1.天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司 天津 300450；2.北京市轨道交通设计研究院有限公司 北京 100044
摘要：近年来我国正处于高速发展新时代，各个领域都在飞速发展，其中地铁轨道交通建设作为有效缓解城市地面交通拥堵的途径发展尤为迅速，但地铁工程项目存在场地空间有限、资源配置复杂、工期紧、地下管线复杂等工程问题，还面临这诸多挑战。BIM技术具有可视化、模拟性、优化性及可出图性等诸多优点可以有效地解决这些技术难题。
关键词：BIM；设计阶段；地铁
Abstract: In recent years, China is in a new era of high-speed development, with rapid development in various fields, especially in the construction of Metro Rail Transit as an effective way to ease urban ground traffic congestion, however, Metro projects are faced with such engineering problems as limited space, complicated resource allocation, tight construction period and complicated underground pipeline, and so on. Bim Technology has many advantages, such as visualization, simulation, optimization and map-making, which can solve these technical problems effectively.
Key words: BIM; design stage; Metro0
引言
随着我国的快速发展，地面交通拥挤状况日益严重。为解决这一问题，全国各省市不断加大城市轨道交通建设投入，进一步提升城市交通运输能力。目前，工程建设特别是地下交通建设，普遍存在地下空间有限、建设量大、工期紧、涉及行业多、资源配置复杂等工程技术难题。设计与施工管理模式往往涉及到许多结构设计变更、工程变更、施工不明确、施工延误、成本控制等诸多问题，贯穿于建
筑的整个生命周期这严重阻碍了轨道交通工程建设、施工管理和成本控制。因此，采用先进的技术来协调和解决建筑整个生命周期所面临的许多问题是更有价值的。建筑信息模型（BIM）是一种基于与工程相关的各种信息的模型。通过相关应用软件建立三维模型并与信息数据进行匹配得出的可视化虚拟模型，在建设全生命周期内进行模拟，实现施工前“演练”的效果，指导工程的设计、施工和维护。
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图1我国地铁的高速发展
Fig.1 Rapid development of subway in China
1 地铁工程项目发展现状及特点分析
我国的地铁建设经历几十年的风风雨雨，从1965年起，北京地铁第一期工程作为我国首条地铁线路开始动工，到上世纪九十年代初期，天津、广州、上海等城市纷纷开始施工建设，十多个城市进行了轻轨、地铁的规划建设，使得国内的地铁建设取得了惊人的成就。
地铁工程有以下三个方面的功能特点：
1.1 有效舒缓地面交通拥堵问题
我国人口基数较大，城市人口密度较大，使得土地使用面积严重不足，限制了城市发展的进程。地铁工程的建设开展，能有效的缓解地面交通的压力，从而节约地面空间。
1.2 有效实现节能减排
新世纪以来，能源和环境问题在世界范围内引发广泛的关注，我国更是一直提倡绿色出行，减少因燃油车驾驶所带来的各种污染，地铁就是这样一种绿色的交通方式，也成为了广大市民首要的交通工具选择，乘坐地铁非常的方便。目前选择地铁出行的人日益增加，大量的乘客选择方便的地铁出行，从而减少了地上燃油车辆的使用，也减少了能源的消耗，所以地铁建设能有效实现节能减排的目的。
