基于BIM的地铁场站综合办公楼虚拟建造与数值模拟研究

李富强

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司）

1 引言

地铁场站综合办公楼设计涉及办公、餐饮、住宿，管线十分复杂，主要包括通风空调、给排水、消防给水、动力照明、FAS、BAS、供电、通信、信号等。通过BIM技术可以直观、全方位的查看各种管线的位置、走向、高度，从而协调专业间的冲突，做出最合理的修改和排布，避免设计环节中往往会忽略的施工安装、运营维护等实际问题[1-2]。

在施工阶段BIM技术可以让设计和施工无缝沟通，帮助施工企业更直观、简单、高效的了解设计意图，而且如果设计阶段本身就采用了BIM技术，那么对于管线施工来说就有了很大的技术保障。所以BIM是一个从设计开始一直贯穿施工运营的全新的工作方式[3-4]。

本文以西安地铁四号线场站综合办公楼项目为研究对象，将BIM理念应用于综合办公楼施工中，通过建立三维建筑模型、机电模型及有限元模型，对综合办公楼专业间碰撞以及虚拟建造进行了系统研究，同时对该综合楼一层餐厅网架结构进行了有限元数值模拟分析。所得结果为BIM技术在地铁场站综合办公楼施工中的应用提供了有益的参考。

2 工程项目简介

西安地铁四号线综合办公楼工程（以下简称为“综合楼”）位于TJSG-TCC标段的东南部，建设基地与周边道路连接顺畅。该综合楼为钢筋混凝土框架结构，4层，其中1至3层为生产办公功能区，配套厨房、餐厅、浴室及车库等功能空间，4层为乘务员公寓。总建筑面积：5659.3m2；建筑总高度：17.4m；结构类型：钢筋混凝土框架结构；耐火等级：地上二级，消防泵间为地下一级；防水等级：屋面防水等级Ⅰ级，地下消防泵间防水等级为地下Ⅰ级；设计使用年限：50a；抗震设防烈度：8度。

由于本综合楼功能涵盖办公、生活和生产，因此在设计建造时存在多个专业之间的协调，在施工过程中核对工程量时容易发生失误。同时该综合楼的建筑和机电安装工程也较为复杂，存在多专业之间的协调和管线碰撞的风险。

基于上述的问题，针对西安地铁四号线停车场综合办公楼工程应用BIM技术进行建筑信息模型的建造，用以指导该项目的施工建设。

3 BIM模型的建立

依据BIM理念，对拟建的综合楼以BIM三维建模涉及工程的全部二维图纸进行实体化、参数化。特别是针对综合楼所独有的一些结构构件、设备装置进行专门的族库研发设计，形成建筑的三维数字化，从而形成结构及非结构构件溯源、实现建筑虚拟建造。

除土建施工以外，机电安装是工程项目建造施工过程中重要的一环，在BIM模型建造过程中对机电BIM模型的搭建是十分重要的。依据综合楼项目的具体情况，该项目的机电模型可以分为通风空调、空调水、给水、排水、强电、弱电及消防等。其餐厅除上述内容外，在暖通和空调方面仍有着特殊的设计要求[5]。

综上所述，根据实际施工图纸搭建出综合楼的精准三维信息建筑模型，使施工单位和建设单位能全方位、直观地理解综合楼项目的设计意图，清楚地看到施工过程中的实时形象和进度情况。其中表1为综合楼BIM模型的深度标准。

4 BIM各类模型在工程中的应用

BIM的意义在于将建筑施工的过程数字化、可视化和溯源化，因此建筑BIM模型在工程施工中的应用分为许多方面[6]。

4.1 工程量提取

利用所建成的综合楼工程的BIM三维模型中丰富的结构构件数据信息，结合工程施工中实际需要，可以通过BIM软件快速灵活的提取各部分构件的工程量信息。便于工程项目部对综合楼的工程量进行实时控制[7]。

4.2 碰撞报告分析

由于综合楼施工涉及建筑、结构和设备（含水、暖、电）三大专业，因此在实际工程施工过程中面临多专业间的协调，做到合理的专业间避让，从而尽量降低工程变更率。利用BIM技术对所建立的真实三维模型进行多专业间的碰撞检测，在实际施工前检测出专业间碰撞的问题，从而将问题前置，避免专业间的冲突是针对该综合楼进行BIM虚拟建造的最大意义。通过对综合楼BIM模型进行碰撞分析，发现存在多处碰撞点，碰撞类型分为专业内的碰撞[8]（见图1）与专业外的碰撞（见图2）。并据此形成了各专业（结构、机电、暖通）间碰撞报告及优化建议（初始各类碰撞共1000余处）。

