基于BIM技术的碰撞检测在地铁工程中的应用研究

王咸锋，黄妙燕

（广东建设职业技术学院建筑信息系，广东广州 510450）

基于BIM技术的碰撞检测在地铁工程中的应用研究

王咸锋，黄妙燕

（广东建设职业技术学院建筑信息系，广东广州 510450）

BIM技术是建筑业近年来发展很快的一项新技术，碰撞检测是BIM技术在建设工程中的一项重要应用.本文论述了碰撞检测的种类以及应用BIM技术进行碰撞检测的方法，并以广州地铁9号线岐山车辆段工程和伦敦维多利亚地铁站扩建工程为例，介绍了如何应用BIM模型进行碰撞检测、软碰撞检测以及间隙碰撞检测的应用.

建筑信息模型（BIM）；碰撞检测；地铁工程

1 BIM与地铁工程

1.1 BIM简介

上个世纪的90年代，建筑工程中的信息化建模技术的研究逐渐成熟并被用到建筑软件开发中.在Graphisoft、Bentley等公司应用信息化建模技术的基础上，2002年Autodesk公司首次提出建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念.建筑信息模型这一名称迅速得到学术界和其它软件开发商的广泛认同，BIM也成为建筑工程软件开发商采用的主流技术.

2007年美国颁布的《美国国家BIM标准》第一版第一部分(NBIMS-v1-p1)对BIM给出了如下定义：“Building Information Modeling是一个建立设施电子模型的行为，其目标为可视化、工程分析、冲突分析、规范标准检查、工程造价、竣工的产品、预算编制和许多其他用途.”［1］

换句话说，BIM就是在一个建筑项目的设计、建造、运营以及管理过程中，创建和应用一一对应的、内部协调的、可计算的信息.在创建信息时，并不局限于建筑物三维模型几何信息，还包含了设施的物理特性和功能特性及其相关的项目生命周期信息，涉及到建设工程全过程各个方面的项目信息，强调对信息完全数字化；在应用信息时，支持建设工程中各种运算形式及应用要求，可以随时给模型增添各种工程信息，满足设计、建造、管理的各种需求.

因此，在工程中应用BIM技术，在建造之前首先要在计算机上建立起一个虚拟的建筑物，这个虚拟建筑物上的所有信息和在实际地点要建的真实建筑物上的信息具有一一对应的关系，这个虚拟的建筑物其实就是一个信息化的3D建筑模型，也就是BIM模型.这样，在该建筑物整个设计和施工的过程都可以利用这个BIM模型进行工程分析和科学管理.例如，可以在BIM模型上检查建筑、结构、设备的设计布置有没有冲突，内部空间是否适宜；可以在BIM模型上对施工计划和施工方案进行分析模拟，充分利用空间和资源，消除冲突，得到最优施工计划和方案；等等.这样就可以将设计和施工的各种错误消灭在建造之前，然后才进行真实建筑物的建造，从而使错误的发生降低到到最少，保证工期和工程质量.这个BIM模型随着建造过程的发展而不断将各种工程信息充实到模型中.应用BIM的目标就是为了实现建筑工程项目的高效、优质、低耗，缩短工期和降低成本.

目前，BIM在我国的应用发展得很快，在上海中心大厦、广州东塔、北京银河SOHO、贵州省平塘县射电天文望远镜等一系列工程上取得了显著成效.为指导和推动BIM的应用，住房和城乡建设部在2015年7月印发了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，在该文件的指引下，BIM正在我国建筑业中引发一场革命.工程实践证明，BIM技术的应用可以从根本上解决以往项目在规划、设计、施工、运行维护各个阶段之间的信息断层，实现建筑生命全周期的信息化管理，从而提高了建筑工程项目的劳动生产效率，提高工程质量，缩短工期和减少浪费. BIM的应用将是我国建筑业未来发展的方向.

1.2 地铁工程应用BIM的效益显著

近几年，我国各个大城市都在大力发展轨道交通，城市地铁建设和发展突飞猛进.

地铁工程具有工程投资大、参与专业多、施工周期长、施工项目多、施工场地狭窄、技术复杂、返工修改问题突出等特点.特别在管线综合施工中，要在非常有限的空间内将通风、空调、消防、电力、通信、信号、综合监控等十几个专业的管线系统，按照它们与建筑、结构间的空间关系，合理布置、安装好.在工程设计和施工中稍有不慎，就会造成返工和浪费，并拖延工期，影响面很大.

