BI M技術(shù)在裝配式地鐵車站設(shè)計中的應(yīng)用研究

杜長坤

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 裝配式地鐵車站設(shè)計要點

相較于普通地鐵車站，裝配式地鐵車站建設(shè)效率高，但車站內(nèi)部構(gòu)件數(shù)目多、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要在設(shè)計環(huán)節(jié)中優(yōu)化車站整體設(shè)計，建立更完善的車站結(jié)構(gòu)體系。對此，設(shè)計人員要做好各預(yù)制構(gòu)件的連接設(shè)計，以及預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計工作，保證設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性。

1）裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)內(nèi)的剛性節(jié)點應(yīng)符合現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)本身的荷載設(shè)計應(yīng)符合車站結(jié)構(gòu)承載需求，各節(jié)點設(shè)計承載力應(yīng)高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。在預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計時，應(yīng)保證構(gòu)件連接后與周圍結(jié)構(gòu)成為整體。

2）在設(shè)計預(yù)制結(jié)構(gòu)的剛性接頭時，應(yīng)考慮車站應(yīng)力集中時的情況。

3）在保證使裝配式地鐵車站預(yù)制結(jié)構(gòu)受力性能符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，各構(gòu)件的連接、傳力方式應(yīng)堅持簡潔的設(shè)計原則。

4）車站的整體設(shè)計應(yīng)考慮后期施工的便捷性；對于抗震要求較高的區(qū)域，還應(yīng)確定結(jié)構(gòu)層的構(gòu)件分布位置，以及準(zhǔn)確計算、完成節(jié)能剛度設(shè)計。

2 裝配式地鐵車站應(yīng)用BI M技術(shù)的必要性

1）裝配式地鐵車站設(shè)計中，傳統(tǒng)的2D 軟件僅能從剖面、平面設(shè)計中展示地鐵車站的設(shè)計效果。對于規(guī)模較大的地鐵車站，該類軟件無法細(xì)化設(shè)計方案，更難以直觀地呈現(xiàn)設(shè)計構(gòu)想。而BIM 技術(shù)可通過3D、4D 的可視化模型，立體化地顯示裝配式地鐵車站的整體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、細(xì)部設(shè)計，協(xié)助設(shè)計人員靈活修改設(shè)計參數(shù)，模擬設(shè)計方案的可行性[1]。

2）基于BIM 技術(shù)，設(shè)計階段中設(shè)計人員可結(jié)合裝配式地鐵車站的設(shè)計需求，靈活調(diào)整方案中的信息數(shù)據(jù)，加快設(shè)計速度，保證設(shè)計質(zhì)量；設(shè)計預(yù)制構(gòu)件安裝方案時，BIM 模型可協(xié)調(diào)好各環(huán)節(jié)的裝配流程，排查設(shè)計沖突，為后期裝配式地鐵車站施工建設(shè)打好基礎(chǔ)。

3）BIM 技術(shù)可以精細(xì)化地模擬裝配式地鐵車站的設(shè)計方案，包括車站空間設(shè)計、附屬設(shè)施設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，使設(shè)計方案更貼合實際，設(shè)計參數(shù)更為合理。

3 BI M技術(shù)在裝配式地鐵車站設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 車站各專業(yè)整體設(shè)計

設(shè)計裝配式地鐵車站時，BIM 技術(shù)可實現(xiàn)車站各專業(yè)的整體設(shè)計，從而通過全方位裝配式地鐵車站的協(xié)同設(shè)計，使各專業(yè)實現(xiàn)共享、分析設(shè)計文件，并通過數(shù)據(jù)同步交換的方式及時協(xié)調(diào)各專業(yè)的設(shè)計方案。比如，在裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中，BIM 技術(shù)可在拆解設(shè)計模型后，分別呈現(xiàn)車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型、車站主體結(jié)構(gòu)模型等。其中，車站主體結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為地板結(jié)構(gòu)、站廳結(jié)構(gòu)、頂板結(jié)構(gòu)等BIM 模型[2]。

設(shè)計人員可將各專業(yè)模型導(dǎo)入NAVISWORKS 軟件中，利用該軟件實時分析各專業(yè)的設(shè)計方案，進行碰撞檢測，及時協(xié)調(diào)并調(diào)整車站各專業(yè)設(shè)計的沖突問題，具體建模流程如圖1所示。另外，在BIM 技術(shù)支持下，設(shè)計單位可對裝配式地鐵車站進行多層級的計劃管理，并結(jié)合裝配式地鐵車站協(xié)同設(shè)計方案，協(xié)調(diào)好車站設(shè)施布置、空間布局設(shè)計、內(nèi)部管線設(shè)計的關(guān)系，并對設(shè)備安裝、材料選用、預(yù)埋件進行深度設(shè)計。

