城市軌道交通行業(yè)建設階段建筑信息模型的應用

劉鐵民 曹明華

(廣州市地下鐵道總公司總工程師室，510030，廣州∥第一作者，工程師)

近年來隨著BIM(建筑信息模型)技術在國內建筑業(yè)的日益流行，工程建設各行業(yè)都在嘗試著應用BIM 技術，期待利用 BIM 技術來改造規(guī)劃、設計、施工、運營維護流程，解決一些過去無法解決的問題，從而為本行業(yè)帶來革命性的變化。本文結合城市軌道交通工程建設階段對BIM 技術應用的一些具體問題進行探討。

1 城市軌道交通工程建設階段的特點

城市軌道交通是一個復雜的系統(tǒng)工程，其投資大、系統(tǒng)多、技術密集、建設周期長。項目會涉及多個子系統(tǒng)和專業(yè)［1］。從城市的空間幾何上看，城市軌道交通工程影響范圍類似于一種圓柱狀的結構，在城市空間中延伸，短則幾公里，長則幾十公里。線路的長度按線網(wǎng)規(guī)劃是一定的，但在建設期圓柱狀結構影響的半徑卻隨著時間的流轉，逐漸變化。

城市軌道交通的長條形圓柱狀結構，在空間上與其穿越的既有結構會產(chǎn)生大量的交叉關系。在城市軌道交通的建設期由于施工需要，這種交叉關系，在空間上占據(jù)的范圍更大，直到運營期開始，才逐漸保持穩(wěn)定的空間范圍。

正是由于這種交叉關系的存在，建設階段需要了解大量交叉結構的信息。例如:在城市軌道交通線路規(guī)劃時期需要了解沿線的規(guī)劃信息、既有建構筑物信息、地質信息等;在建設時期需要更精確地了解征地拆遷信息、詳細的地質信息、既有管線信息、交通疏解信息等;在運營期，需要了解沿線的地鐵保護信息等。但是，目前的城市軌道交通建設期對這些信息的了解并不充分。因對工程建設的控制必須依賴信息的傳遞，很多時候不能對工程建設實現(xiàn)有效控制的原因，就是沒有獲得足夠的信息［2］。

2 BIM 技術的特點

BIM 由美國佐治亞理工學院建筑與計算機系教授查克·伊士曼博士(Chuck Eastman，Ph.D.)于1975年提出，其基于數(shù)字化和可視化技術，集成和管理與建設項目有關的信息。這些信息不僅包含建筑、結構、設備等幾何視覺信息，還包括成本、性能等非幾何管理信息［3］。筆者認為，BIM 有以下顯而易見的優(yōu)點:

1)可視化:由于BIM 技術能夠將設計過程及結果從傳統(tǒng)的二維設計提升到三維設計，實現(xiàn)了真正的可視化，因此，可以極大地降低識別信息的門檻。在建設期，不論是方案比選還是針對施工階段操作層面的技術交底，信息受體對設計意圖的理解更為容易了。

2)模擬性:可以真實地模擬建構筑物全生命周期中的各個階段，以及建造和運營維護中的多種行為。過去的二維設計無法實現(xiàn)空間上及物體實體的模擬，因此，導致很多設計方案的“錯、漏、碰、缺”不能被發(fā)現(xiàn)。而BIM 技術的模擬性，是通過對建筑物實體的模擬，避免了這種問題的發(fā)生。BIM 技術將目前很多在施工階段需要解決的協(xié)調性問題，在設計階段就解決了。這樣不僅提升了建筑物的使用價值，同時也極大地降低了后期為處理這些問題所產(chǎn)生的協(xié)調成本。

3)精確性:依據(jù)美國國家BIM 標準(NBIMS)對BIM 的定義——BIM 是一個設施(建設項目)物理和功能特性的數(shù)字表達［4］。筆者認為這也是BIM 技術最重要的特點。建筑模型過去已在三維效果圖、沙盤模型制作等方面得到了廣泛應用，但是過去的三維模型僅僅是個模型，無法用來進行建造。而BIM 作為一種數(shù)字表達，強調的就是精確性。正是這種精確性，為建筑業(yè)的工業(yè)化制造提供了可行的路徑。例如，上海萬科金色里程項目使用BIM 技術進行了三維設計，使得預制混凝土(PC)建造技術與主體結構精確匹配，加快了施工速度［5］。同時，BIM 技術更為建筑物的 3D 打印提供了基礎。