1.3 减少干扰及噪声污染
地铁的运行一方面缓解地面交通紧张的压力，另一方面也在一定程度上降低了交通事故发生的概率，地上交通事故发生多数是因为干扰造成的，地铁运行会减少相关的干扰及减少噪声的污染。
2 传统方式在地铁设计中的弊端
2.1二维模式还不能够解决复杂管线的排布问题
传统二维工作模式还是以CAD为基础进行各专业的设计工作，会在施工前对机电管线部分进行综合检查，解决重点、难点管线较多区域的排布避让问题，但由于地铁工程项目中管道系统极其复杂，且二维工作模式所能表达及呈现的项目信息有限，所以无法直观的查看各专业管线之间的空间关系，因此，往往会在施工过程中发现碰撞冲突，屡屡出现管线安装拆除返工现象。
2.2设计过程中的协调性不够导致工程协同合作程度不高
传统二维工作模式因为是以CAD平面设计为准，缺少三维可视化支持，且由于软件自身功能限制，在协同性及统一性上不是很强，常会在施工现场出现因土建及机电未及时沟通出现的工作配合上的失误，主要表现在施工过程中难免会遇到管线之间发生碰撞的现象，导致整个项目实施过程中的施工单位与专业人员配合程度不高，协调性差，如图2所示。
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图2 BIM与CAD项目应用对比
Fig.2 Application comparison between Bim and CAD projects
2.3设计方案不够精细，数据不够精准
传统的二维管线设计由于软件技术的限制，无法准确表达管道在施工过程中的精确定位及安装信息，如管道的保温及隔热层、管道与管道之间的距离、全部管道安装后预留的检修空间等，均无法准确精确的表达在机电管道设计图纸中，因此设计方案不够精细，与之相匹配的数据也不够精准，这些都会对后期的施工造成影响。
2.4工程缺乏预见和全局性
传统设计对全部专业的一致性及连贯性呈现不够，缺少综合考虑的预见性与全局性，在施工过程中因为缺少系统的模拟分析，会容易导致修改一处另外一处还会有新的碰撞发生。
2.5图面不清晰
传统的二维机电各专业设计图纸虽然也进行了剖面图的绘制，但因为地铁项目管道系统繁多且专业间协调性差，导致综合管网图面会很复杂，使人难以分辨识别，不直观。这些问题同样会传递到施工过程中，会发生管线之间的碰撞冲突，从而导致返工。
3 BIM技术介绍
BIM是建筑信息模型，是搭载各类工程信息的三维可视化模型，它的应用贯穿整个工程项目建设的全过程，将设计、施工及后期运维等相关环节关联起来，并协调各参与单位及各类工程信息，如图3所示。
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图3 BIM技术应用全过程示意图
Fig.3 Schematic diagram of the whole process of BIM Technology Application
3.1.可视化
BIM技术的出现是设计师不仅拥有了三维可视化设计的工具，更重要的是基于工具的功能实现了三维可视化设计的正向设计之路，也使得设计师便于真正施工三维方式完成设计，也让最终用户摆脱了非专业的限制。可视化在设计中的运用将大大帮助了设计师对复杂造型空间的理解。
3.2协同性
利用BIM技术的协同性将提供全新的基于三维可视化的协同设计工作模式，三维协同设计也是数字化设计发展与网络技术相结合的产物，BIM的出现将打破传统二维CAD模式下的文件参照模式，如图4所示，BIM技术提供的则更多的是底层支撑，大幅提升协同设计的质量，对全生命周期中的全专业均有极大收益。
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图4 某项目协同设计应用示意
Fig.4 Application of collaborative design for a project
4 BIM在地铁设计中的应用
4.1前期规划设计应用
