明挖裝配式地鐵車站BIM協(xié)同設(shè)計

柯尉，王華兵，沈婷，徐軍林

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 城市軌道與地下工程設(shè)計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

建筑工業(yè)化以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、機械化施工和信息化管理為目標(biāo)，裝配式結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足該要求，積極發(fā)展各種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系成為實現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)和建筑工業(yè)化的關(guān)鍵。在美國、日本和一些歐洲國家，裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣泛、裝配化程度髙。在工廠進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，并在現(xiàn)場完成施工安裝與構(gòu)造處理，其施工方式高效便捷、能源耗用率低、工業(yè)化生產(chǎn)水平高，有利于將粗放型、密集型的現(xiàn)場施工工人轉(zhuǎn)變?yōu)榧寄苄偷漠a(chǎn)業(yè)化工人，符合綠色建筑概念及建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢。

1 地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)

與地面結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)相比，除盾構(gòu)法預(yù)制管片隧道外，國內(nèi)外大型明挖地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用均較少，研究滯后也制約了該優(yōu)勢技術(shù)的發(fā)展。地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）顯著提高結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量；

（2）大幅提高現(xiàn)場施工作業(yè)效率、縮短工期；

（3）大幅降低施工噪聲和粉塵污染、環(huán)境影響；

（4）大幅減少勞動力需求；

（5）有效解決嚴(yán)寒地區(qū)冬季施工困難［1］。

明挖地下結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境、受力、防水和施工工藝等方面，與地面結(jié)構(gòu)存在較大差異，也不同于盾構(gòu)法形成的隧道結(jié)構(gòu)。因此，制定明挖地下結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)方案時，應(yīng)有不同的解決思路和方法，并建立新的技術(shù)體系。

我國地下結(jié)構(gòu)工程建設(shè)起步于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過幾十年發(fā)展，已由最初單一的明挖法，發(fā)展到現(xiàn)在的明挖法、礦山法、盾構(gòu)法等多種方法并存。在我國地下工程領(lǐng)域，預(yù)制裝配建造技術(shù)的應(yīng)用主要集中在盾構(gòu)法修建的鐵路、公路、地鐵區(qū)間、市政管廊等地下工程，并以單一的圓形結(jié)構(gòu)為主。許多研究團(tuán)隊結(jié)合項目具體情況，在結(jié)構(gòu)受力、接頭承載特性、抗震等方面作了大量研究，并取得一定成果，形成了相應(yīng)的國家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在鐵路礦山法隧道工程中，曾有局部采用裝配式襯砌的先例，如蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道的仰拱，采用預(yù)制化技術(shù)，對邊墻、拱墻進(jìn)行現(xiàn)場澆筑。除盾構(gòu)隧道外，較復(fù)雜的大斷面，尤其是地鐵車站結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用尚不成熟［2-5］。

2 裝配式地鐵車站BIM應(yīng)用

近年來，BIM技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于裝配式建筑的設(shè)計、生產(chǎn)及現(xiàn)場施工過程中［6-10］。上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會于2016年發(fā)布的《上海市裝配式建筑2016—2020年發(fā)展規(guī)劃》明確要求，“將BIM技術(shù)融入裝配式建筑項目建設(shè)全過程，加快配套軟件研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享”。

鑒于裝配式地鐵車站研究尚處于起步階段，設(shè)計、生產(chǎn)及施工中有許多需要研究和解決的問題。BIM技術(shù)的深入應(yīng)用可為裝配式地鐵車站的設(shè)計、生產(chǎn)及施工帶來實質(zhì)性幫助，因此，將BIM技術(shù)引入裝配式地鐵車站多專業(yè)一體化設(shè)計是有必要的。BIM技術(shù)可輔助裝配式地鐵車站的構(gòu)件分塊，以及精細(xì)化、多專業(yè)間正向協(xié)同設(shè)計，提升裝配式地鐵車站的設(shè)計精度，減少由設(shè)計誤差帶來的工期延誤和資源浪費。