3 BIM 技術在城市軌道交通工程應用中的問題

3.1 信息輸入問題

BIM 技術本身是非常優(yōu)秀的，但是，其基于信息輸入的特點，導致了目前在城市軌道交通工程中使用的有限性。通常影響城市軌道交通建設進度與工程造價的幾個重要影響因素，如前期征地拆遷、地質勘察資料變化、地下管線改遷等，這些重要影響因素信息的獲得都是不完全的，這在二維設計時代就是如此，應用BIM 技術后依然如此。以某地鐵公司2014年工程變更統(tǒng)計(含方案變更及設計變更)為例，由于地質勘察資料變化導致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的27%左右，由于征地拆遷及地下管線改遷無法實現(xiàn)而導致工程變更的數(shù)量占總數(shù)量的43%左右，由于優(yōu)化設計加快進度而導致的工程變更數(shù)量占總數(shù)量的17%左右［6］。因此，在城市軌道交通工程中應用BIM 技術僅可以在已收集的信息基礎上加快設計，避免設計中間產(chǎn)生錯誤而導致進度拖延與變更，并不能解決基礎信息收集不完全的問題。

3.2 承發(fā)包模式問題

目前，我國城市軌道交通工程普遍采用的是傳統(tǒng)的設計—招標—建造(Design—Bid—Build，簡為DBB)模式。但是，在國際上設計施工總承包(Design—Build，簡為 DB)模式及工程總承包(Engineering Procurement Construction，簡為 EPC)模式已成為主流承發(fā)包模式，且業(yè)主招標大多提出了功能性要求。這正好使BIM 技術的優(yōu)處得到充分發(fā)揮。通過模擬與可視化，在最契合業(yè)主功能需求的情況下，可以迅速統(tǒng)計獲得相關方案成本，同時在施工時逐漸深化設計即可。

我國的城市軌道交通工程采用的是DBB 模式，造成了BIM 技術應用的割裂局面。設計單位和施工單位有各自的BIM 模型，其建模標準及軟件不統(tǒng)一，無法真正實現(xiàn)BIM 技術信息集成的作用。施工單位寄希望于利用BIM 技術獲得精確的工程量，期望得到額外利潤。設計單位希望利用BIM 技術提高圖紙質量，避免“錯、漏、碰、缺”。這本來是可以統(tǒng)一的，但是由于承發(fā)包模式的限制而不能統(tǒng)一，因此使得目前國內出現(xiàn)的大量BIM咨詢機構，僅是幫助設計單位或者施工單位進行利用二維設計圖紙建立BIM 三維模型的“翻?！惫ぷ鳌ＤＰ筒唤y(tǒng)一，最終造成模型無法在運營維護階段發(fā)揮作用，造成了損失。

3.3 軟件選擇與行業(yè)支持的二次開發(fā)問題

目前，主流BIM 軟件大部分是應用在民用建筑領域，對城市軌道交通而言，除了在車站設計時有較好的支撐外，缺乏對區(qū)間、軌道、通信及供電系統(tǒng)等線性結構方面的功能支持。例如，要建立軌道結構、接觸網(wǎng)、盾構隧道等模型就必須進行相應的二次開發(fā)，否則，逐一繪制是一件非常困難的工作。

同時，由于軟件本身對行業(yè)應用的支持有限，造成了使用軟件的門檻。要使用軟件必須進行針對城市軌道交通行業(yè)的二次開發(fā)，獲得大量的族庫支持，才能使得軟件應用速度達到目前二維設計的速度。否則，僅車站配筋或車站系統(tǒng)設備建模，就是一件非常龐大、耗時的事情，嚴重影響著BIM 技術普及推廣的積極性。筆者曾調研了國內BIM 設計應用較好的設計院，這些設計院基本上都結合自身工程設計的特點進行了大量的二次開發(fā)，才使利用BIM 技術進行三維設計得以順利應用。而就某地鐵公司的目前試點情況來看，由于無相關的二次開發(fā)及族庫，土建結構設計基本沒有采用BIM 技術進行鋼筋設計;機電相關設計人員，耗用了大量的時間重繪各種管道接頭、配電箱、閥門等，使設計師普遍認為采用BIM 設計比二維設計效率低［7］。

