工方式高效便捷、能源耗用率低、工業化生產水平高，有利于將粗放型、密集型的現場施工工人轉變為技能型的產業化工人，符合綠色建筑概念及建筑產業工業化轉型的發展趨勢。

1 地下結構預制裝配技術

與地面結構預制裝配技術相比，除盾構法預制管片隧道外，國內外大型明挖地下結構預制裝配技術的研究和應用均較少，研究滯后也制約了該優勢技術的發展。地下結構預制裝配技術的優勢主要體現在以下方面：

（1）顯著提高結構工程質量；

（2）大幅提高現場施工作業效率、縮短工期；

（3）大幅降低施工噪聲和粉塵污染、環境影響；

（4）大幅減少勞動力需求；

（5）有效解決嚴寒地區冬季施工困難［1］。

明挖地下結構的使用環境、受力、防水和施工工藝等方面，與地面結構存在較大差異，也不同于盾構法形成的隧道結構。因此，制定明挖地下結構預制裝配技術方案時，應有不同的解決思路和方法，并建立新的技術體系。

我國地下結構工程建設起步于20世紀50年代，經過幾十年發展，已由最初單一的明挖法，發展到現在的明挖法、礦山法、盾構法等多種方法并存。在我國地下工程領域，預制裝配建造技術的應用主要集中在盾構法修建的鐵路、公路、地鐵區間、市政管廊等地下工程，并以單一的圓形結構為主。許多研究團隊結合項目具體情況，在結構受力、接頭承載特性、抗震等方面作了大量研究，并取得一定成果，形成了相應的國家和行業技術標準。在鐵路礦山法隧道工程中，曾有局部采用裝配式襯砌的先例，如蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道的仰拱，采用預制化技術，對邊墻、拱墻進行現場澆筑。除盾構隧道外，較復雜的大斷面，尤其是地鐵車站結構預制裝配技術的研究和應用尚不成熟［2-5］。

2 裝配式地鐵車站BIM應用

近年來，BIM技術被越來越多地應用于裝配式建筑的設計、生產及現場施工過程中［6-10］。上海市住房和城鄉建設管理委員會于2016年發布的《上海市裝配式建筑2016—2020年發展規劃》明確要求，“將BIM技術融入裝配式建筑項目建設全過程，加快配套軟件研發，實現產業鏈各環節數據共享”。

鑒于裝配式地鐵車站研究尚處于起步階段，設計、生產及施工中有許多需要研究和解決的問題。BIM技術的深入應用可為裝配式地鐵車站的設計、生產及施工帶來實質性幫助，因此，將BIM技術引入裝配式地鐵車站多專業一體化設計是有必要的。BIM技術可輔助裝配式地鐵車站的構件分塊，以及精細化、多專業間正向協同設計，提升裝配式地鐵車站的設計精度，減少由設計誤差帶來的工期延誤和資源浪費。

應用BIM技術實現裝配式構件三維信息化設計，創建多維度參數化構件庫，根據需要獲取不同類型的裝配式構件模塊，為裝配式地鐵車站方案研究和深化設計提供強大的參數化構件庫資源。利用BIM協同設計平臺開展多專業協同設計，將建筑、結構、機電、裝修等專業集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設計，精準完成預制構件的預埋件及孔洞預留，實現裝配式地鐵車站標準化、模塊化設計。

3 多專業協同設計

3.1 技術路線

通過基于BIM的三維參數化設計及協同設計技術研究及應用，解決裝配式地鐵車站構件分塊比選、構件精細化設計、構件節點深化設計及多專業設計協調等技術難題。通過搭建BIM協同設計平臺，開展建筑、結構、機電、裝修等多專業BIM正向協同設計及構件深化設計。多專業協同設計流程示意見圖1。

圖1 多專業協同設計流程示意圖

3.2 實現方法

3.2.1 協同環境配置

裝配式地鐵車站BIM協同設計工作采用集中辦公方式進行，各專業需在同一網絡環境下（局域網）辦公，采用“工作集”和“鏈接”的方式進行協同。協同設計的基礎是文件共享，基于Windows系統的共享機制，采用“網絡共享文件夾”方式實現共享文件的并發讀寫。

3.2.2 中心文件配置

在Revit的“協作”選項卡中激活“協作”工具，此時，Revit將開啟工作集共享，選擇“在網絡內協作”。在服務器電腦上，將開啟“協作”后的文件保存至“裝配式地鐵車站BIM共享文件夾”。以建筑專業為例，模型可命名為“裝配式地鐵車站建筑中心文件.rvt”，保存時須在文件名前加上共享文件夾網絡路徑。