圖1 裝配式地鐵車站整體設(shè)計的建模流程

3.2 車站模擬建造

裝配式地鐵車站所用的多數(shù)構(gòu)件屬于預(yù)制構(gòu)件，但是裝配式地鐵車站設(shè)計中，由于預(yù)制構(gòu)件數(shù)量大、不同區(qū)域構(gòu)件規(guī)格會有所差異，為避免預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)浆F(xiàn)場后出現(xiàn)設(shè)計與質(zhì)量問題，相關(guān)人員可應(yīng)用BIM 技術(shù)對裝配式地鐵車站進行模擬建造，預(yù)先排查構(gòu)件設(shè)計、預(yù)制構(gòu)件安裝中的問題。

1）運用BIM 技術(shù)、3D 激光掃描技術(shù)快速采集預(yù)制構(gòu)件中的紋理信息、三維坐標(biāo)，隨后通過云計算處理相關(guān)信息，生成實體BIM 模型。將其與3D 設(shè)計模型對比分析后，正式開始生產(chǎn)、加工裝配式地鐵車站的預(yù)制構(gòu)件，設(shè)計預(yù)制構(gòu)件拼裝方案。確定施工現(xiàn)場符合拼裝要求后，采用智能門式起重機對預(yù)制構(gòu)件進行起吊拼裝，用3D 設(shè)計模型指導(dǎo)施工人員連接各預(yù)制構(gòu)件?；贐IM 技術(shù)的裝配式地鐵車站的施工可簡化傳統(tǒng)的支模打灰、覆蓋養(yǎng)護環(huán)節(jié)，減少了車站建造中的安全風(fēng)險，使裝配現(xiàn)場作業(yè)耗時減少了70%，節(jié)約工期4～6 個月。

2）應(yīng)用BIM 技術(shù)模擬裝配式地鐵車站建設(shè)的全過程，包括規(guī)劃施工場地、設(shè)計施工平面圖、模擬車站內(nèi)建筑物的建造活動等。例如，在裝配式地鐵車站建造前期，車站建造可劃分為拼裝連續(xù)墻、基坑施工、主體結(jié)構(gòu)拼裝等內(nèi)容。不同階段的建造設(shè)計要點會有所不同。BIM 技術(shù)可立體化地模擬各環(huán)節(jié)建造的全過程，更合理地進行建造規(guī)劃，劃分現(xiàn)場拼裝區(qū)域。比如，主體結(jié)構(gòu)拼裝時，還應(yīng)借助BIM 技術(shù)規(guī)劃預(yù)制構(gòu)件存放區(qū)域、吊裝設(shè)備移動路線等施工環(huán)節(jié)。

3.3 精細(xì)化設(shè)計預(yù)制構(gòu)件

裝配式地鐵車站設(shè)計中，預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計尤為重要。BIM技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計，保證預(yù)制構(gòu)件設(shè)計參數(shù)的合理性。

1）利用Revit、Xsteel、Rhino 等軟件完成裝配式地鐵車站的建模工作，建立BIM3D 模型，隨后將模型中的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Robot Structure Analysis 軟件內(nèi)。Robot 可以自動分析結(jié)構(gòu)模型，讀取結(jié)構(gòu)材料、幾何截面等設(shè)計信息，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

2）在Robot 軟件中輸入裝配式地鐵車站荷載設(shè)計參數(shù)、各類工況信息，分析車站結(jié)構(gòu)，計算結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險及應(yīng)力設(shè)計參數(shù)。隨后二次開發(fā)R obot 軟件分析功能，利用可分析不同工況預(yù)制結(jié)構(gòu)配筋需求的插件，設(shè)計各構(gòu)件的配筋率；同時將讀取的應(yīng)力系數(shù)、配筋參數(shù)導(dǎo)入BIM 信息模型中的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，與其他區(qū)域的構(gòu)件關(guān)聯(lián)后，再加工裝配式地鐵車站所需的預(yù)制構(gòu)件。

3）預(yù)制構(gòu)件設(shè)計是裝配式地鐵車站的核心內(nèi)容，其不僅需要確保預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，還應(yīng)結(jié)合預(yù)制構(gòu)件加工技術(shù)及裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理控制構(gòu)件尺寸與單件重量。設(shè)計過程中，BIM 模型的可視化功能可逐步優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件設(shè)計，利用結(jié)構(gòu)分析軟件自動讀取構(gòu)件界面信息，計算裝配式地鐵車站不同區(qū)域、不同結(jié)構(gòu)中的預(yù)制構(gòu)件單件重量，以及預(yù)制構(gòu)件的尺寸規(guī)格，如構(gòu)件長度、直徑、寬度、重量等。