随着早几年国内在建筑设计、施工领域对BIM技术的引入，并在应用中取得良好的效益，这两年地铁工程也开始探索BIM技术在地铁工程中的应用.根据目前的应用发展现状，未来BIM技术可以在地铁工程前期、设计、施工、运营等各个阶段中发挥重大作用.

上海地铁11号线龙耀路车站在交付营运时所提交的技术资料中有这样一组数据：该站机电设备安装工程应用BIM技术，建立了数据模型，事前检测各类管线碰撞112处，自行规避93处，报设计修订19处，大幅减少各专业摩擦、返工和误工，有效降低费用30%，节省工期约10%，并为后期维护管理带来了潜在效益.［2］由此可以看到地铁工程应用BIM所产生的显著效益.

2 碰撞检测

BIM技术在地铁工程不同阶段有多方面的应用，本文主要探讨BIM技术在碰撞检测中的应用.

2.1 碰撞的产生

在空间中，两个不可穿透的图形对象是不可能同时包含有相同的空间区域的.如果发生了这样的情况，即产生了交集，那就是发生了碰撞.在工程实践中，经常会发生如图1那样的情况，不同专业的管线之间或者管线与结构梁柱之间发生了碰撞.

图1 供电管沟与综合管沟、给水管发生碰撞

随着地铁工程的规模越来越大，自动化程度越来越高，附带的功能越来越多，各种管线也越来越多.管线增多与对建筑空间的利用率要求越来越高是一个矛盾.而且在实际工程中，大部分的管线设计图纸都没有达到完全满足现场施工所要求的深度，错漏之处比比皆是，若按图施工必然会遇到很多碰撞问题，有不同结构构件的碰撞、不同管线的碰撞，也有管线与结构的碰撞.因此，在实际施工之前，对施工图纸进行进一步的审核检查是十分必要的，以解决各种碰撞问题.这些碰撞问题的产生原因有多种，一是目前广泛采用的2D施工图难以立体地反映各种管线之间的关系，另一种是在设计过程中，不同专业的设计人员对信息交流不够充分而导致.特别当管线非常密集的时候，就更容易产生碰撞.

2.2 碰撞的类型

碰撞的类型一般分为三类：硬碰撞、软碰撞和间隙碰撞.［3］

硬碰撞是指两实体在空间上存在交集.在设计阶段如果各专业间没有做好统一标高的规定，就会在建筑构件与管道之间、或者不同管道之间发生硬碰撞.

软碰撞是指两个对象在空间上存在交集，也就是发生了碰撞，但这种碰撞在一定的范围内是允许的.通过碰撞检测控制实现对象之间的软碰撞，一般会应用在一些基础工程中.

间隙碰撞，是指两实体虽然在空间上并不存在交集，但两者之间的距离比规定间距要小就被认为两者发生了间隙碰撞.例如，两根管道并排架设时，出于安装工艺、技术要求等的考虑，两者之间必须有一定的间距，否则其设计是不合理的，即形成了间隙碰撞.类似的还有出于安全的考虑，各种管道与电气专业的桥架、母排有最小间距要求.也可以通过检查管道与墙上安装的开关插座之间的间距是否满足设计要求来判断开关插座是否被管道遮挡.

2.3 碰撞检测的传统做法

所谓传统的做法其实就是用人工的方法.以管线协调为例来说明传统做法是如何进行碰撞检测的.

传统的管线协调的方法是把不同专业的平面设计复制在不同的透明图纸上，然后叠放在一起透过光线进行相互比较，检查其是否有重叠、有碰撞.这种靠纯人工参与的做法极其费时费力，往往要经过多次专门的协调才能完成.各专业每个区域最终出图时，剖面图、平面图所表现的位置、标高应保持一致.在综合管线协调过程中，剖面图做调整时，平面图也做相应调整.

由于项目的规模及复杂程度，以及工作人员的能力很容易造成疏漏，都会影响到管线协调的成果.结果最后造成返工，增加了成本，还延长了工期.因此，传统的做法弊端不少.

随着有关碰撞检测的研究特别是有关碰撞检测算法的研究取得了突破，碰撞检测算法与BIM技术结合起来，碰撞检测取得显著的成效，以上的传统做法已经逐步被新技术所取代.

2.4 碰撞检测技术概述

碰撞又可分为静态碰撞和动态碰撞，不同专业的管线之间或者管线与结构梁柱之间的碰撞属于静态碰撞，而建筑塔吊在吊运过程中可能产生的碰撞则属于动态碰撞.

