建筑信息模型技术在轨道交通系统中的应用研究

姜 超

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京210034）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）一词自在工程建设行业兴起以来，逐渐成为支撑建筑设计、施工和运营等各方面的核心技术。BIM技术不仅是一项技术，同时也在各方面引导业务流程上的变革。BIM以智能构件为基础来表达一个建筑，一是可以集成构件本身的详细信息，二是能描述建筑信息模型中各构件之间的相互关系［1］。BIM技术不仅是将传统的二维建筑图纸转换为三维模型及可视化展现，同时也潜移默化地改造着工程施工的各参与方的参与方式和关键过程。BIM通过参数化建模及属性附加，以更智慧、更高效的方式来影响工程全生命周期过程。

目前，随着在民用建筑领域内BIM技术应用的相对成熟，BIM技术逐渐被引入其他更广泛的工程项目领域。其中，城市轨道交通项目由于其规模大、周期长、复杂性高的特点，成为BIM应用的重要领域。目前，BIM技术在轨道交通领域的应用主要集中在管线综合碰撞检测和场站环境的可视化设计中。结合目前国内轨道交通发展趋势和BIM技术的应用前景，可以预见BIM技术将逐渐取代传统工程施工流程，实现对整个工程全生命周期的可视化数据和资源管理，优化轨道交通工程规划、设计、施工及运营阶段的资源共享。

1 轨道交通BIM发展现状

在国外，特别是欧美的发达国家，BIM技术正逐渐成为城市轨道交通工程建设的基础技术，应用于模拟分析、3D设计、施工管理和物资信息管理等各方面。轨道交通各相关专业通过BIM技术进行协同设计，减少各专业之间的物理穿插和参与方之间的信息传播不及时造成的影响。BIM技术广泛应用在工程规划、设计、施工与运维阶段中，对工程项目进行全生命周期统一管理。

在国内，BIM技术在轨道交通行业的应用正在快速发展。近年来，国内一大批城市地铁项目中均一定程度地应用了BIM技术。但是，目前大部分BIM应用主要集中于模型的可视化视觉效果展示，管线综合设计等点式应用，远未达到BIM全生命周期统一管理的水平。

目前，BIM技术在我国轨道交通行业中的应用水平仍较为浅显。受限于我国BIM发展的大环境，即使是在已经实施BIM战略的北京、上海和广州等城市轨道交通行业，系统化思维不足的缺陷仍然突显［2］。因此，针对BIM技术在轨道交通行业的应用和发展还有待于进一步深入。

2 BIM技术应用优势

BIM技术和相关流程在核心的工程设计与施工中起到重要作用，它在应对大型、复杂、长周期的项目，同时在提高可持续性、降低成本和可持续性利用方面也起到很大的作用。

2.1 概念阶段应用BIM技术的效益

2.1.1 概念、可行性和设计的好处

对于工程施工，在业主正式启动项目之前，必须事先考虑好工程的尺寸大小、质量水平、理想的成本预算和工程进度。一个给定的工程方案是否满足业主的各项需求，基于构件数据库建造的工程模型，对于业主来说有很大的价值和帮助。

2.1.2 工程性能和质量的好处

创建一个模型取决于模型的详细程度，一个详细的工程模型可以用来评估该方案是否符合工程的功能和可持续发展的要求［3］。利用分析和模拟工具评估设计能够有效提高工程的性能和整体质量。

2.1.3 集成交付提高项目合作的好处

当业主在项目中使用一体化综合交付模式时，在设计阶段的就可以利用BIM技术增加他们对项目需求的理解，并为设计开发提供成本估计。通过集成交付的方式可以避免使用文件交流的延迟。

2.2 设计阶段应用BIM技术的效益

2.2.1 精确的可视化设计

采用BIM技术使用3D模型进行可视化表达，BIM模型本身是由BIM软件采用参数化建模方式创建的，各构件之间的相互关系可通过三维模型进行直观展现。同时，BIM模型中的参数化属性信息，也将为BIM技术在全生命周期中的应用提供精确的数据支撑。

2.2.2 设计变更自动修正

BIM技术采用参数化建模，工程构件能够通过参数化的规则被控制，各项构件属性可通过修改参数由BIM建模软件自动修正与其相关的其他参数，这将会大大减少使用者对于设计变更的管理。

2.2.3 一致性的二维图纸

传统的三维模型是先有各角度的二维图纸，然后依照各角度的尺寸利用建模软件建立模型结构。一旦二维图纸中的某一尺寸发生变化，会导致多处相关视角的图纸变更，三维模型并不能及时的更新。而利用BIM技术是直接建立3D模型结构，然后通过不同的视角投影生成二维图纸。借助于参数化建模方式，三维模型中某一处尺寸的修改，均可直接导致相关参数的变化。当需要修改设计时，只要修改好模型就可以同步且迅速地生成一致的图纸。

2.2.4 各专业间的协作

BIM技术利用模型的统一管理，可以促进了各专业间的协同工作，及时发现和解决各专业之间的冲突，减少后续的不必要的返工。同时，利用BIM技术各专业可以同步开展工作，而不必在等待其他专业完工后再开始工作，大大缩短了整体工程周期。