應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)裝配式構(gòu)件三維信息化設(shè)計，創(chuàng)建多維度參數(shù)化構(gòu)件庫，根據(jù)需要獲取不同類型的裝配式構(gòu)件模塊，為裝配式地鐵車站方案研究和深化設(shè)計提供強大的參數(shù)化構(gòu)件庫資源。利用BIM協(xié)同設(shè)計平臺開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，將建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修等專業(yè)集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設(shè)計，精準(zhǔn)完成預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋件及孔洞預(yù)留，實現(xiàn)裝配式地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計。

3 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計

3.1 技術(shù)路線

通過基于BIM的三維參數(shù)化設(shè)計及協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究及應(yīng)用，解決裝配式地鐵車站構(gòu)件分塊比選、構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計、構(gòu)件節(jié)點深化設(shè)計及多專業(yè)設(shè)計協(xié)調(diào)等技術(shù)難題。通過搭建BIM協(xié)同設(shè)計平臺，開展建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修等多專業(yè)BIM正向協(xié)同設(shè)計及構(gòu)件深化設(shè)計。多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程示意見圖1。

圖1 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程示意圖

3.2 實現(xiàn)方法

3.2.1 協(xié)同環(huán)境配置

裝配式地鐵車站BIM協(xié)同設(shè)計工作采用集中辦公方式進(jìn)行，各專業(yè)需在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下（局域網(wǎng)）辦公，采用“工作集”和“鏈接”的方式進(jìn)行協(xié)同。協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)是文件共享，基于Windows系統(tǒng)的共享機制，采用“網(wǎng)絡(luò)共享文件夾”方式實現(xiàn)共享文件的并發(fā)讀寫。

3.2.2 中心文件配置

在Revit的“協(xié)作”選項卡中激活“協(xié)作”工具，此時，Revit將開啟工作集共享，選擇“在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)作”。在服務(wù)器電腦上，將開啟“協(xié)作”后的文件保存至“裝配式地鐵車站BIM共享文件夾”。以建筑專業(yè)為例，模型可命名為“裝配式地鐵車站建筑中心文件.rvt”，保存時須在文件名前加上共享文件夾網(wǎng)絡(luò)路徑。

3.2.3 工作集及鏈接設(shè)置

工作集根據(jù)各專業(yè)實際建模情況進(jìn)行劃分，如建筑專業(yè)可根據(jù)構(gòu)件類型劃分為“墻”“板”“柱”等構(gòu)件，多人協(xié)同建?？筛鶕?jù)自己負(fù)責(zé)的構(gòu)件類型，在相應(yīng)工作集開展工作。專業(yè)內(nèi)工作集權(quán)限均掌握在各自建模人員手中，一般建議將“可編輯”狀態(tài)設(shè)置為“是”，即只有該部分模型建模人員具有修改權(quán)限，避免相互修改導(dǎo)致模型錯亂。所有專業(yè)模型均需以建筑專業(yè)提供的“項目基點”為準(zhǔn)，專業(yè)間采用“鏈接”的方式進(jìn)行相互參照，“參照類型”需設(shè)置為“覆蓋”，避免顯示鏈接文件中的嵌套鏈接。

3.2.4 協(xié)同流程及要點

（2）結(jié)構(gòu)、機電等專業(yè)。采用鏈接的方式，參照建筑模型，使用相同基點進(jìn)行參照。各專業(yè)均需在“裝配式地鐵車站BIM共享文件夾”建立中心文件，如“建筑中心文件”“結(jié)構(gòu)中心文件”“暖通中心文件”等。

各專業(yè)在進(jìn)行模型建立時，若需參照其他專業(yè)，需在各自“本地文件”中，鏈接共享文件夾下的相應(yīng)模型，如結(jié)構(gòu)專業(yè)參照建筑模型定位，需在“結(jié)構(gòu)本地文件”中使用“插入—Revit鏈接”，使用“項目基點—項目基點”或“原點—原點”的對齊方式進(jìn)行鏈接。