3.2.3 工作集及鏈接設置

工作集根據各專業實際建模情況進行劃分，如建筑專業可根據構件類型劃分為“墻”“板”“柱”等構件，多人協同建模可根據自己負責的構件類型，在相應工作集開展工作。專業內工作集權限均掌握在各自建模人員手中，一般建議將“可編輯”狀態設置為“是”，即只有該部分模型建模人員具有修改權限，避免相互修改導致模型錯亂。所有專業模型均需以建筑專業提供的“項目基點”為準，專業間采用“鏈接”的方式進行相互參照，“參照類型”需設置為“覆蓋”，避免顯示鏈接文件中的嵌套鏈接。

3.2.4 協同流程及要點

（2）結構、機電等專業。采用鏈接的方式，參照建筑模型，使用相同基點進行參照。各專業均需在“裝配式地鐵車站BIM共享文件夾”建立中心文件，如“建筑中心文件”“結構中心文件”“暖通中心文件”等。

各專業在進行模型建立時，若需參照其他專業，需在各自“本地文件”中，鏈接共享文件夾下的相應模型，如結構專業參照建筑模型定位，需在“結構本地文件”中使用“插入—Revit鏈接”，使用“項目基點—項目基點”或“原點—原點”的對齊方式進行鏈接。

3.3 協同設計標準

3.3.1 模型文件命名

裝配式地鐵車站模型文件夾命名應分為4個級別：第1級為項目名稱，第2級為設計階段，第3級為專業分類，第4級為文件類型（見表1）。

表1 項目文件夾命名

模型文件命名標準如下：

（1）項目代碼。用于識別工程地點及名稱，工程地點用大寫拼音首字母表示，工程名稱用阿拉伯數字及大寫字母（適用于分期建設線路）表示。

（2）階段代碼。用于識別模型階段，項目階段包括：C-初步設計階段、S-施工圖設計階段、SG-施工階段、YW-運維階段。

4.4.1 簡化審批流程，減輕企業負擔。參照《國家農業綜合開發資金和項目管理辦法》第三十條：省級農發機構根據本地區實際情況可以下放項目評審權限。為此，建議參照經營主體實施的其他農業項目管理模式，由區縣農發辦初審并公示無異議后報市農發辦備案，市農發辦按原要求審批實施計劃，項目實施完成后由區縣農發辦組織初驗，市農發辦組織終驗，驗收合格后再補助資金或貼息，以減輕企經營主體編制可行性研究報告和規劃設計、協調金融機構等項目前期費用，縮短建設周期。

（3）專業代碼。用于識別模型所屬專業，代碼包括：JZ-建筑專業、JG-結構專業、TK-通風空調專業、DZ-動力照明專業、GPS-給排水與消防專業、TX-通信專業等。

（4）版次編碼。用于描述模型版本信息，初版文件可省略，變更設計版次采用A—Z大寫英文字母的方式標注，分別代表變更第1版—變更第26版。如變更第1版圖紙編號為“01A”。