2.2.5 设计方案验证

利用BIM技术提供的三维可视化展示，验证各专业之间的设计方案是否存在冲突，并对三维空间的面积、材料等相关信息进行统计，使得成本预算更准确。

2.2.6 成本估算

BIM技术采用参数化建模，可以自动计算生成建筑空间尺寸、体积以及构件所选的物料清单，以此作为成本估算的依据可以大大减小估算的误差。随着设计的推进和详细的数据逐步产生，可以对工程进行更精确的成本估管。

2.3 施工阶段应用BIM技术的效益

2.3.1 利用BIM模型装配组件

由于工程构件已被定义成三维形式，利用数控机械来实现自动化的制造就会很方便。利用设计模型装配组件，这使得更多的供应商在创建模型、研发节点时需要和设计师保持联系以反映设计意图。这种方法属于预制化制造，同时可以降低成本、减少建造时间。

2.3.2 更快的设计变更

采用参数化建模的BIM模型，不同于以往三维模型以点线面结构进行网格组织，BIM模型中各构件均采用数据驱动进行网格组织。当BIM模型中的某一参数发生变化后，与之相关的三维模型即会自动按照参数进行实时更新。更新可以依据参数化的规则直接完成，借助辅助的交互系统也能够检查视图中的碰撞，修改的后果可以准确地反映在模型和所有的视图中。

2.3.3 设计错误检查

工程模型是多专业的集合，利用BIM技术它们之间就可以相互参照，各专业间的交互既能发现到内部的（硬碰撞和间隙碰撞），也能查看到表面的其他各种错误。在专业领域发现问题前这些冲突和可实施性问题就能够得到检测。

2.3.4 协同设计和施工组织设计

利用四维CAD技术进行施工组织设计，需要将施工进度计划和三维构件关联起来，这样可以在任意一个施工节点上模拟施工过程、查看到工程和场地中的情况。

2.3.5 高水平施工技术的应用

高水平的施工技术需要总承包方与所有分包商间的密切协调。因为BIM能够提供一个准确的工程设计模型，针对施工的任何一个流程都可以提供一份所需的材料需求计划表。这样它为改善分包商的进度安排提供了依据，并保证正确的时间上安排好合适的人员、设备、材料，从而强化了沟通协调降低了施工成本。

2.4 运维阶段应用BIM技术的效益

2.4.1 信息移交方式的改进

在施工阶段收集安装材料的信息和工程内系统的维修信息，这些信息可被链接到工程BIM模型［4］。因此，可将BIM模型移交给业主，供它们通过设施管理系统管理工程施工。

2.4.2 设施运营和管理

工程模型提供了工程中所有系统的信息来源，先前用来决定机械设备，控制系统和其他采购产品的分析可提供给业主。一旦工程投入使用，它可被作为验证设计决策的一种方法。这种分析可被用来检查工程投入使用后所有系统工作的正确性。

2.4.3 设施运营和管理系统的整合

BIM模型提供了工程构件准确的属性信息，这些信息将作为工程设计、施工、管理和运营的重要依据，并打通工程项目全生命周期管理的数据流。通过将BIM属性信息与工程运营和管理平台进行整合，保证了工程数据的可追溯性和可扩展性，可基于属性数据扩展各项延伸功能。其中的许多能力还没有发展起来，但是BIM技术提供了一个发展的理想平台。

3 BIM带来的挑战

在设计和施工中每一阶段用于BIM技术将使与传统实践相关的问题的数量和严重性减少和减轻。BIM的合理使用将使项目参与者之间的关系发生重大的改变和挑战。

3.1 团队协作的挑战

BIM技术为各专业之间的协作提供了新可能，同时也带来了新问题。如果工程师使用传统的图纸，那么承包商搭建模型将有必要，它将被用来计划施工、预算和协调。如果工程师通过使用BIM来设计，模型对于施工来说可能不够详细或定义的物体的施工数量还不够充分。这可能需要为施工使用创造一种新的模型，要是提供了工程模型，成本和时间可能会被加入项目中。如果BIM团队成员使用不同的BIM建模工具，则必须将模型从一个环境迁移到另一环境，这可能会导致复杂性的增加并引入新的潜在错误。一旦涉及谁来设计、制作、分析和搭建施工数据库，谁来支付它们，以及谁对它们的准确性负责时，各参与方的关系就遭受挑战。

3.2 实行更改和信息使用

BIM鼓励早期设计过程的工程语言的整合，若有能力调整所有阶段的设计和施工整合，公司将得到最大的利益。在应用BIM技术时面临的最大改变是在设计阶段使用共享的工程模型和在施工及制造时使用共同的工程模型，以此作为所有工作进程和合作的基础。这一转变需要时间和培训，这些是所有技术和工作流程发生重大改变所要面临的事实。

3.3 应用问题

应用BIM技术用工程模型系统替代二维或三维环境，远远不是软件、培训和硬件更新所能完成的。有效地使用BIM几乎需要更改商业模式的每一方面，需要相关人员懂BIM技术和实施过程，及需要在转变之前的BIM应用计划。

4 结语

BIM涵盖层面较广，既是多专业设计、分析、施工和设施的管理技术，又是过程变革的先导。本文剖析了BIM背后的技术和过程，BIM实施相关的业务和组织问题，以及有效利用BIM技术为项目组成员带来的好处。随着BIM技术的逐渐应用成熟，必将完成轨道交通项目全生命周期统一管理。