BIM技术在高铁站房的应用

张继东 ，丁震 （安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 前言

近年来，集信息化、高效化、联动化等优势特点于一身的BIM技术，越来越多的用于实际工程项目[1]。BIM技术可应用于建筑的设计、施工、维护乃至整个建筑设计周期，与以往技术相比，具有数据化、可视化、一致性、协调性等优势。在BIM技术的支持下，建筑模型的具体数据在各个专业之间互相传递、实时共享，从而有效提升不同专业之间的信息传递效率。

BIM技术的应用原理是建立建筑物的三维数据模型，模型不仅可以从三维系统中直观的观察建筑，并且包含了建筑物各个分部的主要信息。其中，信息的精确度取决于后期模型的使用方式。目前，我国BIM软件及其相应的软件载体发展尚不成熟，现实中核心建筑物的建模载体主要使用国外的主流软件以满足各种类型的项目建模需要。国外的主流软件有Autodesk Revit、Tekla软件平台等BIM软件产品。

现阶段，建筑的设计阶段大致可分为概念设计、方案设计、初步设计和施工图出图4个阶段，建筑设计的阶段化使得建筑设计周期愈加明晰和合理化，不仅可以提升不同专业类别之间的协作效率，而且可以有效促进设计周期的控制以及管理。

这其中建筑工程师与结构工程师关注重点则不相同，前者更关注建筑的外观和空间布局，而后者更关注建筑的安全性能和建筑材料的使用。在传统设计模式下，建筑结构分析需要传统的结构工程师在专业的结构设计软件中进行，此时建筑部分构件已经被简化为结构构件，并不包含建筑太多物理数据，因而简化了的模型不能在后期深度优化时使用，需要重新建模，浪费了大量时间与人力。

现阶段使用BIM技术的设计与传统设计相比设计流程有了以下的变化。

①数据传输的变化。运用BIM技术时能使不同专业在一个数据库中完成各自的工作内容，并且通过数据库的实时同步达到彼此之间更完美的配合，从而提高设计质量。相对于传统的将二维图与平面设计相结合，BIM模型的分析、模拟和演示给设计师提供了一种更直观、更丰富的感受。

②工作流程的改变。就我国大型设计院的设计情况而言，设计周期往往十分紧凑。在BIM技术的支持下所有参与者能够提前参与，从而使得建筑的设计周期尽可能缩短。工作任务将在每个设计阶段中的得到一定程度的前置，从而使得设计师通过相关的检测和数据分析达到有效降低更改错误的成本。在设计审计方面传统的阶段性审计将被实时审计所取代，同时传统的二维图形审计也将变为基于BIM模型的三维审计。

③提高项目质量。在项目的设计阶段，二维视图、立面图可以有效的提升其精确度是因为二维视图、立面图是依据与BIM模型自动生成的。设计师通过BIM技术能够更快、更有效地处理碰撞、故障等问题，从而提高项目质量。

1 项目介绍

本章以中铁大桥局集团有限公司为背景，以某高铁站房的结构可视化设计为研讨对象，讨论BIM在高铁站房设计中的应用思路和实际应用。

1.1 站房概况

站房总建筑面积为7999㎡，主体站房功能布局分为两层，一层进站层±0.00m（高程 15.800m），站房一侧设有售票厅/办公及设备用房，另一侧设有设备用房，中间设置候车空间；二层平面标高6.300m，两端分别设有办公用房及机电设备用房；架空层标高-5.200，功能布置为出站厅以及商业预留。站房面宽（轴线）：143.6m,进深（轴线）：41m，最高屋面结构标高：18.600m，如图1所示。

图1 站房平面布置图

1.2 站房结构

①站房结构以50年为使用寿命设计、结构安全等级二级，站房中调度、运行、通讯、信息设施房屋及有关部分抗震设防类别按重点设防类，其他部分按标准设防类展开下阶段设计[2]。站房金属屋面基本风、雪压荷载重现期按100年取值。

②站房基础采用灌注桩加承台基础梁相结合的模式。

③站房楼面采用现浇钢筋混凝土框架结构、现浇钢筋混凝土楼盖，屋面采用钢网架结构。

④抗震设防等级：6度，设计基本地震加速度值为 0.05g[4]。

2 BIM模型建立

首先使用Revit2016软件来进行高铁站房的模型建立，根据中国铁路总公司提供的红线以及建筑专业提供的建筑图，确定建筑轴网定位，在轴网确定过程中要注意建筑物结构标高设定。随后依据轴网来依次定位结构柱→主梁→次梁→墙→楼板→门窗、幕墙，来完成建筑主体结构设计，主体结构模型建立的过程中，要预留出楼梯间空间，柱梁板的尺寸可根据相关规范来进行初步设计，后续再通过结构软件验算结构的稳定性。

