BIM技术在地铁车站结构设计中的应用

李双双

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 城市轨道与地下工程设计研究院，湖北 武汉 430063）

0 引言

BIM技术是以数据信息为核心，对工程项目分析模拟、三维可视化、二维出图、施工模拟、运维管理的过程，其作为建筑信息化的重要技术逐步推广应用于各类工程技术［1］。

随着车站结构模型日益复杂，在传统设计流程中，设计师必须根据建筑二维平面图想象空间三维结构构件形式，并重新建立车站结构计算模型；当遇到重大方案变更时，结构计算模型需要随之进行大量修改，甚至重新建模，导致结构工程师缺少对结构受力分析计算的专注［2］。

Revit软件是目前我国城市地铁工程中使用最广泛的BIM软件之一［3］，与传统的设计方式对比，利用Revit软件可实现模型平面、立面、剖面不同视图之间的信息联动，各专业均可基于同一个几何物理模型进行设计，即使遇到方案变更，也可大大减少不同专业设计师修改模型的工作量，可有效提高设计师的工作效率。

在城市地铁工程中，地铁车站设计涉及建筑、结构、给排水、系统等众多工程设计专业，各专业间联系紧密，专业间相互协同配合非常重要。目前BIM技术在结构设计专业应用较少，市场上能与BIM工作平台无缝对接进行数据交换的软件少之又少［4-9］，目前没有成熟的软件适用于城市地铁工程车站结构设计、可以实现Revit软件与计算软件良好对接且结构计算结果准确可靠。

因此，如何完美对接Revit模型与结构分析计算模型、打通BIM协同设计的一体化流程、提高结构专业在BIM设计中的参与度，成为目前研究的重难点。以武汉地铁12号线园林路站为例，测试北京盈建科软件有限责任公司（简称盈建科）开发的BIM辅助结构设计软件（YJK），通过对比YJK与SAP软件的计算结果，为结构专业BIM设计师的正向设计应用提供参考。

1 工程实例

1.1 车站概况

园林路站为武汉市地铁12号线的一个换乘车站，车站全长176.8 m，标准段外包宽23.5 m，为地下3层站。车站位于武汉市洪山区和平街武丰村，团结大道与园林路交叉路口以北，沿园林路地下南北方向布设，车站南端设换乘通道，可与既有4号线换乘。园林路站平面位置示意见图1。

图1 园林路站平面位置示意图

1.2 结构设计原则

（1）计算理论模型：主体结构计算采用荷载-结构模式，计算模型为底板置于弹性地基上的平面框架，对主体结构按各阶段实际工况进行计算分析。结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态要求，按荷载最不利组合进行结构的抗弯、抗剪、抗压、抗扭强度和裂缝宽度验算。

（2）设计使用年限：地下结构中的主体结构及其相连的重要构件，按可靠度理论设计时，设计使用年限为100年。主要构件包括构成主体框架的各层楼板、侧墙、框架梁、框架柱以及其他在维护或更换时会影响正常运营的结构构件。

（3）结构安全等级：地铁结构中，主要构件的安全等级为一级。结构构件重要性系数取1.1；按荷载效应的偶然组合进行承载力计算时，结构构件重要性系数取1.0。

（4）荷载及分项系数取值按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》和地铁车站的使用要求确定。考虑最不利水位承受全水头水压力，竣工初期水位位于底板下1 m。设备区荷载按8 kPa计算，超过8 kPa按设备实际质量及运输路线计算；公共区人群荷载按4.0 kPa计算。地面活荷载考虑土层扩散效应按均布荷载计算，标准段按20 kPa计算，端头井按30 kPa计算。盾构端头墙的盾构临时组装拆卸带来的地面超载按75 kPa计算。

2 结构受力分析软件

2.1 SAP

微机结构分析通用软件SAP84是常用的结构受力分析软件之一，具有力学模型合理、使用方便、功能强、结果准确等优点。SAP84图形交互系统GIS可以通过交互式图形生成SAP84的数据文件，其工具栏见图2。该软件通过自动迭代计算处理单向受力的杆件和弹簧，可以比较好地解决一般受土壤作用的地下结构，因此常采用SAP进行城市地铁车站的结构受力分析。

但目前SAP尚未开发出与Revit的接口。因此，采用此软件的车站力学分析计算结果作为验证YJK计算结果准确性的依据。

2.2 midas Gen

midas Gen是通用的空间有限元结构分析与设计系统，其工具栏见图3。该软件在复杂结构和空间特构方面有明显优势，可综合处理有层和无层的结构类型；适用于民用建筑、工业建筑等结构的分析与设计。除了一般的静力、动力分析外，还可以进行施工阶段、水化热、静力弹塑性、动力弹塑性、隔震和消能减震分析，为结构设计师设计更合理的结构提供有力的工具。目前midas Gen也是城市地铁车站进行结构受力分析的常用软件之一。

