BIM技术在地铁车站结构设计中的应用分析

刘波

摘 要：为探究现阶段建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在我国地铁车站结构设计中的应用，运用协同设计与中心文件设计构建地铁车站结构模型。以Revit和Midas Gen 2019设计出结构模型的受力计算模型，通过BIM模型设计对BIM技术应用效益进行分析。研究证明，以BIM技术为基础进行地铁车站结构设计具有科学依据且可行，研究结果可为相关工程提供帮助。

关键词：建筑信息模型（BIM）;地铁车站;受力计算模型;结构设计

中图分类号：TU93 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）25-0090-04

Application Analysis of BIM Technology in Structural Design of Subway Station

LIU Bo

（Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 113122）

Abstract： In order to explore the application of BIM technology in the structural design of subway stations in China at the present stage， the structural model of subway stations is constructed by using collaborative design and central document design， the stress calculation model of the structural model is designed by Revit and Midas Gen 2019， and the application benefits of BIM technology are analyzed through BIM model design. The research shows that the structural design of subway station based on BIM technology is scientific and feasible， and the research results can provide help for relevant projects.

Keywords： Building Information Modeling（BIM）;subway station;the stress calculation model;structural design

本文将以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）平台为基础，对某地铁车站工程进行BIM模型协同设计。协同设计与仿真模拟方式大致相同，均需要利用软件对工程设计参数进行可行性模拟，然后利用计算软件和BIM技术实现对地铁站台结构模型的全方位协同设计。从构建结构模型的过程中可以看出，BIM技术能够将整个设计方向与力学结构在虚拟模型中进行展示。技术人员通过BIM技术可以有效缩短常规地铁车站结构设计的时长，提升分组设计的工作效率，避免手动设计易出现的漏洞。

1 BIM技術优势

BIM技术因具有模拟性、优化性以及出图性等基本特点，被广泛应用于各类建筑设计领域，承担建筑结构设计、结构可行性模拟、结构受力计算以及设计信息综合等任务。

1.1 BIM技术的模拟性

将BIM技术应用到建筑结构设计中，可进行日照模拟、节能模拟以及紧急疏散模拟等设计，达到减少污染、节约资源以及确保工程建设安全的目的。BIM技术可进行4D施工模拟，以判断施工方案、工程建设以及施工进度等是否合理。另外，BIM技术还能够以3D模型为基础进行造价控制，方便财务人员快速计算出临时设计变更造成的工程成本，并快速生成变更后的工程预算，从而及时有效地控制工程成本。

1.2 BIM技术的优化性

BIM技术能够优化项目方案，将投资回报与项目设计结合，实时计算出当建筑设计或某些不可抗拒因素影响施工计划设计后对投资回报带来的影响，从而通过对比不同方案为招标者提供最优方案。此外，利用BIM技术可以对特大建筑项目的设计与施工进行优化，显著缩短工期和实现造价改进。

1.3 BIM技术的出图性

BIM技术可设计出三维可视化的虚拟建筑模型，经软件协调、模拟和优化后，能够帮助设计方生成施工图、综合管线图、结构留洞图、碰撞检查、侦错报告以及改进方案等，同时可利用计算插件实现结构图的参数标注、结构划分以及图层分解等功能。BIM技术在建筑领域的应用是解决传统设计与大型地下结构的重要方法，也是结构设计的必然选择。

2 以BIM技术为基础的地铁车站结构设计

应用BIM技术对建筑结构进行设计的核心价值在于，BIM技术能够在整个建筑结构设计中实现设计信息的全面共享，保证建筑结构设计、建造以及管理等方面的规范性[1]。Midas Gen 2019（下文简称Midas）与Revit是BIM技术构建的核心建模与计算软件，在分析BIM技术在地铁车站结构设计的应用中，需要结合该软件的计算数据佐证BIM技术应用分析的科学性。以链接模式协同设计与中心文件实时设计模式构建地铁车站结构设计模型[2-3]，运用Midas与Revit对模型受力结构进行验证。