3.3 協(xié)同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 模型文件命名

裝配式地鐵車站模型文件夾命名應(yīng)分為4個級別：第1級為項目名稱，第2級為設(shè)計階段，第3級為專業(yè)分類，第4級為文件類型（見表1）。

表1 項目文件夾命名

模型文件命名標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）項目代碼。用于識別工程地點及名稱，工程地點用大寫拼音首字母表示，工程名稱用阿拉伯?dāng)?shù)字及大寫字母（適用于分期建設(shè)線路）表示。

（2）階段代碼。用于識別模型階段，項目階段包括：C-初步設(shè)計階段、S-施工圖設(shè)計階段、SG-施工階段、YW-運維階段。

4.4.1 簡化審批流程，減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)。參照《國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)資金和項目管理辦法》第三十條：省級農(nóng)發(fā)機構(gòu)根據(jù)本地區(qū)實際情況可以下放項目評審權(quán)限。為此，建議參照經(jīng)營主體實施的其他農(nóng)業(yè)項目管理模式，由區(qū)縣農(nóng)發(fā)辦初審并公示無異議后報市農(nóng)發(fā)辦備案，市農(nóng)發(fā)辦按原要求審批實施計劃，項目實施完成后由區(qū)縣農(nóng)發(fā)辦組織初驗，市農(nóng)發(fā)辦組織終驗，驗收合格后再補助資金或貼息，以減輕企經(jīng)營主體編制可行性研究報告和規(guī)劃設(shè)計、協(xié)調(diào)金融機構(gòu)等項目前期費用，縮短建設(shè)周期。

（3）專業(yè)代碼。用于識別模型所屬專業(yè)，代碼包括：JZ-建筑專業(yè)、JG-結(jié)構(gòu)專業(yè)、TK-通風(fēng)空調(diào)專業(yè)、DZ-動力照明專業(yè)、GPS-給排水與消防專業(yè)、TX-通信專業(yè)等。

（4）版次編碼。用于描述模型版本信息，初版文件可省略，變更設(shè)計版次采用A—Z大寫英文字母的方式標(biāo)注，分別代表變更第1版—變更第26版。如變更第1版圖紙編號為“01A”。

3.3.2 工作集命名

裝配式地鐵車站各專業(yè)在BIM模型中的構(gòu)件工作集命名劃分見表2。

表2 構(gòu)件工作集命名劃分

3.3.3 構(gòu)件命名

在BIM設(shè)計中，其構(gòu)件命名標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）土建專業(yè)構(gòu)件。類型名稱-材質(zhì)信息-尺寸信息（見表3）。各專業(yè)管道命名標(biāo)準(zhǔn)：專業(yè)代碼-管道名稱，如TK-大系統(tǒng)送風(fēng)管。

表3 土建構(gòu)件命名表

（2）系統(tǒng)專業(yè)設(shè)備。專業(yè)代碼-設(shè)備名稱-規(guī)格尺寸，如GPS-閘閥-DN150。

3.3.4 設(shè)計管控要點

在滿足模型精度要求的前提下，應(yīng)滿足以下要求：

（1）建筑專業(yè)：樓梯間、樓梯、電梯間、管井、配電間、空調(diào)機房、泵房、天花板高度等定位須準(zhǔn)確。

（2）結(jié)構(gòu)專業(yè)：梁、板、柱的截面尺寸與定位須與圖紙一致。

（3）給排水及消防專業(yè)：各系統(tǒng)類型劃分及命名須正確，有坡度的水管須建出坡度，閥門及保溫層須建模。

（4）暖通專業(yè)：各系統(tǒng)類型劃分及命名須正確，影響管線綜合的設(shè)備、末端須建模，有坡度的水管須建出坡度，閥門及保溫層須建模。

（5）電氣專業(yè)：各系統(tǒng)類型劃分及命名須正確，影響管線綜合的設(shè)備、末端須建模。

管線綜合管控要點：

（1）管線綜合應(yīng)在施工圖階段施工專業(yè)深化階段各完成1次。

（2）施工圖階段管線綜合過程中，施工、設(shè)計、咨詢單位應(yīng)密切協(xié)作，設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)最終BIM模型反映的三維情況，調(diào)整二維圖紙。