碰撞检测最基本的一点就是确定两个或多个图形对象彼此之间是否发生接触或穿透.即确定两个几何模型是否产生交集，如发生碰撞，则需确定碰撞点.随着计算机3D技术的发展，碰撞检测已经成为计算机图形学的重要组成部分.碰撞检测涉及到3D空间、几何模型表示、分层数据结构、测试方法等，它实质上是通过判断两个物体之间的距离（即距离检测）或重叠与相交（即碰撞检测）情况来实现的.

在求解碰撞检测问题时，往往把3D空间中的碰撞检测看作两个几何体求交集的测试问题.3D几何体的构造比较复杂，常用的是多边形模型.［4］构成它的基本图元有三角形面片、四角形面片、四面体等（可以根据不同的使用场合选择不同的模型），故其碰撞检测算法也比较困难.

目前用于碰撞检测的算法有基于时间域的碰撞检测算法以及基于空间域的碰撞检测算法.属于基于时间域的碰撞检测算法有静态碰撞检测算法、离散碰撞检测算法和连续碰撞检测算法三类.静态碰撞可以采用其中的静态碰撞检测算法，这类问题在计算几何中的研究比较深入，其算法目前可达到较高精度.［5-6］而基于空间域的碰撞检测算法包括基于物体空间的碰撞检测算法和基于图像空间的碰撞检测算法两类.对于动态碰撞采用基于图像空间的碰撞检测算法是较好的选择，这类算法优势在于随着近年来图形硬件计算性能的迅速增长，能有效地利用图形硬件加速技术来减轻CPU的计算负荷，从而达到提高算法效率的目的.目前最新的研究还将图像空间碰撞检测算法和物体空间碰撞检测算法结合起来，利用二者的优点增强了算法的功能.［7-8］

2.5 应用BIM技术进行碰撞检测

现以Revit软件和Navisworks软件为例来说明怎样应用BIM技术进行碰撞检测的.

这两个软件都是美国Autodesk公司基于BIM技术开发出来的产品，彼此之间有很好的兼容性.一般是采用Revit软件建立起BIM模型的.在实际的工程中，不同的专业都会采用Revit软件建立起本专业的BIM子模型，然后将建筑子模型、结构子模型、通风子模型、给排水子模型等多个专业子模型综合在一起再采用Navisworks软件进行碰撞检测.Navisworks通过数据接口扩展后可以读取在Revit平台上创建的模型数据，并能针对模型提供多种仿真与分析功能.只要应用Navisworks软件的Clash Detective命令就能够识别设计中的各种碰撞问题.

项目的规模越大，设计要求的功能越强，参与的专业越多，发生碰撞的几率也就越高.因此，越是大型的项目，越应当应用BIM技术建立起BIM模型，然后对各个专业（建筑、结构、给排水、机电、消防、电梯等）的设计进行空间协调，检查各个专业构件之间（管道与建筑结构中的梁、柱之间、各专业的管道之间）的碰撞问题.如发现碰撞则马上调整，这就能较好地避免施工中管道发生碰撞以及对碰撞处拆除重新安装的问题.上海市的虹桥枢纽工程，由于没有应用BIM技术，仅管线碰撞一项所造成的损失就高达5000多万元.［9］

在BIM模型上进行碰撞检测的基础上，还可以进一步为满足设计的净高要求，预留足够的检修空间、考虑实际管件采购与制作以及考虑支吊架的制作及安装对管线的具体位置要求，借助BIM模型进行合理布局，以减少错误和返工的可能性，并且可以优化管线排布，方便施工.同时可以使用碰撞优化后的3D管线方案对工人进行施工交底，提高施工质量.

由于BIM模型是一个真实建筑物在计算机中的虚拟模型，管道、设备、部件均包含完整的数据信息.对于管线安装后是否达到设计标准及满足空间尺寸要求，可通过3D管线综合后得到BIM模型，让业主能较好地解决所关心的问题.

3 应用BIM技术进行碰撞检测

本文结合工程实践介绍在地铁工程中应用BIM技术进行碰撞检测的情况.

3.1 工程概况

广州地铁9号线岐山车辆段II标工程，位于广州市轨道交通9号线的线路起点站飞鹅岭车站的西北方向，地块长约850m，宽约266m，各结构工程建筑面积7.29万m2，工程内容包括土建、机电设备安装、轨道和电务工程四大领域，涵盖站场道路、房屋、轨道、供电、通信、信号、工艺设备、给排水、通风空调、动力照明、防灾报警、环境与设备监控、门禁、安防等23个专业.参与施工的工种多、专业多，再加上工期紧、施工场地狭窄，如何在有限的工期内协调好各个专业的施工，减少彼此的干扰以及由此造成的窝工、返工，成了保证工期的关键.

