BIM技术在地铁设计中的运用

郭 杰

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京100000）

地铁的设计不仅要考虑地铁本身的功能，也需要充分研究地铁线路、地铁站的重要性，满足工艺的要求。但是随着地铁站的逐渐复杂，使用传统CAD方法开展设计已经很难满足表述要求，设计人员在设计工作中分析地铁施工到运行的动态过程也有一定的困难。为此，需要使用BIM技术进行地铁的设计工作，使设计人员可以综合考虑地铁在功能、工艺、施工、成本、安全等各方面的要求，减少地铁建设过程中的问题，提升地铁的建设水平。

1 基于BIM技术的地铁站模型

资产或者设备管理人员使用CAD图纸可以写入格式数据，以收集资产或者设备的有用信息。如果项目在建设过程中突然出现了状况，就需要不依赖图纸和规范进行处理，保证对现场情况处理的灵活性。在BIM技术出现后，对项目的建设水平逐渐提升，不同专业之间的联系更加紧密，因为BIM技术平台保证了行业之间的沟通效率[1]。资产管理人员也可以使用BIM技术进行建筑物不同组件的识别工作，也能在施工的过程中，利用嵌入信息模型识别建筑物的施工历史。

在BIM系统中，BIM软件所建立的详细模型用于定义建筑物中不同属性的组件（如图1地铁工程BIM模型组成），这些组件被分成了几个大类，包括建筑、结构、机械和电气，BIM系统中每个组件或者属性都可以根据其类型产生联系，比如对结构单元，可以分析其材料信息、建设年限以及建设用途，还能计算维护、修复所需要的时间，并对之前存在的缺陷进行分析。资产管理人员需要通过设计将不同类型、属性的组件信息联系，例如可以设计模型的ID编号，安装日期、能源消耗和先前维护的情况，以及修复措施[2]。地铁车站的每个组件都会影响地铁的服务水平和运行效率，因此资产管理人员需要了解组件对地铁站的影响和作用，制定不同组件的权重，分析组件对地铁站服务水平的影响。

图1 地铁工程BIM模型组成

地铁站的地下空间有限，而施工建设过程中，每个施工工序都要有足够的地下空间才能达到工艺要求，否则工程施工将难以进行。为了能真正地利用地下空间，减少工程施工中存在的冲突，施工方可以使用BIM技术开展模拟工作，尤其能模拟工程施工的动态过程，研究专业之间的协作要求，协调不同专业的施工，确定工程施工的最佳顺序，以及优化施工现场机械设备的行走路线和人员活动范围，减少施工过程中专业之间的冲突和矛盾。

2 BIM技术在地铁设计中的运用

2.1 BIM技术用于检测地铁站内环境质量

为加强施工过程中对施工情况的检测工作，需要建立基于BIM的无线网络感知系统，依靠BIM技术模型，在地铁站内设置和安装传感器，建立不同条件下的通信通道。系统主要包括两部分，分别是基于BIM技术的地铁站模型和路由器节点。依靠此模型能显示不同构件在地铁站和特定空间下所处的等级，可以以空间作为约束，将基于BIM技术模型内的无线传感器所收集的数据汇总并储存。

地铁站的舒适监控器包括室内/室外温度、湿度、舒适温度和日期等参数，温度参数会根据湿热舒适监控器室外位置变化，是多数乘客都满意的大气温度。舒适温度会根据室内外平均中性温度Tn，0、大气温度T0，根据公式Tn，0=17.6+0.31T0获得，当信息输出到BIM信息模型中后，参数就会根据当前的日期数据更新，以及更新其他数据[3]。无线传感器部分包括了两种布置点——路由器布置点和接收器布置点，微型控制器中包括了一个可以储存代码的储存空间，能够监控路由器节点的动态，并获得连接到路由器节点的传感器动态。例如在测量温度和湿度时，就可以使用DHT11数码温湿度传感器模块，可以获得的温度测量精度为±2℃，湿度测量精度为±5%，数据可以从路由器节点传输到接收器节点，再从接收器节点传送入计算机。

