BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用

[摘? 要]：結構設計在地鐵車站設計眾多專業中處于主導性地位，在工程投資、工程安全、建設工期、工程質量等方面起決定性的作用。目前，BIM技術在地鐵工程的應用僅局限于建筑三維建模、管道綜合和4D施工模擬等方面，在車站結構設計過程中的應用相對缺乏。文章通過調查分析目前BIM技術在地鐵車站設計中的應用現狀，對BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用進行探討和研究，以某地鐵車站為例，進行三維可視化設計、配筋施工圖設計和結構工程數量統計應用，極大提高溝通、設計效率，提高設計質量。本文研究表明BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用是可行的，研究成果可供工程實際中采用BIM技術開展地鐵車站結構設計參考。

[關鍵詞]：BIM技術; 地鐵車站; 結構設計; 可視化設計; 配筋設計

U231.4A

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，被譽為建筑業第二次革命，早已成為工程建設領域研究、創新應用的熱點。BIM技術的核心是一個三維的數據庫，它集成了項目各參與方在設計階段、施工建造階段、運營管理維護階段的大量工程信息，在建筑生命周期內供各參與方進行數據的存儲、查詢、調用和修改，從而實現建筑物生命周期內各工程建設階段以及各階段所有參與方之間工程信息的交互共享。BIM技術具備了三維可視化、模型參數化、工程設計建造管理的協同化，4D施工模擬、可出圖性、工程量統計等技術優勢[1-3]。

根據中國城市軌道交通協會統計，截至2020年9月30日，中國內地累計有41個城市開通城軌交通運營線路7 141.55 km，其中地鐵5 514.92 km，占比77.22%。僅2020年上半年獲批項目涉及新增線路長度共272.54 km，新增投資共2 306.15億元[4]。軌道交通是補短板、增后勁、惠民生的重要手段，同時也是基建投資、宏觀經濟對沖的重要方向之一。地鐵工程具有生命周期長、投資大、風險高、發展快、專業多、空間局限等特點，對設計人員水平、設計文件質量要求高。特別是近年來，大規模車站、交通綜合體建設越來越多，傳統設計方式和設計工具難以滿足工程建設需要，BIM技術應用于地鐵車站設計將極大促進地鐵車站設計質量和工作效率的提升。

目前，BIM技術在地鐵工程領域已經取得一些應用，在地標性、示范性和規模較大的工程上不乏成功案例，但是主要局限于三維建模、碰撞檢測、4D施工模擬、工程量統計等幾個方面[5-8]。結構設計在地鐵車站眾多專業中起著主導性作用，在投資、安全、工期方面起決定性的作用，研究BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用具有重大的價值。

1 BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用

1.1 可視化設計

隨著我國經濟水平的提升，地鐵建設已經由交通線發展成地下交通網，建設一大批超大規模車站和交通樞紐。傳統二維設計在大規模、復雜車站設計中捉襟見肘，BIM技術可視化優勢發揮重大作用。

BIM技術可實時、準確地將建筑設計師的設計方案呈現在眼前，建筑設計師可直接在三維模型中推敲設計體量、建筑造型和功能布局等。結構設計師可以依靠BIM技術的三維漫游等技術在建模模型上確定結構設計廣方案，進行結構構件尺寸的設計，更好地考慮結構方案與建筑設計的適配性等。

本文以某地下4層雙柱車站為例，進行BIM可視化設計。本站因工程地質、周邊環境的限制，采用地下4層雙柱明挖車站（帶物業），2個物業出入口、2組風亭組、安全出入口和無障礙電梯均采用頂出的方式，車站基坑深度約40 m，長約160 m。地下1層為物業層，地下2層為站廳層，地下3層為設備層，地下4層為站臺層。本站具有規模大、投資高、內部空間關系復雜、設計周期短的特點，傳統二維設計很難滿足設計需求。基于Revit軟件進行BIM技術在地鐵車站三維可視化設計應用，創建整個車站主體結構、頂出物業出入口、兩組風亭組、內部樓扶梯、站臺板、設備夾層板的建筑結構三維模型。模型不僅涵蓋了建筑隔墻、門、樓板開孔情況，也包含了結構梁、板、柱、墻。

