田 琼,周 基,,黄 良,蔡 强

(1.湖南科技学院 土木与环境工程学院,湖南 永州 425199;2.湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411105)

0 引言

BIM 技术是新兴的信息技术,是促进建筑行业技术升级改造与推动工程数字化、信息化的助推器,支撑着国家创新型战略发展计划的实施.近年来,不少学者与工程技术人员持续聚焦BIM 技术在地下工程的应用研究.刘卡丁等[1]针对地铁车站管线综合安装复杂性的特点,应用BIM 技术较好地解决了综合管线碰撞检查问题,实现了施工的优化.李坤[2]在地铁车站建设中应用BIM 技术实现结构建模、碰撞分析的基础上,拓展了结构计算和工程量统计等功能,为实现BIM 技术在地铁车站全生命周期的应用提供了参考.周少东等[3]探索了将地铁施工过程中的进度、成本、质量、安全等信息与3D-BIM 模型进行关联形成集成管理系统,以实现施工过程多维度信息的准确高效传递与集成管理.钱七虎[4]指出了基于BIM 与大数据技术,地下工程从数字化走向智慧化的工程建设信息化发展方向.2017年后,基于BIM 技术协同设计、BIM+GIS、BIM+VR、BIM 与物联网及三维激光扫描技术、BIM 信息化平台等理论研究与工程应用进入了新的发展阶段[5～7].虽然BIM 技术理论研究发展迅速并不断走向深入,但工程的实际应用效果还有待进一步提升.本文在借鉴已有理论研究及实际应用成果的基础上,依托长沙轨道交通4 号线(也称为长沙地铁4 号线)工程,主要开展基于BIM 技术的汉王陵公园站深化设计应用研究,探索BIM 技术的实际工程应用效果.

1 工程概况

汉王陵公园站为长沙地铁4 号线一期工程的第四个站,位于北二环路与银杉路交叉口北侧,呈南北向布置,为双层箱型框架结构.总平面图如图1所示.车站有效站台中心里程为DK18+334.000,设计起点里程为DK18+134.650,设计终点里程为DK18+414.600,总长为279.95 m.车站有效站台中心里程处轨面高程(绝对值)为32.86 m,标准段线间距15 m,标准段基坑宽度20.7 m,地面标高约47.933 m,车站主体结构顶板覆土厚度约为3.5 m.车站南北两端均设置盾构始发井,为地下二层岛式站台车站.车站设站后停车线,岛式站台宽度12 m,车站宽20.7 m,总建筑面积15492.88 m2.地下一层为车站站厅层,地下二层为车站站台层.车站共设4 个出入口(其中4 号出入口为预留出入口)与2 组风亭.

图1 长沙地铁4 号线汉王陵公园站总平面图

2 深化设计方法

2.1 深化设计主要工具

建立达到施工精度要求的BIM 模型是开展基于BIM 技术的地铁车站深化设计的首要工作.目前能实现三维信息模型的主流BIM 软件平台及其特点见表1[8～10].考虑到Revit 软件具有强大的协作性能、较强的细节展示以及能快速搭建模型等优势,故选择以Revit 软件为核心,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等为辅助软件,共同组成汉王陵公园站深化设计的BIM 软件平台.

表1 几种常见BIM 平台优点及不足

Fuzor 能与建模软件实时同步,模拟现实,VR 查看,但模型不能轻量化Lumion 实时可视化3D,快速渲染,但在编辑时不能连续撤销光辉城市Mars PC/VR 双模编辑,3D 信息及时传递,实时渲染,但模型精细化程度有待提高草图大师 简易,快速建模,但数据化较差

2.2 深化设计内容及模型建立

考虑地铁车站优化设计内容可能包括建筑、结构、通风与空调、给排水及消防、动力照明以及装饰装修等,为了能够较好地进行工作协同与信息传递,根据长沙地铁4 号线汉王陵公园站相关的土建设计图、机电设计图、装修设计图,采用Revit 软件分别建立土建BIM 模型、机电BIM 模型以及装修BIM 模型,如图2至图4所示.确保各专业模型的精度能够满足实际需要,从而能方便实现基于BIM 平台信息的协同交流[11].

图2 车站土建模型

图3 车站机电模型

图4 车站装修模型

3 基于BIM 的汉王陵公园站深化设计应用

3.1 可视化协同交互设计

工程规模大、需要考虑的专业多、功能分区复杂及设计协作难度大是地铁项目的主要特点[11].如图5所示,基于BIM 技术平台Revit 软件的链接模式及工作集模式,能使多方设计人员对汉王陵公园站按照各专业或区域信息同时进行模型创建、编辑与调整等综合协同设计,促进各专业间及专业内信息的及时沟通,实现对所设计模型的相互印证,从而提升整体协同工作效率,促进项目模型的高效整合与数据有效融合.

图5 基于BIM 平台的汉王陵公园站可视化协同交互设计

3.2 管线综合深化设计

地铁工程项目中,机电管线相对较多,给精准设计与精细施工带来较大的困难.采用BIM 技术能有效预判机电管线间高度、位置以及施工安装环境情况,减少了后期不必要的返工、降低了施工难度,加快了施工进度、节约了成本.汉王陵公园站站厅层设备区水泵机房深化设计成果如图6所示.在对该水泵机房进行合理排布时,共发现30 处地方存在问题,需要深化设计.图6(a)与图6(b)显示了系统管道优化前后对比.设计人员利用BIM 技术对模型不断地优化,最终获得精细化的BIM 管线综合排布图(图6(c))和BIM深化设计模型(图6(d)).

