BIM模型在科隆尼佩斯动车段项目中的运用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

BIM模型在科隆尼佩斯动车段项目中的运用

■ Thorsten Koop，Erik Eifler，Thomas Rath

德铁国际公司作为项目总包承接了德铁长途客运公司的新建科隆尼佩斯ICE动车段的设计项目。该动车段将承担全部新购ICE高速列车以及用于长途客运的新一代城际特快列车ICx的养护维修任务。

为了完成这一艰巨任务，项目设计组使用了建筑信息模型（BIM）。

1 项目要求

（1）动车段项目投资大约2．2亿欧元，其中6 000万欧元是设计目标的建设成本。

（2）主体功能分布在一个长443 m的维修车间内，其中铺设4条维修股道和6个不同的作业面。此外，还有4层的办公和管理区，包括几个会议室、1个接待室和内部餐厅。在一个附楼内有6个不同的辅助车间，1个设有750个衣帽柜的更衣间和1个2层的技术区。在另外一个附楼内设立了多个重要功能区，如气候试验室、变电室和大型储藏单元。对各维修工序所需要的材料都规定有相应的存放位置：对小部件配置了专用的自动托举系统，放置在7 m多高的窄货架上的托盘和格栅箱中；对大部件和轮对也规定了相应的地面存放位置。

（3）动车段配备最先进的机械设备：

● 8台载质量为1．6 t、能纵向行走的旋臂起重机，用于更换长途列车车顶上的笨重大部件，如空调设备。

● 转向架更换设备，用于更换完全组装好的整个转向架和位于车辆下方的其他比较笨重的主要部件，因此也可进行繁重的修理作业。

● 专用的、与转向架更换设备构成逻辑联系的转向架试验台。在模拟载质量的条件下对转向架进行测量，对弹簧进行调整作业。

● 维修股道安装横向轨道梁，用于快速和直接更换轮对；还安装可走行的作业平台。

● 空心轴超声波检测系统、空调设备维修车间以及其他检测室和车间。

为达到建设和运营过程中的可持续发展目标，进行了动态建筑模拟实验，以提出更理想、高效率且可持续的能源供应设备设计。此外，利用地下水在冬天供应热能，夏天则用于制冷。光伏发电设备能使地热设备的运行更加环保。消防水箱还用于储存热能，所储存的热能用于冬天对列车除冰。办公室、其他公共空间和外部设备都采用了LED照明灯，以实现更加节能的目的。

根据设计方案，车间外墙采用了大面积的聚碳酸酯保温层，这就像一层轻薄皮肤覆盖在坚固的混凝土外部基底上。多颜色的保温层向外界展现德铁集团Logo的颜色；由于其透光性高，能充分利用阳光。智能照明控制系统按需求自动打开灯光照明。

2 设计阶段

为进行如此复杂的房屋结构设计，首先规定了基本要求，以了解设计任务的规模。除了进行传统2D设计外，还要研究如何进一步改进设计方法（见图1）。非常重要的是要促进专业设计组之间的合作，以及向所有项目参与者提供最新的设计状况信息，以避免信息损失。

此外，还要求准备灵活的备选设计方案。因为在本阶段，具体应铺设几条维修股道，车间应有多大规模等问题还没有最终确定。讨论中曾提出了铺设3条、4条或者6条维修股道的方案。因此在最初的设计阶段，必须同时进行3种方案的设计。设计组试图寻找一种解决方法，能从包含不同变通方案的一种设计中导出3个不同的设计。在设计模型中将设计与大致数量和估算成本建立逻辑联系也非常重要，因为若没有这种逻辑联系，在相互关联的设计方法中就必须人工补充数量和重量，这可能会导致出现错误。此外，计划采用一种高效方法通过以后的修改对设计进行调整，尽量缩短设计时间并能迅速实现可视化，从而能方便地向委托方和项目的合作方介绍建议设计方案。

2012年第一季度在进行房屋建筑设计的初步规划阶段就采用了BIM设计方法和支持BIM的3D软件（见图2），满足了上述所有要求。

3 房屋结构设计：数据结构和项目处理

为了处理设计工作，制作了一个中央房屋结构模型，建筑师在这个模型内贯彻落实他们的设计工作。由8名建筑师组成的小组同时在该模型上进行工作，综合集成了对房屋结构最重要的三个专业设计师，即承重结构设计、机械设备和建筑技术设备设计师的设计方案。

预先共同商定了对合作设计工作流程的规定。其中包括需要交换的细节深度、对统一的计算处理参数和命名习惯的规定。建议使用统一的软件，但只有在专业设计师来自同一家公司才能保证做到。若使用不同的软件，就必须确定交换格式。建议通过IFC（Industry Foundation Classes）接口来进行数据交换。这样，所传输的模型信息比构件的3D结构图形信息还要多。为了避免不统一，所使用的设计软件要经过IFC认证。