本站BIM技術應用主要發揮作用：

（1）極大提高了設計過程中各專業間的有效溝通，優化了功能房間的布置，確保了結構梁、柱的尺寸和建筑限界滿足要求。

（2）三維可視化的設計，比較直觀的展現了設計方案，方便業主、施工單位對設計方案的理解，在方案比對和方案匯報過程中表現優異。

（3）進行關鍵節點剪刀梯、頂出出入口可視化設計，在有限空間內完成復雜節點設計。

本站利用BIM技術進行三維可視化設計，短期內完成和穩定了設計方案，提高設計質量和效率（圖1～圖3）。

1.2 配筋施工圖設計

目前地鐵車站結構配筋施工圖還是以手動繪制鋼筋的方式完成，工作繁瑣、工作量大、自動化程度很低，導致施工圖往往錯誤比較多，耗時比較長。地鐵車站與地上結構和普通地下結構存在較大的差異，地鐵結構梁、板、柱尺寸比較大，含鋼量也比較大。因地下空間有限，柱子橫截面尺寸受限，柱子為滿足抗震的要求，多采用復合箍筋以提高柱子的軸壓比。頂底縱梁為滿足建筑功能和限界凈空要求，實現管線和房間布置，梁截面高度和寬度受限，導致梁需要配置多排縱向鋼筋。而在樓扶梯基坑的位置和設備區往往需要底縱梁下翻，頂縱梁上翻，進行反梁設計。

本文以某站為例，以Structural Analysis-Default CHNCHS為項目樣板，對車站基本構件梁、柱、板、墻進行配筋，生成標準斷面和節點大樣圖。通過軟件Revit進行結構設計配筋有2種方式，一通過軟件自帶配筋功能，二是通過速博插件。速博插件以構件為分類，按梁、板、柱、墻的配筋特點設置鋼筋配筋對話框，實際工程樁根據需要按類別進行配筋。目前，速博插件并不能完全滿足地鐵結構配筋的需要，因為地鐵結構受力和配筋與地上建筑有較大的差別，例如柱多采用復合箍筋，梁采用多排受力筋。通過Revit自帶的配筋功能配筋更靈活，其包含了斷面配筋、面積筋、路徑筋、鋼筋網片、保護層、鋼筋接頭等功能。斷面配筋中包含了53種鋼筋的形狀，能滿足地鐵車站結構配筋中梁、柱的縱筋和箍筋，板、墻配筋的縱筋、分布筋和拉筋的配置。板的配筋還可以通過配筋功能中面積筋進行快速的配置。采用兩種方式相結合的配筋方式效率更高，首先采用速博包配置大部分鋼筋，再采用Revit自帶的配筋功能補充柱復合箍筋和梁的多排縱筋（圖4～圖9）。

通過本文研究，目前BIM技術Revit軟件配筋功能滿足地鐵車站結構配筋的要求，梁、柱、板、墻配筋以及構件節點配筋處理與工程實際情況相吻合。基于Revit軟件BIM技術地鐵車站配筋施工圖設計其優勢在于直接進行三維實體布筋，通過剖面直接生成二維配筋圖，三維與二維配筋實時聯動，保持一致。基于Revit軟件BIM技術地鐵車站配筋施工圖設計不僅直接生成二維施工圖，而且模型可以直接用于工程量的統計，縮短設計周期同時提高工程量計算的準確性和效率。

1.3 工程量統計

隨著地鐵工程建設速度加快，建設規模加大，一大批大規模4層站、換乘站、交通綜合體涌現。這些站點建設工期長、投資大，對造價預算、決算要求更高，工程量計算越來越復雜，工程量統計精確性要求越來越高，傳統工程量統計的方式已經很難滿足工程需要。基于Revit軟件BIM技術設計能夠快速、精確、詳細的對工程數量進行統計，極大提高數據利用效率、縮短工程量計算時間，提高工程量統計的精確性。

在工程量統計中，結構專業鋼筋、混凝土工程量尤為繁瑣，工程量最大、對造價起決定性的控制作用。本文研究基于Revit軟件混凝土、鋼筋工程量統計，快速生成混凝土、鋼筋的明細表，大大提高結構工程量統計準確性。結構明細表的創建按類別分為：結構基礎、結構柱、結構梁系統、結構鋼筋、結構桁架、結構框架等。創建明細表對話框還可以進行明細表屬性定義，包含統計項目族類型、體積、長度、材質、標高、重量、制造商、部件代碼等，也可以根據自己需要定義統計項目。此外，在明細表對話框還可以進行布爾運算，根據長度、體積等篩選出自己需要統計的項目。在明細表中可以靈活設置屬性、成組、解組、隱藏等各個狀態[9]。本文對地鐵車站結構混凝土、鋼筋進行工程統計，部分統計結果明細表如表1～表3所示。

2 結論

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型正逐步推廣應用于地鐵工程，為地鐵工程設計、施工、運維提供的較大的便利，在降成本、減工期、提質量方面做出重要貢獻。

本文調查分析目前BIM技術在地鐵車站應用的現狀、不足及前景，研究BIM技術在地鐵車站結構設計應用，以某地鐵車站為例進行三維可視化設計、配筋施工圖設計、工程量統計3個方面應用研究，提高設計質量和效率，表明BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用是可行的，研究成果可供工程實際中采用BIM技術開展地鐵車站結構設計參考。

參考文獻

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[2] Shen， W.， Shen， Q.， & Sun， Q. . Building information modeling-based user activity simulation and evaluation method for improving designer-user communications[J]. Automation in Construction， 2012， 21： 148-160.

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