3.4 模擬預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計

1）基于BIM 模型，模擬裝配式地鐵車站預(yù)制構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點的施工過程，如鋼筋籠焊接、鋼筋綁扎等。將相關(guān)設(shè)計導(dǎo)入BIM 模型后，相關(guān)人員可準(zhǔn)確計算出車站各區(qū)域的預(yù)制構(gòu)件用量、關(guān)鍵節(jié)點施工中的材料用量。

2）應(yīng)用BIM 技術(shù)模擬預(yù)制構(gòu)件拼裝設(shè)計，確定預(yù)制構(gòu)件的支撐位置。同時根據(jù)設(shè)計圖紙中的相關(guān)要求，對預(yù)制構(gòu)件支撐結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計。比如，在設(shè)計預(yù)制構(gòu)件支撐梁時，還應(yīng)鑿除保護層內(nèi)部的預(yù)埋鋼板，然后模擬使用焊接工藝，將鋼板、鋼筋結(jié)構(gòu)相互連接并評估此種設(shè)計方案的可行性，為后期預(yù)制構(gòu)件的拼裝提供參考。

3）建立裝配式地鐵車站內(nèi)預(yù)制板的BIM 模型，精確分析預(yù)制板細(xì)部設(shè)計的可行性；同時模擬分析車站拼裝時預(yù)制板的分布位置，以及該區(qū)域鋼筋的排列設(shè)計，并以此為依據(jù)，模擬設(shè)計地鐵車站預(yù)制中板的定位、吊裝活動。設(shè)計人員將預(yù)制板上的編號輸入BIM 模型后，可根據(jù)設(shè)計模型、施工模型的聯(lián)動，調(diào)整預(yù)制板設(shè)計、預(yù)制板拼裝設(shè)計中的各項參數(shù)，為裝配式地鐵車站的有序建設(shè)創(chuàng)造有利條件。

4）模擬裝配式地鐵車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拼裝設(shè)計，需分別建立各結(jié)構(gòu)的拼裝設(shè)計模型，如站臺板BIM 模型、風(fēng)道BIM 模型、吊機BIM 模型，并模擬分析車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝過程。另外，在車站關(guān)鍵節(jié)點中，設(shè)計環(huán)節(jié)還應(yīng)利用BIM 技術(shù)模擬地鐵車站內(nèi)部的防水設(shè)計，建立容易防水節(jié)點模型，并結(jié)合不同工藝技術(shù)，模擬防水設(shè)計的可靠性，立體地呈現(xiàn)不同工況的防水效果，減少后期施工中的滲漏風(fēng)險。

3.5 應(yīng)用效果分析

BIM 技術(shù)體系中可用于分析裝配式地鐵車站設(shè)計方案的軟件較多，在Rhino、Revit、AutoCAD Civil 3D、Xsteel 等軟件的支持下，裝配式地鐵車站的3D 設(shè)計模型不僅能夠呈現(xiàn)車站設(shè)計的立體圖，同樣可分解裝配式地鐵車站設(shè)計模型，更詳細(xì)地展示設(shè)計參數(shù)、設(shè)計數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)設(shè)計周期內(nèi)數(shù)據(jù)信息的共享，實現(xiàn)裝配式地鐵車站各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計目標(biāo)。

除此之外，裝配式地鐵車站設(shè)計中，BIM 技術(shù)可憑借自身的模擬性特點，模擬設(shè)計車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的預(yù)制構(gòu)件，確保車站設(shè)計方案的可行性。因此，相關(guān)人員應(yīng)靈活應(yīng)用BIM 技術(shù)，將BIM 信息模型滲透在裝配式地鐵車站的整個生命周期內(nèi)，持續(xù)拓展各類BIM 軟件的應(yīng)用功能，將BIM 技術(shù)應(yīng)用在裝配式地鐵車站的施工模擬、車站運營、車站內(nèi)部維修養(yǎng)護環(huán)節(jié)中，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的應(yīng)用價值[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，將BIM 技術(shù)應(yīng)用在車站建設(shè)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、方案設(shè)計、設(shè)計實施等環(huán)節(jié)，可以用可視化、虛擬化的BIM 信息模型，為裝配式地鐵車站設(shè)計提供可靠的技術(shù)支持，并有效提升了裝配式地鐵車站的設(shè)計水平。為進一步突出BIM 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，還應(yīng)在裝配式地鐵車站設(shè)計中深入挖掘BIM 模型的分析功能，促進車站設(shè)計管理實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。