3.3.2 工作集命名

裝配式地鐵車站各專業在BIM模型中的構件工作集命名劃分見表2。

表2 構件工作集命名劃分

3.3.3 構件命名

在BIM設計中，其構件命名標準如下：

（1）土建專業構件。類型名稱-材質信息-尺寸信息（見表3）。各專業管道命名標準：專業代碼-管道名稱，如TK-大系統送風管。

表3 土建構件命名表

（2）系統專業設備。專業代碼-設備名稱-規格尺寸，如GPS-閘閥-DN150。

3.3.4 設計管控要點

在滿足模型精度要求的前提下，應滿足以下要求：

（1）建筑專業：樓梯間、樓梯、電梯間、管井、配電間、空調機房、泵房、天花板高度等定位須準確。

（2）結構專業：梁、板、柱的截面尺寸與定位須與圖紙一致。

（3）給排水及消防專業：各系統類型劃分及命名須正確，有坡度的水管須建出坡度，閥門及保溫層須建模。

（4）暖通專業：各系統類型劃分及命名須正確，影響管線綜合的設備、末端須建模，有坡度的水管須建出坡度，閥門及保溫層須建模。

（5）電氣專業：各系統類型劃分及命名須正確，影響管線綜合的設備、末端須建模。

管線綜合管控要點：

（1）管線綜合應在施工圖階段施工專業深化階段各完成1次。

（2）施工圖階段管線綜合過程中，施工、設計、咨詢單位應密切協作，設計單位應根據最終BIM模型反映的三維情況，調整二維圖紙。

模型扣減規則：

（1）墻與柱：墻在結構柱、構造柱處應斷開。

（2）墻與梁：墻頂部約束條件為梁底。

（3）墻與板：內襯墻扣減結構頂板、中板，結構底板扣減內襯墻，局部墻頂部約束條件為板底。

（4）柱與梁：結構柱扣減梁，構造柱頂部約束條件為梁底。

（5）柱與板：結構柱扣減結構頂板、中板。

（6）梁與板：梁扣減結構板。

3.3.5 模型交付

（1）模型精細度（LOD）是BIM模型所容納的模型單元豐富程度的衡量標準，是BIM的構件/設備在項目全生命周期中的幾何和非幾何信息的精細程度。

（2）構件/設備本身的信息量和三維數據隨項目的不斷發展越來越豐富，作為同步，構件/設備三維模型的幾何和非幾何信息也越來越詳細。

（3）BIM模型細度應由非幾何信息和幾何信息組成，BIM模型構件元素根據階段的不同，從低到高的細度要求見表4。

表4 模型精細度等級

4 信息化設計

裝配式建筑是采用工廠化生產的構件、配件、部品，通過機械化、信息化裝配式技術組裝的建筑整體，其工廠化生產構配件精度可達毫米級，現場組裝精度要求較高，可滿足各種產品組件的安裝精度要求。裝配式建筑核心是“集成”，BIM則是“集成”的主線，串聯設計、生產、施工、裝修和管理全過程，服務于設計、建設、運維、拆除等全生命周期，可數字化仿真模擬、信息化描述系統要素，實現信息化協同設計、可視化裝配，工程量信息交互和節點連接模擬及檢驗等全新運用，整合建筑全產業鏈，實現全過程、全方位的信息化集成。

在設計階段，基于BIM協同設計平臺進行多專業協同設計，將建筑、結構、機電和裝修等專業集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設計，精準完成預制構件的預埋件及孔洞預留，實現裝配式地鐵車站標準化、模塊化設計。

在設計階段，實現生產、施工前置參與，各參與方需求與要求前置，通過BIM信息化模型實現信息交互，實現“全員、全專業、全過程”BIM信息化應用。信息化設計流程示意見圖2。

圖2 信息化設計流程示意圖

基于BIM技術實現裝配式構件的三維信息化設計，創建多維度參數化構件庫，可根據需要獲取不同類型的裝配式構件模塊，為裝配式地鐵車站方案研究和深化設計提供強大的參數化構件庫資源（見圖3）。

圖3 參數化構件庫資源

為裝配式地鐵車站各預制構件設置1個編碼，該編碼可綜合反映其項目特征、空間特征、時間特征及構件特征，將編碼與構件關聯，賦予了每個構件唯一的“身份證”（見表5）。

表5 某預制構件編碼示例

在協同設計全過程，嚴格執行BIM正向協同設計實施標準。同時，依據預制構件編碼標準和構件信息存儲于傳遞標準，明確預制構件信息的賦予、存儲和傳遞，實現裝配式地鐵車站全過程信息化管理。

5 結束語

以某裝配式地鐵車站項目為背景，對裝配式地鐵車站多專業BIM協同設計及預制構件信息化設計進行系統研究，解決了該項目多專業BIM協同設計關鍵技術問題。利用BIM協同設計平臺開展多專業協同設計，將建筑、結構、機電、裝修等專業集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設計，精準完成預制構件的預埋件及孔洞預留，實現裝配式地鐵車站標準化、模塊化設計。

為規范裝配式地鐵車站多專業一體化BIM設計模型創建及交付，引導項目設計、構件生產及施工領域信息化實施，提高BIM模型質量，編寫了多專業BIM協同設計實施指南。為項目設計團隊提供了標準化的BIM工作方法，避免因各方標準不統一導致的交接誤解和信息丟失，減少變更與返工，最大限度提高生產效率，確保各方在項目中產出高質量的、形式統一的、符合交付要求的建筑信息模型，保證數字化BIM文檔結構的正確性，從而實現高效的數據共享。

為規范裝配式預制構件“設計—生產—施工”全流程數據信息傳遞標準，編制裝配式預制構件編碼標準及裝配式預制構件信息存儲與傳遞標準。為裝配式地鐵車站各預制構件設置1個編碼，編碼可綜合反映項目特征、空間特征、時間特征和構件特征，編碼與構件BIM模型關聯，賦予每個構件唯一的“身份證”。同時，明確裝配式預制構件數據信息存儲與傳遞標準，使預制構件數據信息在統一規則下實現全流程傳遞，有力地支撐了預制構件BIM信息化管理。