图6 汉王陵公园站站厅层设备区水泵机房管线综合深化设计成果

3.3 碰撞优化设计

碰撞是地铁工程项目中经常出现的问题.常用的碰撞分析软件为Navisworks,它是一款优秀的BIM三维设计软件[12].在对汉王陵公园站工程项目进行碰撞分析时,共发现问题964 处,在各专业构件之间的碰撞中,装修与机电、土建与机电、土建与装修的碰撞是最多的,所占比率达到了92%.碰撞类型与数量如图7所示.

图7 汉王陵公园站碰撞类型与数量

碰撞问题可分为硬碰撞和软碰撞,其中软碰撞又称为间隙碰撞.桥架与风管之间的碰撞是硬碰撞中很常见的类型.如图8所示,在设计时就可考虑将桥架向上折弯后直走,再向下折弯绕过风管进行安装,避免了管线之间的碰撞,提前解决了施工安装过程中会遇到的问题.站厅层公共区装修天花铝板与风管风口位置冲突是软碰撞类型.如图9所示,在BIM 模型中对其进行优化设计,调整风管风口的位置,可达到通风效果.

图8 汉王陵公园站桥架与风管硬碰撞优化设计

图9 汉王陵公园站站厅层公共区装修天花铝板与风管风口位置软碰撞优化设计

3.4 其他深化设计内容

3.4.1 优化预留洞口

土建模型与机电模型的融合匹配在地铁车站设计中是非常关键的,通常需要预留较多孔洞.汉王陵公园站机电预留孔洞优化模型如图10 所示.在BIM 平台软件辅助下,应用插件可快速完成洞口预留优化,为土建施工方技术交底时各参与人员明确预留孔洞的位置和尺寸创造了有利条件.

3.4.2 专业图纸输出

专业图纸的输出是BIM 技术工程应用的又一大优势.在汉王陵公园站图纸优化设计中,通过优化设置统一的BIM 数据标准,如预先规范图纸比例、详细程度、视觉样式、规程、构件的填充颜色和填充样式以及差异的标注等,可使得平面图、剖面图及局部详图等专业图纸更精准、直观,无需重复操作,提高工作效率.

3.4.3 工程量清单统计

不断优化的BIM 工程模型能及时展示丰富的工程信息,是一个强大的数据资源库.优化后的BIM 模型数据库,可实现对车站的各类专业构件、设备的诸如数量、尺寸等工程信息的准确统计,为项目全过程管理提供了可靠的依据.

图10 汉王陵公园站机电预留孔洞优化模型

3.4.4 方案动画模拟

Navisworks、Fuzor 和Lumion 是BIM 平台的集成软件,具有虚拟漫游、动画渲染等功能.通过动画模拟可直观、明了地展示所选方案重难点,为验证方案的合理性、寻求最优的工程解决方案提供了条件.同时,方案动画模拟方便了项目实施时的技术交底与施工协调安排等工作的开展.

4 结论

基于BIM 技术的长沙地铁4 号线汉王陵公园站深化设计,是在创建达到施工精度要求的BIM 模型基础上进行的.Revit 是BIM 软件平台的核心建模软件,Navisworks、Fuzor 及Lumion 等BIM 平台集成软件为汉王陵公园站深化设计提供了技术支撑.BIM 技术的应用贯穿了汉王陵公园站设计到施工全过程,覆盖了组织设计到现场施工管理多领域,提高了技术人员的协同设计及施工管理效率,为项目获得较好的经济效益创造了有利条件.

(1)BIM 为项目参与人员可视化协同交互设计提供了保障.BIM 技术平台为汉王陵公园站各专业设计人员进行模型创建、编辑与调整等协同交互设计提供了平台保障,基于标准化的建模体系,促进了汉王陵公园站整体协同设计的有力开展,保证了项目深化设计与各专业图纸的精准输出,推动了设计施工一体化及智能建造的有效实施.

(2)BIM为项目实施储备了丰富精确的工程信息数据资源.应用BIM技术创建的汉王陵公园站三维参数化模型包含了丰富的工程信息,随着汉王陵公园站各专业模型的不断优化,施工所需的工程信息及环境信息数据资源被精准创建,建筑结构、机电、装修等各专业BIM 参数化信息数据得到有效整合,实现了各类信息数据的快速精确导出,不仅为项目实施提供了可靠的依据,而且也为后期精益建造与智慧建造提供了有力支撑.

(3)BIM为项目全过程精细化管理创造了条件.多方协同下深化设计的汉王陵公园站BIM三维模型被实时、自动呈现,避免了因多次修改导致部分内容自相矛盾现象的出现,进一步优化了管理部门之间的衔接,保证了管理流程的合理性及决策者决策判定的时效性.同时,通过施工全过程模拟预判项目实施过程中的重点关键部位可能产生的各类问题,经过土建、机电、装修等各专业综合深化设计,碰撞及预留洞口等问题被较好地优化处理,不仅保证了施工的顺利进行,也降低了项目成本、节约了时间、提高了工程质量,保障了精细化施工管理有效开展.