在地铁工程的设计当中，前期的规划起到举足轻重的作用，好的前期规划设计工作，可以让整个项目工程事半功倍。所以，前期规划设计需要设计相关的各参与单位或部门用BIM技术的视角看待问题，在前期规划设计阶段就创建地铁工程模型，此套模型内容应包括实施地点的地质条件、周边环境等，还应添加当地文化特色、人文、科学等相关信息，并且，此套模型也可以作为后期设计工作的参照及基础，用作设计中的各种分析，对地铁项目精细化设计有非常大的帮助。
4.2可视化设计
在地铁项目方案设计过程中，可以依据前期规划阶段所创建的模型进行地铁实体模型搭建，通过软件的可视化推敲地铁建筑的体量关系，并综合考虑周边用地环境情况，包括地上道路、桥梁、绿化、建筑物、地形地貌、市政管网等因素。也可以根据地铁设计的范围及整体造型等条件进行地铁内部空间布局的设计。还可以进行可视化线路管网的综合排布，在设计阶段初期，机电各专业可以在确定系统设计及路由线路之后，通过创建精度不高的管线进行三维查看或者进行专业间的提返资，可以在前期进行初步的管线综合，为后期工作做好铺垫。BIM技术三维可视化的是相较于传统二维CAD工作模式一个较大的优势，因为软件特性所见即所得，如图5所示，可以通过二维设计直接得到三维查看模型，清晰直观。而且BIM三维模型不同于其他传统的3D模型搭建软件，BIM模型中的构件具有相关属性信息，如高度、宽度、材质、体积、类型等信息，还可以通过编辑自行添加相关设计阶段设计信息及说明，可以在专业间协同过程中大大提高沟通效率。
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图5 某项目站内效果图
Fig.5 Effect drawing in a project station
4.3协同设计
在地铁项目设计过程中可以利用BIM技术的协同性进行设计阶段的充分协同工作，BIM技术可以使项目的各参与单位及各相关专业在同一设计环境中进行同时工作，可以实时性查看其他专业在此设计环境中的设计情况，从而进行实时协同沟通。同时不同的相关专业设计人员可以进行此阶段的信息添加及说明，形成各项数据信息，帮助其他设计人员及管理人员查阅及决策。
4.4参数化设计
与传统的设计软件相比，BIM的突出特点是它是一种参数化设计。设计不仅以图形的形式显示，且各相关视图及数据相互关联。当其中一个数据发生变化时，其他相关数据将及时更新，这给设计的灵活性和可变性带来了极大的便利，并降低了设计错误率。例如，当调整门的大小时，门的立面、平面和剖面的大小将相应地更改。
4.5碰撞检查
地铁项目设计过程中，会涉及到非常多的专业，地铁站内净高要求高，管线系统多，因此管线的综合排布一直都是地铁项目设计中的重点。传统设计采用二维的布局设计方式，平面上难以表达多个相互重叠的管线，剖面中难以反映全部管线综合排布的高程情况。而BIM技术提供的碰撞检查功能能够完美解决管线综合设计中的这一难题，应用此功能能够实时查看构件之间的碰撞情况，可以让设计师第一时间意识到自己专业与其他专业之间的排布关系和相互协调的问题，并在第一时间进行问题的优化与沟通。也可以应用此功能查看管井是否位置一致、预留洞口是否满足需求等，提高了设计的质量。
4.6管线综合优化
应用BIM技术中提供的碰撞检查功能，能第一时间发现管线综合碰撞的问题，通过对问题的筛选可以得出哪些问题是通过避让可以解决的，哪些是要进行变更设计才能予以解决；哪些区域净高还可以进一步进行优化，哪些区域是重点管道布置区域等，如图6所示。在此过程中也可以考虑后期施工的需要，如各类支吊架空间、管线安装及检修空间的预留，从而使得设计成果得到了延伸。
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图6 BIM管线综合优化应用
Fig.6 BIM pipeline comprehensive optimization application
4.7提高空间利用率
按照地铁设计所出具的施工图纸成果，进行可视化的模拟，如空间漫游模拟、重点区域安装模拟等，从而发现碰撞检查及管线优化后的遗留问题，此模拟可更为精细的提高空间的利用率，提高设计质量。
4.8工程量统计