此外，对设计进展必须规定定期进行交换数据的固定时间节点。只有这样才能为其他设计组提供最新的设计信息，并核查和推动设计进展。

在结构模型内落实设计工作的一个重要作用是能规定各建筑构件的设计要求，它为推动设计工作产生了巨大创新动力。在采用传统设计方法时，建筑师必须在2D系统中追补其他建筑物的设计，而采用BIM方法后在已明确规定的责任范围内只需控制3D设计数据的输入。图3说明，许多设计内容不属于房屋结构设计，但是这些内容对房屋结构设计有重大关联。

跨专业3D设计的另一个优点是，可在3D模型的任意位置生成传统2D的平面布置图、剖面图和正视图，因此在设计过程中可省去大量的绘图工作。所插入的其他建筑物的设计也会同时显示出来。此外，在3D设计范围很容易看出结构物之间的冲突（见图4），并能予以消除。

与传统的2D设计相比，利用3D设计模型能够高质量实现可视化，向客户形象化介绍设计团队的设计建议和方案，或者由客户向公众演示介绍。例如，为充分利用日光，通过这种3D设计模型将模型（数据）传输至软件系统，进行了日光模拟实验。

除此以外，可计算表册内的所有参数和构件，例如对房屋建筑内部布局明细表册内的参数和构件或者质量和数量进行计算。采用这些措施还能提高设计质量（见图5）。

目前，德铁国际公司正在努力达到以下目标，不仅在一个数据模型中按数据交换间隔时间将主要的房屋建筑物在一个数据模型中拼接起来，还要在一个模型中同时开展设计工作。这样整个设计过程就与可视的BIM设计很相似（见图6）。

4 “5D”设计

在初步设计阶段，项目组可对进入5D设计的连接关系进行详细测试。与市场领先的AVA软件（招标、标的分配和工程建设成本核算）开发公司合作的目的在于，可在所设计的3D构件以及对施工流程进行模拟的基础上进行可靠的成本核算。

5 成本核算

为了能够进行计算，对所有3D构件都进行编码，并执行同一种命名规则。在设计工作流程中，可把3D设计数据输到一个特别生成的文件中，接着载入AVA软件。在AVA环境中，把不同的构件分为报表，并安排在设计工作明细表中的相应项目内，以便进行成本核算。对这些报表可通过编程公式从3D模型中逐一地进行查询。初步看这一步骤非常耗时，但能使以后的设计阶段更有效率。因为只要把各构件与一个相应项目构成逻辑关系，以后一旦有变更就会自动计算所产生的成本。设计中若每天都有变更，上述方法就能降低成本，尤其与目前常用的人工计算修改方法相比更加明显。从3D模型中生成的设计工作明细表各项目的重量和数量特别有用，这些表格可根据当时所需要的参数，迅速改变分类（见图7）。

6 施工流程模型

制作施工流程模型，即将第5维“时间”与成本和构件联系起来，是实现建筑工地施工流程的可视化非常有说服力的工具。在早期设计阶段就可实现施工流程的可视化，而在设计工作比较繁重的大型项目中此前一直是以进度表反映施工流程的。但是，这并不意味着传统的工期进度没有用处，工期进度表依然是项目控制中的重要工具，是5D设计的依据。

5D设计，即与成本和时间要素建立逻辑关系的作用更多体现于输出“流程影片”。AVA软件在仿真过程中能播放施工进展、传统的进度表、与施工进度模型相似显示施工项目进展最新状况，同时还显示目前所花费的成本。因此在设计阶段就能改进施工流程计划质量，对施工监理而言能更迅速地监控整体进度。

德铁国际公司认为，在5D工作流程内的3D模型对于撰写投标书和给施工企业分配标的特别有用。通过将3D构件记录在设计工作明细表的各分项目中，就能使这些项目实现可视化，这样可使各个分项目内容更加明晰。与设计工作明细表的分项目建立逻辑关系可对各施工企业的报价进行比较，避免编制投标书出现错误。所有参与方都能从中获益，并能在持续投入的时间内进一步提高质量。

7 总结

为新建“科隆尼佩斯动车段”项目选择上述创新设计方法，是一个正确的决定。经验表明，正确运用3D/5D技术尽管在准备阶段花费较高，但能大大降低整体设计费用，尤其在变更设计修改较多时，费用降低的幅度更大。

现在公司正在进一步扩展BIM工具的用途，最终建筑设计部门从最初的项目建议书、拆除目标物到项目实施都可使用该工具实现可视化目标。

Thorsten Koop：德铁国际公司，高级项目经理，thorsten.koop@db-international.de.

Erik Eifler：德铁国际公司，建造设计师，erik. eifler@db-international.de.

Thomas Rath：德铁国际公司，项目管理经理，thomas.rath@db-international.de.

注：本篇文章转载于《铁路技术评论》杂志2015年3月第21卷，但编者对文章的内容进行了精简和改编。

责任编辑 王小红