由于地铁车站的地下开挖深度会超过平台层以下10米，导致地铁站的站台层温度往往高于室外温度，而且，由于地铁站内的乘客较多，乘客的体温是地铁站内热量的来源，列车运行也会携带大量的额外热量。所以应该基于BIM系统和传感器加强对地铁站的监控，及时根据温度、湿度调整地铁站内的环境，保证地铁站的舒适性。

2.2 BIM技术用于地铁站维护排序系统

地铁站有着快节奏的运行特点，利用BIM技术可以在快速的交通网络中完成对不同部分的快速识别，一般快速交通网络包括了几条线路，不同的线路在重要性程度上是各不相同的，运行过程中对地铁站维护的排序重要程度主要取决于几个关键因素。

比如特定线路乘客的数量就会决定线路的主要和次要，以及线路的服务位置也是线路重要性的决定性因素，以上因素也可以用于对地铁站重要性的评价中。基于BIM系统，能够建立地铁站的模型，设计每个地铁站的内部组成部分，每个部分的重要性取决于所提供服务的水平，以及重要性大小。比如地铁站中的结构单元决定了地铁站的稳定性，通风系统决定了地铁站的舒适度，所以这两种构件在地铁站的设计中就是必不可少的，但是建筑物的装饰构件相对而言就不是必须的。在对不同组件进行资金分配时，需要按照BIM系统的物理性和重要性分配。

目前，对地铁站维护的排序开发了专门的等级算法，有专业的软件可以完成计算工作。相关算法也能引入到BIM系统中，帮助地铁站的资产管理人员打通网络的属性，并且确定地铁站中最重要和最不重要的资产。相关属性都是根据用户的需求列出，用户通过确定数值，系统就能自动完成对各个构件重要性的分析工作，并完成对重要性的排序。有些情况下，用户将会获得具有同等重要性的标准，相关标准将会被制定为相同的数值。目前，一般会使用BIM管理系统根据四个层次对地铁站内部资产进行排序，系统会计算地铁线路、地铁站、各类组件的权重，分析组件的重要性。

结合BIM技术的管理方式，在对每个地铁站进行重要性权重分析时，需要综合考虑同一条线路的其他地铁站重要性，最后确定地铁站的权重，所获得的结果成为局部权重[4]。之后利用局部权重也能计算出地铁站在全局中的重要性，以及完成对与地铁站相关的其他部分重要性的分析。无论是局部权重还是全局权重，对地铁站的管理工作都十分重要，而且具有较高的适用性。比如在地铁线路上分配资金时，就需要使用局部权重进行资金分配；如果对整个地铁系统的不同地铁站进行资金分配，就需要根据整体权重分析地铁站的资金。

使用BIM系统，地铁站资产管理人员可以根据几个因素，结合不同地铁站的特点确定地铁站组件的优先指数。通过实际工作中的研究结果，发现地铁站线路重要性主要由三个主导性特性决定：地铁站所属线路的平均寿命、地铁站的服务位置、乘客平均数量[5]。所以，对于地铁站重要性产生影响的属性包括：地铁站每天进出乘客数量、地铁站的建设工期、地铁站上一次全面修复工作的时间、地铁站地面或地下的车型、该车站是否为交换站。还需要使用地铁线路从建造一直到整条地铁线路最终完成的平均工期，分析地铁站的重要性。

所以地铁站的资产管理人员应该对地铁线路和地铁站的属性做好排序工作，然后利用属性排序计算每个属性的重要性权重，使用重要性的权重和属性值完成对每条地铁线路和地铁站优先指数的计算。根据BIM系统，可以将各个属性的数值大小转化为百分比的形式，满足归一化计算的要求，防止优先级指数出现不符合实际的情况，也能避免优先级指数过于倾向于某一个值。