3.4 投資收益問題

目前主流的BIM 軟件僅使用費就多達幾百萬元甚至幾千萬元(按用戶數(shù))，如果算上后期推廣、培訓、升級、維護、二次開發(fā)，則總價算下來是一個驚人的數(shù)字。某地鐵公司準備應用BIM 技術在進行從設計再到施工到運營的一體化管理研究時發(fā)現(xiàn)，一條地鐵線路詢價結果為:購買軟件在1 500～2 000 萬元(含二次開發(fā))，若采用租賃則第一年需投入500～750 萬元(含二次開發(fā))，之后每年租金在100～200 萬元左右。統(tǒng)計分析該條地鐵線路因為“錯、漏、碰、缺”而導致的設計變更或方案更改費用僅在300～400 萬元左右(未計算工期節(jié)省效益)。因此，目前若單純計算收益與花費，BIM 技術的應用代價巨大。

3.5 BIM建模標準問題

目前，國家的BIM 建模標準仍未正式出臺，僅有北京地方的BIM 建模標準出臺。各種BIM 建模標準也呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。這導致了模型信息流轉困難以及相應設計收費等問題。同時，鑒于城市軌道交通行業(yè)的自身特點，應有一部能夠與地鐵設計規(guī)范相結合的建模標準，但一部統(tǒng)一的BIM 建模標準無法解決城市軌道交通工程中諸多的線性結構的建模標準問題。

3.6 利用BIM技術設計的收費問題

現(xiàn)在的BIM 技術相關企業(yè)有軟件商、“翻模”企業(yè)、咨詢企業(yè)等，但并無統(tǒng)一的合同范本及收費標準。城市軌道交通行業(yè)大多屬于政府投資，若無相應的收費標準，不僅不能促使BIM 技術健康發(fā)展，還會由于價格市場的混亂，造成許多模型的粗制濫造，為模型信息的后期流轉及利用造成不利影響。

4 BIM技術在城市軌道交通行業(yè)的應用

4.1 在機電安裝工程施工階段的應用

機電安裝工程施工階段中的BIM 應用，是目前城市軌道交通工程中BIM 價值發(fā)揮最大的應用點，也是投入與產(chǎn)出最佳的應用點。首先是因為其設計輸入信息的穩(wěn)定、完整，此時影響工程成本與進度的主要因素則是設計及施工中的錯漏碰缺，而應用BIM 技術便可解決該問題。選擇機電安裝工程施工階段應用而不是設計階段應用的主要原因與目前的設計方式有關。目前，機電安裝的二維設計圖紙較為簡單，部分甚至只是原理圖，但是應用BIM 技術進行三維設計后，需要每根電線、管道和每個裝修層都反映在模型中;如果放在設計階段完成，工作量會加大很多，如果沒有合理的設計費用增加(目前無正式的收費標準)，很多設計單位根本不愿意做。在施工階段，施工單位僅需完成翻模工作，故比較容易。因此施工單位從整體工期考慮，普遍較為積極地推行BIM 技術的應用。當在二維設計階段出現(xiàn)圖紙錯誤，不論是工地停工，還是等待走完整個設計變更流程都會造成施工單位損失，因此，利用BIM技術避免錯漏碰缺，可為施工單位得到直接的經(jīng)濟利益?，F(xiàn)以廣州地鐵6號線一德路站的機電安裝BIM 應用為例(見圖1)，該站采用BIM 技術，利用二維設計圖紙建立機電安裝所有專業(yè)的三維模型，通過模型的碰撞檢查發(fā)現(xiàn)設計錯誤達24 處。采用BIM 技術后這些錯誤在管線安裝下料之前可全部解決，同時，通過三維模型工程量統(tǒng)計，可對該站精確控制并優(yōu)化管線進料與下料環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的采用二維圖紙施工來說，采用BIM 技術后節(jié)省了大量人工、材料、工期［8］。

4.2 在土建工程施工階段的應用

城市軌道交通工程在土建施工階段的工期延誤主要是由一些外部因素影響及地質條件改變等造成的。而這些外部因素的改變常常也會導致設計方案的改變，應用BIM 技術進行三維設計對加快進度有一定影響，但是非常有限。目前，由于國內部分由工程算量發(fā)展延伸而來的應用BIM 技術的軟件，則在工程成本控制方面得到了很好的應用效果。國外的BIM 三維設計軟件，其出發(fā)點是在三維設計的基礎上統(tǒng)計工程量，由于是統(tǒng)計出來的工程量，故與我國的工程量清單計價匹配性并不高;而國內的算量軟件，則完全符合我國規(guī)范，其出發(fā)點是在二維圖紙的基礎上建立算量的模型，從而得到精確的工程量。目前較多施工單位很看重這一點，因為精確的工程量，可以實現(xiàn)精確的成本控制，從而獲得更多的利潤。例如，國內某BIM 軟件商在無錫地鐵控制中心的項目中，就很好地利用了基于設計圖紙建立的BIM 預算模型，可以即時地提供工程管理需要的工程量基礎數(shù)據(jù)，并對其工程量基礎數(shù)據(jù)進行套定額處理，由此可隨時做出一份完整的工程造價書［9］。