本工程的BIM建模是采用Revit软件进行的，而碰撞检测则采用Navisworks软件.

在施工前，项目BIM团队参与了图纸审查工作，再通过建模进行碰撞检测发现问题，将问题整理出来后的结果反馈给设计方.经过多轮的建模、检测、反馈和调整，施工图设计满足了施工要求.

3.2 建筑构件与管线碰撞的检测

3.2.1 碰撞实例一

在站场一座建筑的原设计中空调新风管竟然在结构梁中间穿了过去，风管与结构梁发生了硬碰撞（图2）.

图2 原设计中空调新风管与结构梁出现了相交碰撞的情况

针对以上碰撞问题，通过修改设计将空调新风管的位置调整到结构梁底下避开了碰撞，修改设计优化后如图3.

图3 将空调新风管的标高降到结构梁底下避开了碰撞问题

3.2.2 碰撞实例二

在车间的原设计中，电缆桥架与雨水管、结构柱发生了碰撞问题，桥架钻到结构柱和雨水管里面去了（图4）.

图4 原设计中电缆桥架与雨水管、结构柱出现了相交碰撞的情况

针对这个问题马上修改设计进行优化，将电缆桥架平移适当距离后就避开了雨水管和结构柱，设计优化后如图5.

图5 修改设计使电缆桥架避开了与雨水管、结构柱的碰撞

3.3 优化屋面构件的间隙碰撞问题

仓库屋面板设计为双层现浇钢筋混凝土面板（图6）.通过BIM模型模拟发现，由于两层面板之间的间距只有300mm，比较狭窄，小于拆除上层面板底部模板工序所需要的高度，这意味着发生了间隙碰撞.后来经过商议，在上层板的板底增加一层1mm厚的压型钢板作为现浇上层板的底模.按此施工后，这一措施的效果不错，免除了拆除模板的工序，较好地解决了间隙碰撞的问题.

图6 仓库两层屋面板之间的间隙碰撞

3.4 用碰撞检测进行限界检查

轨道列车在行进的过程中，有可能与检修平台、接触网发生碰撞.本来这是一个动态碰撞检测问题，但经研究发现，如果将列车沿轨道运动时其外壳的运动轨迹看作是一个不可产生碰撞的边界面，这样就把一个动态碰撞检测问题转化为一个较易解决的静态碰撞问题.这样，我们在BIM模型中分别对轨道列车和检修平台以及轨道列车和接触网进行了碰撞检查，以确定接触网以及检修平台的平面、高程是否会在轨道列车运行时存在侵界问题（图7）.

图7 固定式架车机设备与轨道列车进行限界检查

通过碰撞检测，检查出检修平台侵界（图8），这样列车将会无法通过.这些检测结果被提交给图纸会审使用，为深化设计提供重要依据.避免了可能出现的返工及返工造成的浪费，确保了轨道列车冷滑、热滑时能够顺利通过（图9）.

4 软碰撞检测在地铁工程中的应用

图8 在限界检查中检查出检修平台侵界，碰到了运行中的列车

图9 接触网与轨道列车的限界检查

前面介绍过，软碰撞检测是为了控制检测对象实现碰撞，确保它们在空间中存在交集.现介绍这种技术在地铁工程中的应用.

英国伦敦维多利亚地铁站是伦敦最繁忙的地铁站，近年来，每年的客流量几乎达到8000万人次.为了应付与日俱增的客流量，该车站进行了升级改造.升级改造的主要工程包括扩建售票大厅并增建几条用作出入口的隧道，以用于修建连接到站台的自动扶梯和无障碍通道.工程中碰到的最大问题是糟糕的地质条件.扩建区域正处在潮湿而松散的沙砾沉积物堆积带上，地质条件相当差，在这种地质条件中难于进行地下工程，而且可供施工的场地非常狭小.

项目团队决定使用高压喷射灌浆技术来固结这些潮湿、松散的砾石沉积物，使之能够实现隧道施工.为此施工团队安设了2500个喷射灌浆柱，灌浆柱根据现有设施情况向不同的方向设置，灌浆柱在灌浆后的直径一般是1.6m，设计要求相邻两根灌浆柱最少要有150mm的重叠.