图3 midas Gen工具栏

经过测试，midas Gen与Revit的接口在模型传导过程中数据丢失较严重，因此，采用此软件的车站力学分析计算结果作为验证YJK计算结果准确性的依据。

2.3 YJK

YJK是一套集成化建筑结构辅助设计软件，软件功能主要包括结构建模、上部结构计算、基础设计、施工图设计和接口软件等，其工具栏见图4。软件依据结构专业系列规范编制，在连续完成恒、活、风、地震作用等效应计算的基础上，自动完成荷载效应组合、考虑抗震要求调整、构件设计及验算等，基于受力分析计算的结果，软件还可以自动选配钢筋并进行施工图设计，这些特点都是SAP系列软件不具备的。

图4 YJK工具栏

BIM技术在国内刚开始进行推广时，盈建科便着手开发YJK与Revit数据转换接口。目前已开发出Revit-YJK软件，其工具栏见图5。该软件实现了YJK和Revit数据双向互通，转换程序中内置了与结构计算模型截面一致的Revit参数族，该接口在进行数据转换时可以实现自动匹配族类型，智能处理结构构件间的连接关系。模型经接口转换后，可继续在Revit中对结构构件进行数据修改等操作。

图5 Revit-YJK工具栏

但目前YJK仅广泛适用于框架、框剪、剪力墙、筒体结构等多高层建筑结构形式，在城市地铁车站这种地下结构中应用很少。因此，采用该软件进行地铁车站主体结构的力学分析计算，并将其计算结果与SAP的结果进行对比，验证其对地铁车站结构设计的适用性。

3 结构受力分析计算结果对比

3.1 SAP

SAP84采用平面杆系有限单元法计算，车站主体结构按底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析，取纵向1 m的断面为1个计算单元进行结构计算。用梁单元模拟各层板、侧墙及柱等构件，各构件截面特性及材料按结构实际取值，节点位置取结构中心点。底板、侧墙外的土体采用受压弹簧模拟，弹簧刚度根据地勘资料提供的底板、侧墙所处地层的基床系数确定。

利用SAP84对园林路站的标准段和盾构段分别进行二维受力分析计算。

3.2 midas Gen

利用midas Gen进行有限元计算时，三维模型中的单元类型主要包括梁单元和板单元2种单元类型，其中，梁柱采用二节点三维弹性梁单元，板墙采用四节点三维弹性板单元。材料特性取值按现行规范规定，构件自质量由程序自动加载。

利用midas Gen对园林路站进行三维受力分析计算，其部分计算结果见图6。

图6 midas Gen计算结果

3.3 YJK

BIM技术在结构设计中的数据转换问题，主要是不同软件之间数据交换时出现的数据错误、丢失以及结构三维物理模型向分析模型简化的问题［3］；利用盈建科开发的Revit-YJK交换接口，可以较好地保证物理模型和分析模型同时转换，从而确保结构分析的精确度。

利用Revit-YJK，实现Revit与YJK的互导，YJK计算模型与Revit结构模型见图7，对园林路站进行三维受力分析计算，其部分计算结果见图8。

图7 YJK计算模型与Revit结构模型

图8 YJK计算结果（标准段断面弯矩图）

3.4 软件计算结果对比分析

通过Revit-YJK对园林路站进行实际工程建模，测试Revit与YJK互导，与二维SAP计算结果比较，并通过midas Gen三维模型计算进行验证，标准段弯矩计算结果见表1、盾构段弯矩计算结果见表2。经比较分析，YJK三维计算内力分布合理，但是部分数值稍偏小，考虑二维平面应变计算结果普遍较实际内力偏大，可认为三维计算内力总体较合理。

表1 标准段弯矩计算结果对比

表2 盾构段弯矩计算结果对比

4 结构施工图设计

YJK计算完成后可以自动生成结构构件的三维钢筋，便于查看构件的三维钢筋排布以及钢筋工程量统计。但目前YJK施工图模块默认的钢筋排布样式以及平法钢筋图的表达样式偏向于民用建筑，与地铁车站结构施工图表达样式有些差异，施工图表达对比见图9。因此，若想在地铁车站结构设计中推广YJK的应用，须对YJK多模块进行二次开发，使其适用于地铁车站结构设计需求。

图9 施工图表达对比

5 结论

（1）通过测试Revit-YJK接口软件的BIM模型转换功能可知，该接口可以实现地铁车站Revit结构模型和YJK计算模型间较好地转换，但该接口目前不支持荷载的传递，且混凝土构件的材料属性匹配存在问题，因此完成模型互导后，需要对模型修改才能进行下一阶段的应用。

（2）分别通过SAP、midas Gen、YJK进行内力计算，对比计算结果，YJK地铁车站三维模型计算结果数值略微偏小，考虑到二维平面应变计算结果普遍较实际内力偏大，可认为YJK三维计算内力总体较合理。

（3）YJK完成结构计算后，可以利用软件自带的结构施工图设计模块进行结构施工图的辅助设计，自动进行构件配筋及施工图设计。但该软件是按地上多高层结构的图集及相关规范进行钢筋排布、施工图自动绘制，与地铁结构施工图表达样式存在差异。

（4）若要在地铁车站结构设计中推广YJK的应用，须对YJK多模块进行二次开发，使其适用于地铁车站结构设计需求。