表1 BIM模型创建深度表

图1 排风管与采暖回水管、采暖供水管碰撞

图2 结构梁与消火栓管碰撞

其两类碰撞的原因经过分析主要由下列因素造成：

①建筑施工图与结构施工图前期未能有效统一，而机电专业设计图纸管线在定位时错误使用建筑施工图，而未与结构施工图相结合；

②水、暖、电等设备施工图在设计时未有效与结构施工图设计匹配，导致部分管线标高过高，与结构梁标高冲突，从而造成专业间的碰撞；

③施工图所涉及的各专业设计人员之间沟通不畅，未能及时有效地协调各专业间的工作，造成专业信息不对等，从而产生专业间（主要是结构专业与暖通专业）的碰撞。

在碰撞发生后，借助BIM模型，还对原有的不合理的机电管线设计方案进行了优化，形成了新的专业设计结果（见图 3）。

4.3 虚拟建造

利用BIM技术的协同性、模拟性的优势特点，借助完成的BIM模型可以对项目的重点或难点部分进行可建性模拟，根据施工进度计划结合细化后的综合楼的BIM模型，拆分进度计划，以确定每一个模型构件所对应的建造时间，最终完成工程构件与时间的无缝匹配，做出详细的构件及进度计划表。施工过程中应用BIM模型及NAVISWORKS软件的功能，将经Revit细化后的模型及进度计划表导入软件，通过将每个进度信息与相应构件进行关联，然后进行设置调整完成准备工作。对于一些重要的施工环节或采用新施工工艺的关键部位、施工现场平面布置等施工指导措施进行模拟和分析，以提高计划的可行性。本项目对综合楼工程项目的施工建造进行了模拟，直观地了解了整个施工安装环节的时间节点和安装工序，同时也使得施工方进一步对原有安装方案进行了优化和改善，提高了施工效率和施工方案的安全性。

4.4 实时漫游

提前获得拟建工程的竣工效果对于工程建设方与施工方以及设计方都是具有现实意义的。因此，在前述实际应用的基础上，借助3D MAX等渲染软件工具，对综合楼工程建成投入使用后的实际情景进行了仿真展示，跨越时间和空间的限制实现用户体验，从而对整个设计效果进行综合验证。

5 MIDAS/CIVIL有限元分析

该综合楼工程除了在功能上构造复杂外，在结构类型上也存在主体框架结构与一层餐厅网架结构两种类型的交叉。为了在施工前对结构的受力有深入的理解与把控，将BIM理念进行延伸，加入结构受力分析。依据MIDAS/CIVIL专业有限元软件，选用Beam单元及与实际一致的约束方式，建立网架三维有限元模型，对网架结构进行受力分析。从有限元分析结果来看，该网架受力合理，上弦杆与下弦杆以及腹杆内力均未超出杆件材料的许用应力，结构受力安全。

6 结语

通过在西安地铁四号线综合办公楼工程中引入BIM理念，借助Revit、NAVISWORKS、3D MAX 和 MIDAS/CIVIL等专业软件，对综合楼进行了建筑信息模型建立、分析以及优化，可以得出如下结论：

①在复杂施工项目中应用BIM技术进行辅助施工，可以借助BIM技术中不同专业间模型的真实组合，通过三维碰撞检查提前在施工图中发现专业间的碰撞问题，从而能够给企业减少损失，提升施工效率；

图3 机电管线综合优化示意

②虚拟建造的实现可以将BIM技术的应用成果延伸到4D施工进度管理、材料管理、虚拟施工指导、成本管理及设备运维管理等，从而提升施工过程中各项管理效率；

③基于BIM模型而实现的项目建成虚拟漫游可以预先掌握项目建成后的效果。从实践检验来看，采用虚拟漫游动画可以有效提升工程建设方与施工方的沟通效率，并可进一步在工程技术交底中予以应用，避免交底不清和理解偏差；

④BIM的理念在于建筑的全生命周期管理，因此，将数值模拟理念合理融入到BIM技术中，对各专业中影响较大的结构专业进行有限元数值模拟，可以在项目虚拟建造的同时把控好结构受力分析，对结构的施工形成理论支撑。