为确保相邻两个喷射灌浆柱在圆心连线的方向上最少有150mm的重叠，使灌浆固化过的地层不再有空隙容纳沙砾，为此项目团队应用MicroStation软件建立起包括现有设施位置以及喷射灌浆柱的BIM模型，喷射灌浆柱的钻孔位置和方向都有一个唯一的标识在BIM模型中.然后对该模型执行软碰撞检测，控制相邻两个喷射灌浆柱在圆心连线的方向上保证有150mm的重叠（图10）.在施工中根据实际情况在BIM模型中随时调整喷射灌浆柱方位，保证灌浆工作按照设计的要求完成.［10］

在BIM技术的支持下，伦敦维多利亚地铁站顺利完成了升级改造.

图10 伦敦的维多利亚地铁站扩建工程地下条件相当复杂，需要安装喷射灌浆柱进行灌浆以加固松软地层

5 结语

在地铁工程中应用BIM技术具有针对性强、效果显著等特点.对于这种投资大、周期长、场地狭窄、技术复杂、参与施工的人员和专业多的项目，一定要用科学的方法去组织工程的施工，而BIM技术为科学的施工提供了有力的支持.

碰撞检测在地铁工程中有广泛的应用，本文介绍了硬碰撞检测、软碰撞检测和间隙碰撞检测等在地铁工程中的多种应用.除了碰撞检测之外，地铁工程还可以应用BIM模型对工程进行可视化分析、进度分析、施工模拟分析等多个方面的应用，可以大大优化施工方案，缩短工期，降低工程成本，效果十分显著.

BIM技术在地铁施工领域的应用还处在不断开发阶段，BIM技术为施工企业开拓了新的项目管理思路.我们期待着更多工程项目应用BIM技术，取得更大的成效.

［1］United States National Building Informa tion Modeling Standard,Version1-Part1:Overview.Principles, Methodologies［S］.

［2］杜振珂，杨德政．三维数字模型技术提升地铁机电安装新水平［N］.工人日报，2015-3-18(6).

［3］刘卡丁，张永成，陈丽娟．基于BIM技术的地铁车站管线综合安装碰撞分析研究［J］．土木工程与管理学报．2015，32(1)：53-58.

［4］M.C.Lin,S.Gottschalk.Collision Detection between Geometric Models:A Survey［C］//In the Proceedings of IMA Conference on Mathematics of Surfaces 1998.1998:37-56.

［5］B.Chazelle.An Optimal Algorithm for Intersection Threedimensional Convex Polyhedra［C］//In Proceedings of 30th annual IEEE symposium on Foundation Computer Science. 1989:586-591.

［6］P.K.Agarwal,M.V.Kreveld.Intersection Queries for Curved Objects［C］//In Proceedings of 7th Annual ACM symposium on Computational Geometry.1991:41-50.

［7］K.E.Hoff III,A.Zaferakis,M.C.Lin,D.Manocha.Fast and simple 2D Geometric Proximity Queries using Graphics Hardware［C］//In Proceedings of ACM Symposium on Interactive 3D Graphics.2001:145-148.

［8］Y.J.Kim,M.C.Lin,D.Manocha.FastPenetrationDepth Estimation Using Rasterization Hardware and Hierarchical Refinement［C］//InSymposiumonComputational Geometry’2003.2003:386-386.

［9］茅洪斌．大趋势二：基于BIM技术的造价管理［DB/ OL］．http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e3b679b0100ouf3. html，2011-02-08.

［10］Victoria station upgrade,London［DB/OL］.http://www.ice. org.uk/topics/BIM/Case-studies/Victoria-station-upgrade, 2014-1-15.

［责任编辑：刘昱］

Study on the Application of BIM Technology-based Collision Detection in Subway Construction Engineering

WANGXianfeng

(Guangdong Construction Vocational Technology Institute,Guangzhou 510450)

BIM technology is a new technology of construction industry developing rapidly in recent years. Collision detection is an important application of BIM technology in construction engineering.This paper discusses the types of collision detection and the application methods of BIM technology for collision detection.Taking Guangzhou Metro Line 9 Qishan depot project and London Victoria Underground Station expansion project as an examples,It describes how the application BIM model collision detection,soft collision testing and reverse collision detection applications.

Building Information Modeling(BIM);Collision detection;Subway construction engineering

TP 39

A

1672-402X（2016）11-0033-07

2016-04-25

广东省科技计划项目（2009A040103002）.

王咸锋(1977-)，男，海南澄迈人，广东建设职业技术学院副教授.研究方向：BIM技术的应用与开发.