2.3 BIM技术用于地铁施工方

地铁施工过程中，由于现场的空间比较狭小，因此需要强化对现场的管控工作。利用BIM技术管控可以强化对地铁空间的管理和使用，因为施工过程中必须考虑需求、位置和时间等管理因素，而利用BIM技术可以提升空间的信息化水平，并且依托可视化技术提升对空间的认识，尤其是能反映出地铁运行过程中的动态变化状况，给管理人员提供可视化的三维动态模型，解决地铁建造过程中的动态问题。由于具有更为直观的信息，因此BIM技术减少了施工过程中交替进行的繁琐程序，优化人员施工位置、活动路线，让地铁地下空间得到了最大化的利用，不仅能提升工程施工作业效率，也能有效控制施工成本，并且保证工程施工的安全。

地铁施工不能缺少对安全的管控，引入BIM技术开展安全管控可以获得更好的效果，保障地铁施工环境的安全。施工前，应建立地铁施工项目的三维模型，了解施工空间特点，初步分析地铁施工过程中可能面临的安全风险，然后开展安全问题的检查。利用BIM模型信息（见图2），能明确地表现地铁各个位置的空间信息，还能利用模拟分析各个位置的安全风险。传感器等设备能实时反映施工过程中地铁施工现场各个位置的状况，能在出现安全风险时及时做出反应和采取措施，在充分利用信息的同时，也为安全管理创造了良好条件。

图2 站厅层土建BIM模型

地铁的设计工作中，可能会存在空间冲突，因此需要使用BIM技术完成对空间冲突的检查。比如机械施工中会使用机械手臂和座吊，两个机械设备之间可能会在空间中产生冲突，不仅不利于工程施工，还可能导致安全事故[6]。而利用BIM技术建立动态施工模型，可以比较方便地发现工程施工中存在的实际问题和潜在问题，减少施工设备和施工计划之间的冲突，保证工程施工的经济性和解决施工的安全问题，实现了对地铁工程施工的严格管控。

2.4 BIM技术用于地铁施工空间突击检查

由于地铁工程建设的空间相对狭小，易受到很多方面的限制，因此地铁施工建设中可能会出现设备摩擦、空间冲突导致工程施工的生产率严重下降，还会因为工程施工引发安全事故。为了有效利用空间，就需要在工程施工时为不同的施工专业提供必要的空间，保证施工活动的正常进行[7]。例如需要确定机械臂长的旋转半径，合理配置施工人员的活动半径，避免人员和设备由于施工工序不合理导致空间上的冲突，不仅会导致财产损失，还会导致人员伤亡，将会增加地铁工程建设的负面舆论，还会影响工程施工建设的正常进度。

为此，施工过程中应该开展施工现场的动态模拟工作，分析工程施工过程中可能出现的问题，然后利用智能算法获得机械运行的最佳半径、人员活动路线、不同专业的施工范围。以及通过计算各个位置出现安全事故的可能性，合理开展优化工作，避免生命财产损失，最大程度确保工程的施工安全。突击检查之前，应该进行每一个构件和每一道工序占用空间情况的分析，分析各个专业对工程施工的空间要求，以及研究构件的实体体型[8]。有些工程中会存在一些比较特别的实体，对于这类情况就要使用特殊的方式来描述其空间占用，尤其要突出特殊实体所具有的空间特点。例如施工过程中的机械，机械运输行为主要表现为前进和机械臂旋转，施工模拟的过程中就要使用特殊的模型分析机械的活动，分析机械和周围其他实体之间的冲突，研究碰撞出现的可能性。

3 结束语

地铁建设具有极高的复杂性，进行地铁的设计工作需要综合考虑不同地铁站的重要性，研究站点的乘客数量、服务地点，以及分析各个地铁线路的重要性，提升对建设资金的分配合理性。使用BIM技术进行设计的过程中，可以从地铁站的功能出发，并且考虑地铁站建设的合理性、工艺复杂性等问题，分析地铁施工过程中存在的冲突，优化地铁设计，满足地铁的建设要求。