4.3 在車站線路翻新改造中的應用

由于BIM 技術較好的可模擬性，因此在軌道交通改造工程中有著較為廣闊的應用前景。目前，隨著國內大城市軌道交通線網(wǎng)的密集化，出現(xiàn)了非常多的車站需要改造為換乘站。既有車站如何改造，如何降低對既有線運營的影響，如何在有限的天窗期內實現(xiàn)施工效率的最大化，只有通過BIM 技術對整個改造過程進行模擬，以指導改造工程的設計，才能得到一個影響最小、功能最優(yōu)的方案。

圖1 廣州地鐵6號線一德路站廳層機電安裝BIM 模型

4.4 在特殊地質條件中的應用

在城市軌道交通建設工程中，會遇到石灰?guī)r地質中的地下溶土洞處理，以及盾構掘進中對孤石的處理。對這些特殊地質情況，若用地質縱剖面表示，則很難反映出其與工程結構的三維空間關系，但是，用BIM 技術的三維界面，溶洞的大小、位置、與周邊的關系即可一目了然，便于技術決策與施工處理。例如，在廣州地鐵9號線施工1 標段有個車站，該站在施工期間初步判斷基坑外有一個溶洞與基底存在水力聯(lián)系，通過多次鉆孔探查，查明了該溶洞的相關地質參數(shù)。但是，在二維圖紙展現(xiàn)時，與車站結構的關系上始終會缺少一個軸向的顯示，而采用BIM 技術建立三維模型后，這個問題解決了，溶洞與基坑間的水力連通也可以得到較好的判斷［10］。

5 結語

1)通過以上的比較與分析可知，由于行業(yè)特點的影響，BIM 技術目前在城市軌道交通工程中的應用還有較大的局限性。因此，目前適宜在統(tǒng)一的框架(建模標準)下先在一些能夠獲得較好收益的應用點上進行應用，或者在個別典型性標段進行試驗。通過這些應用來獲得基礎的族庫模型及二次開發(fā)支持等基礎支撐元素。

2)由于BIM 技術國家級標準的空白、BIM 技術應用的相關收費標準的空白，以及工程承發(fā)包模式的問題，最重要的還有BIM 模型在法律地位定義上的空白等問題，都極大地影響著BIM 技術的推廣應用。只有解決這些基本的問題，才能為BIM 技術應用奠定堅實的基礎，促進其良性發(fā)展。

3)BIM 技術作為土建技術行業(yè)全面信息化的有效途徑，這從世界范圍內大規(guī)模推廣應用BIM 技術的結果來看，是毋庸置疑的。但是，新技術的應用必須結合自身行業(yè)的特點，因此，必須遵循由簡至繁、由易至難的應用原則。

［1］馮愛軍，王文江，于松偉，等.城市軌道交通設計總體總包項目信息化管理初探［J］.地鐵與輕軌，2003(5):26.

［2］金觀濤，華國凡.控制論與科學方法論［M］.北京:新星出版社，2005.

［3］桑培東，肖立周，李春燕.BIM 在設計施工一體化中的應用［J］.施工技術，2012(41):25.

［4］National Institute of Building Sciences United States National Building Information Modeling Standard［S］.

［5］北京北緯華元軟件科技有限公司.用戶成功故事——萬科金色里程［EB/OL］.(2009-6-26)［2014-10-15］.http:∥blog.sina.com.cn/s/blog_4e7bb1020100drht.html.

［6］廣州市地下鐵道總公司.2014年1-2 類變更統(tǒng)計臺賬［R］.廣州:廣州市地下鐵道總公司，2014.

［7］廣州市地下鐵道總公司.城市軌道交通建筑信息模型(BIM)技術應用前期研究調研報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道總公司，2014.

［8］廣州市水電設備安裝有限公司.廣州地鐵BIM 試點項目總結報告(一德路站)［R］.廣州:廣州市水電設備安裝有限公司，2014.

［9］魯班咨詢.無錫地鐵控制中心利用BIM 提升精細化管理水平［EB/OL］.(2013- 6- 3)［2014- 10- 15］.http:∥ www.lubanway.com/index.php?controller = guandian＆action =guandian_front＆type=3＆guandian_id=279.

［10］蔡蔚.建筑信息模型(BIM)技術在城市軌道交通項目管理中的應用與探索［J］.城市軌道交通研究，2014(5):1.