2.1 链接模式协同设计

以某地铁车站结构设计参数为例，在BIM软件中进行地铁车站结构模型的链接式协同设计，将结构参数输入BIM软件中，可得地铁车站的三维结构样板模型，如图1所示。

将上述地铁车站样板模型交由相关人员制作同比例缩小的实体模型、平面剖切模型和侧面剖切模型。该模型的结构设计主要分为3大类，分别为建筑结构主体的承重结构设计，建筑墙体、地板和采光等设计，照明、通风、消防以及美化装饰等设计。在链接模式的协同设计中，需要将上述3类设计方向分别分配给不同的专业人员，每个设计均需要单独出设计图纸，并以BIM软件为协同中心链入各自的设计图纸，实现地铁车站结构的阶段性设计。在链接模式协同设计中可以将管线单独设计为一个模型，将实体模型中无法制作的隐藏结构以虚拟三维模型的方式展现，以便其他专业设计人员进行参考设计。搭建完成的地铁车站实体模型与剖切模型分别如图2和图3所示。

2.2 中心文件协同设计模式

2.2.1 中心文件协同设计。中心文件协同设计需要将互联网作为整个设计的媒介统一结构设计参数，以规范多专业设计团队的设计标准。在该设计模式下，设计团队可打破地域和时间的限制，随时在BIM软件中获取最新的结构设计模型。同理，设计小组可以将设计随手保存在BIM软件中，避免图纸式设计的麻烦[4]。在整个设计过程中，中心文件协同设计模式可将整个设计工作进行拆分，由团队组长对分解设计任务进行分工。团队小组成员接收并明确所承担的任务后，即可视为整个设计工作的开始。每个设计小组可以将设计完成的结构模型上传至中心文件，不断丰富地铁车站的结构模型。当所有设计完成后，由团队统一对其进行优化，从而解决一些设计冲突或者设计不合理等问题[5]。

2.2.2 地铁车站结构建模。以上述设计流程为基础，利用BIM软件对地铁车站结构进行建模。先由小组分工设计的方式构建地铁车站站台模型的本地文件，再由结构师启动本地文件将中心模型上传至本地文件。此时，团队中所有设计人员均可以在BIM软件中找到该文件并保存使用。地铁车站站台的设计结构如图4所示。

结构师需要以建筑师构建的模型为基础进行结构模型的构建。以建筑站台模型为例，结构模型站台的建模设计主要分为两个方面。一方面，需要结构师将建筑站台的底板、中板和外墙等设计转移到本地文件，按结构尺寸设计或优化部分结构模型。另一方面，需要结构师对建筑师设计建筑模型中不存在的结构如梁、柱和矮墙等部分进行完善。该部分结构设计完成后，由结构师保存到本地文件并上传至BIM软件内的中心文件。地铁车站结构模型如图5所示。

完成该部分的结构设计后，由建筑师同步BIM软件上的中心文件，在地铁车站站台模型的基础上对站厅层进行设计，并时刻更新由结构师在BIM软件上发送的设计构件更新申请。当建筑师完成站厅层的建筑设计后，需将设计保存在本地文件并上传至BIM软件的中心文件。此时，结构师可以通过更新中心文件的方式获取站厅层设计模型，利用BIM软件对两层结构设计进行优化，得到一个完整的地铁车站建筑模型，如图6所示。在图6模型的外侧加装围护机构，可得到此时地铁车站的三维BIM模型，如图7所示。

3 利用BIM技术对地铁车站结构模型进行计算

为简化地铁车站结构设计的模型受力结构，降低模型量计算难度，本文将以图6模型中一处结构的纵切段为基础，运用BIM技术生成该建筑的二维结构模型和三维结构模型，利用Midas和Revit对模型进行结构与受力的检验分析[6]。