其次进行楼梯结构设计，依据建筑图设计要求，定义楼梯类型，以此来确定楼梯起步梁、梯梁、梯柱等结构的位置及其尺寸。

最后将设计的建筑模型进行结构优化，通过Revit 2016软件可关闭模型建筑部分，提高建筑优化效率。

图2为经过选择后的结构专业模型。在此过程中，确定好结构的标高，以防出现标高差是最为重要的一个环节。

在建立模型时，另一个需要注意的环节便是相关族的制作。Revit软件中的族类型多种多样，例如可以直接利用的建筑墙、建筑柱、窗户、楼梯和幕墙族等建筑模型。但是这些族早已被提前定义在原型件和项目，用户不可直接增加、删除或修改系统族，在建模过程中，系统族虽然被广泛使用，但对于不同新项目时有时并不能满足设计需求，往往通过创造新的族以及对新的族进行参数化的设计来满足不同工程项目的设计需求。随着时间的推移，自建族库也会愈发的完善。一些大型企业在进行BIM设计时往往会使用企业内部的共享族库。

3 结构分析

本文将Revit 2016与ETABS 2016结构分析软件进行数据链接，以此为依托完成结构的荷载计算。针对Revit模型，美国CSI公司专门开发出专业的CSIxREVIT 2016数据接口，在REVIT 2016中依次点击“附加模块→外部工具→Export to Creat New ETABS or SAPA2000 Mode”即可新生成后缀名为.exr的文件，如图3所示。因为部分物理参数无法在Revit2016中实现，故运用ETABS软件对结构进行深入设计。

图2 结构专业模型

图3 Revit2016结构模型导出

Revit2016主动生成结构分析模型如图4所示，依据模型中的参数大多数构件自动转换入分析软件中，简化模型中部分构件不参加结构整体计算的构建，因此只需要转入部分数据，来对模型进行分析。其中，欲约束楼板在模型中变形则在Revit中假定楼板为刚性楼板，便可以简便得出层间位移角，其配筋后续通过其他方式计算。

打开ETABS 2016，将Revit 2016中建好的模型导入至ETABS中，导入的模型在实际工程中可根据工程的具体需要而进行结构的优化，比如梁的分析线位置[3]。

图4 ETABS分析模型

有限元分析软件ETABS立足于欧美，本身并不包扩我国结构设计规范，因此在使用ETABS等软件进行结构分析时，要先导入我国关于结构设计的规范及算法，比如：高层建筑混凝土规范和钢结构规范等。之后使用ETABS中模型分析功能便可以对结构模型自动进行力学分析。

将建筑模型从Revit导入ETABS后，通常情况下，楼板假定刚性楼板进行计算，方便计算其位移角，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.7.3条规定：对于高度不超过150m的高层建筑的框架，其楼层层间最大位移与层高之比△/h不能大于1/550[6]。

图5 地震荷载作用下层间位移角

此外，在Revit中部分构件在ETABS中无法简化，以相关的荷载及约束条件来代替，以独立的均布或者几种荷载来替代部分无法简化的建筑构件，在设置时因注意相关荷载的约束条件，以模拟该构件对建筑物整体的作用。进行相关设置后，便可使用ETABS自动分析建筑物受力及位移情况，汇总后如图5、6所示。

图6 风荷载作用下层间位移角

通过分析可得出，无论是风荷载还是地震荷载，在X方向和Y方向的最大层间位移均满足我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于层间位移角的规定，即通过BIM进行的结构设计，其稳定性满足规定要求。

4 结论

本文基于某高铁站房，研讨了BIM技术在建筑设计中的流程，并利用CSIxRevit对模型进行双向链接，在相应的结构分析软件中分析建筑模型的结构稳定性，并对结构进行相应的优化。结构分析结果显示，保证结构的稳定性和安全性的条件是设计偏差在允许的范围内，并使用可视化软件达到提升设计效率和设计精度的目的。目前我国正处于大力发展高速铁路的重要阶段，BIM技术在诸多公共建筑中拥有宽泛前景。并且在国产主流设计软件之间信息交流进一步的完善的基础上建立贴合我国国情的BIM设计体系，促使BIM技术在我国迅速得到成长，不断进步，不断完善。