通过BIM技术搭建的模型会搭载大量的设计及工程信息，可通过自带的构件信息统计功能进行工程量的统计，此信息统计不仅可以统计设计成果中各工程构件的型号、尺寸、数量，还可统计出使用位置、构件特性、添加的施工信息及运维信息等。可以为施工预算做参照，可快速提供施工管理所需的数据信息依据，从而提高施工管理的效率。
4.9多元化施工交底
BIM可视化设计成果可以添加相应的施工信息，如施工工序、施工开始及结束时间、复杂施工工艺等，为施工提供相关依据；还可以出具传统方式无法出具的重点区域的三维可视化图纸或导出轻量化模型进行现场移动终端查看，实现多途径、多元化施工交底，减少施工返工和整改，提高施工质量和施工效率。
5 BIM技术在地铁设计中的探究
5.1BIM精细的项目可视化在设计中的应用探究
运用精细的项目可视化应用、三维协同设计方式在整个地铁项目设计过程中，使地铁工程的设计过程更具有协同性和完整性，设计的各专业及项目的各参与方通过在同一设计环境中进行协同作业，通过BIM精细的可视化功能，相互沟通结合最终形成一个完整的精细设计模型，并且能够完整的传递到施工阶段，使现场的施工人员可以通过可视化的模型就现场出现的问题与设计阶段各专业协同设计的设计师进行实时沟通交流，相互配合解决精细BIM模型外的现场问题，让工程的每一个重要的施工节点都符合最终竣工验收的要求。而且，设计阶段整合精细化模型可有效传递到施工阶段，现场施工人员通过查看三维协同模型，可将各个参与单位的人员联系在一起，施工过程做到各司其职、通力配合，打破了施工区域与时间的限制，施工人员可根据设计模型在进行相关施工阶段工作的延伸，如进行施工场地布置、重点管线区域深化设计等，添加施工元素、构建施工模型、编辑施工信息，同时与设计人员及其他相关参与单位沟通交流，避免了语言沟通的不清楚和书面沟通的滞后性，因此通过精细的项目可视化应用，可大大提高地铁设计过程的设计质量及效率，为模型下一阶段传递打下坚实基础。
5.2 BIM优化设计方案的应用探究
地铁项目中越来越多的应用BIM技术来进行设计优化，也利用了BIM技术的优势达到了优化设计成果，提高设计质量，提升设计效率，节约建设时间和成本的目的。在设计方案的前期，可将全部设计条件进行三维BIM可视化建模，分析建设用地、地铁体量与周边环境的关系，从而确定最优方案；初步设计阶段，一方面对方案阶段的成果进行校对和审核，另一方案进行更进一步的优化设计，此阶段全部专业将参与其中，结构专业进行结构计算，建筑专业进行功能空间设计，给排水、暖通、通信专业进行初步的系统及路由设计，并在同一个设计环境中进行，使得对方案阶段的成果校对及优化更为便捷，如出现问题，可由各专业及时沟通协调解决；施工图设计阶段，将确定的管线综合系统及路由更深层的进行BIM管线综合应用，查找净高紧张区域、管线复杂区域、施工困难区域等，沟通一一解决管线碰撞点，并考虑施工条件，最终进行施工图成果及交底成果的多元化成果输出，确保准确将设计意图传递到施工阶段，减少设计变更及施工返工，保证地铁工程施工质量。
图7 复杂管线综合应用效果
Comprehensive application effect of complex pipeline
5.3 BIM多专业的协同设计应用探究
地铁工程项目设计过程中运用BIM技术的协同性功能，将设计及施工过程中需要的信息及数据进行提前沟通协调整理，最终输入至BIM模型中去，期间设计及施工各参与单位及各专业在同一设计环境中进行沟通交流，将许多的施工过程中的问题提前考虑，施工相关设计的工作前置，从而优化设计成果，提高设计精度，为施工设计提供参考和衡量的基础。
结束语
综上所述，随着BIM技术在地铁项目中的广泛应用，会使得可视化、协同性、优化性等BIM功能特性在项目中发挥更大的作用，形成更精细化的设计成果，打破设计及施工界限，打破各参与方及各专业间的沟通界限，全面解决因沟通不畅、信息不对称等带来的工程问题，从而提高地铁工程的设计质量和设计效率，同时缩短工程时间，节约工程成本，有利于我国沿着中国特色社会主义道路的高速发展。
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作者简介：李进（1979-），男，天津，毕业于中共中央党校经济学（政治经济学）专业，研究生学历，高级工程师，现从事城市轨道交通机电设备建设管理工作。