3.1 二维结构计算模型

在分析二维横断面模型时，需要将承重柱的受力情况进行等效转化，将其视为承重墙或二维结构中的中墙进行结构计算。运用Revit软件对承重柱和承重梁进行运算时，需要将柱、梁简化成柱单元进行结构计算[7]，承重墙和地板等主体结构简化为板单元进行计算。根据该二维截断模型的计算单元类型，可在BIM软件中使用柱构建维护结构、柱和主体墙，用梁构建模型的顶板、中板和底板。以图6地铁车站中间横断面为标准，向纵向延伸1 m作为结构分析的框架模型。在二维结构计算模型中，如何计算中柱问题是整个计算中的难点。若直接选取中柱刚度等效转化数据进行设计，会发现设计的中柱完全不符合实际情况。为此，需要利用Revit软件在二维结构模型中柱的同一位置构建两种不同大小的结构柱。其中：柱子A的尺寸应当与原结构柱的实际尺寸相等，并以原数据进行相应的纵断面受力计算;柱子B的尺寸应当为刚度等效转化后中墙延伸米数的尺寸，并选取横断面数据进行计算[8]。针对只计算横断面参数的柱子而言，同样需要采取在结构柱中添加中柱的方法获取二维模型的参数信息，然后将中柱的数据模型导入Midas，利用BIM软件在三维结构模型的基础上生成二维结构截断模型，如图8（a）所示。隐藏图8（a）中其他结构后，可得到二维框架计算与分析模型，如图8（b）所示。

3.2 三维结构计算模型

利用链接模式协同设计的地铁车站BIM結构模型不会涉及权限问题，因此可以在三维结构设计中直接将地铁车站BIM模型进行不同程度的拆分，并分给小组成员进行部分结构的计算。为方便计算，本文将直接截取车站的盾构扩大段作为三维结构计算模型。简化后的三维模型可以在BIM软件中直接生成计算模型的结构模型，如图9所示。利用BIM技术将该部分结构分析的3D视图样板复制到3D视图中，可得到扩大的三维计算BIM结构模型，如图10所示。

由于三维模型计算方法过于复杂，因此需要在BIM软件中添加几何模型、材质标定、边界条件规划、荷载工况计算以及荷载值计算等插件，以精准计算出车站结构设计的各项指标数据。因为Revit软件的综合能力较弱且集成化能力较低，所以三维模型结构计算中只将辅助几何模型、材质标定、荷载工况以及荷载组合等数据参数输入Revit软件进行计算，将边界条件与荷载计算输入到Midas中进行计算[9]。BIM技术在地铁车站结构设计中的应用可以有效缩短设计人员设计车站结构所需的时间，简化结构模型的构建与计算流程。例如，在上述三维模型的设计计算与数值标定工作中，只需将盾构扩大段的BIM计算模型上传至Midas中即可实现自动计算和数值标定等，同时Midas会增加数据模型设定结构设计单元，方便各项数据的定义与自主调整。经BIM技术计算的三维地铁车站结构模型。

4 结语

BIM技术因具有高度兼容性和出色的计算能力被广泛应用于建筑设计领域。在利用协同设计方法设计地铁车站结构模型的过程中，几乎所有操作都需要围绕BIM软件来开展，即以BIM软件为主要平台进行地铁车站结构设计的信息交流。BIM技术还可以及时发现设计过程中存在的漏洞与缺陷。BIM软件中拥有设计报错的功能，如果输入参数或设计结构出现较大的问题就会显示信息错误，从而提醒设计人员该部分设计存在问题，有效避免现阶段建筑结构设计出现一步错步步错的严重问题。

参考文献：

[1]严小卫，于晓辉，赵智成，等.BIM技术在地铁车站下穿既有地道桥施工中的应用研究[J].工程管理学报，2020（2）：94-98.

[2]吴福居，林金华.BIM技术在地铁车站施工信息化中应用研究[J].公路，2019（1）：193-196.

[3]尹硕，徐传超，陆晶晶.BIM技术在桶式基础结构配筋设计中的应用[J].中国港湾建设，2019（1）：108-114.

[4]魏大生.建筑结构设计中BIM技术的应用[J].工业建筑，2020（9）：222.

[5]谢明霞，张力，马瑞.3DGIS+BIM技术在城市地铁管理信息系统中的应用[J].地理空间信息，2019（9）：86-89.

[6]谢志梅.BIM技术在电力工程造价管理中的运用模式及难点分析[J].现代科学仪器，2019（6）：170-172.

[7]苗永抗.BIM技术在铁路预应力混凝土简支梁设计中的应用研究[J].铁道标准设计，2019（3）：71-75.

[8]吴卫民，彭立敏，雷明锋.基于BIM的地铁车站实时施工模拟与应用研究[J].铁道科学与工程学报，2019（5）：1245-1252.

[9]喻敏，兰志光.基于BIM与Pathfinder的地铁车站客流疏散相关研究[J].隧道建设，2020（1）：187-194.

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