模型扣減規(guī)則：

（1）墻與柱：墻在結(jié)構(gòu)柱、構(gòu)造柱處應(yīng)斷開。

（2）墻與梁：墻頂部約束條件為梁底。

（3）墻與板：內(nèi)襯墻扣減結(jié)構(gòu)頂板、中板，結(jié)構(gòu)底板扣減內(nèi)襯墻，局部墻頂部約束條件為板底。

（4）柱與梁：結(jié)構(gòu)柱扣減梁，構(gòu)造柱頂部約束條件為梁底。

（5）柱與板：結(jié)構(gòu)柱扣減結(jié)構(gòu)頂板、中板。

（6）梁與板：梁扣減結(jié)構(gòu)板。

3.3.5 模型交付

（1）模型精細(xì)度（LOD）是BIM模型所容納的模型單元豐富程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是BIM的構(gòu)件/設(shè)備在項目全生命周期中的幾何和非幾何信息的精細(xì)程度。

（2）構(gòu)件/設(shè)備本身的信息量和三維數(shù)據(jù)隨項目的不斷發(fā)展越來越豐富，作為同步，構(gòu)件/設(shè)備三維模型的幾何和非幾何信息也越來越詳細(xì)。

（3）BIM模型細(xì)度應(yīng)由非幾何信息和幾何信息組成，BIM模型構(gòu)件元素根據(jù)階段的不同，從低到高的細(xì)度要求見表4。

表4 模型精細(xì)度等級

4 信息化設(shè)計

裝配式建筑是采用工廠化生產(chǎn)的構(gòu)件、配件、部品，通過機械化、信息化裝配式技術(shù)組裝的建筑整體，其工廠化生產(chǎn)構(gòu)配件精度可達(dá)毫米級，現(xiàn)場組裝精度要求較高，可滿足各種產(chǎn)品組件的安裝精度要求。裝配式建筑核心是“集成”，BIM則是“集成”的主線，串聯(lián)設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝修和管理全過程，服務(wù)于設(shè)計、建設(shè)、運維、拆除等全生命周期，可數(shù)字化仿真模擬、信息化描述系統(tǒng)要素，實現(xiàn)信息化協(xié)同設(shè)計、可視化裝配，工程量信息交互和節(jié)點連接模擬及檢驗等全新運用，整合建筑全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)全過程、全方位的信息化集成。

在設(shè)計階段，基于BIM協(xié)同設(shè)計平臺進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，將建筑、結(jié)構(gòu)、機電和裝修等專業(yè)集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設(shè)計，精準(zhǔn)完成預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋件及孔洞預(yù)留，實現(xiàn)裝配式地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計。

在設(shè)計階段，實現(xiàn)生產(chǎn)、施工前置參與，各參與方需求與要求前置，通過BIM信息化模型實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)“全員、全專業(yè)、全過程”BIM信息化應(yīng)用。信息化設(shè)計流程示意見圖2。

圖2 信息化設(shè)計流程示意圖

基于BIM技術(shù)實現(xiàn)裝配式構(gòu)件的三維信息化設(shè)計，創(chuàng)建多維度參數(shù)化構(gòu)件庫，可根據(jù)需要獲取不同類型的裝配式構(gòu)件模塊，為裝配式地鐵車站方案研究和深化設(shè)計提供強大的參數(shù)化構(gòu)件庫資源（見圖3）。

圖3 參數(shù)化構(gòu)件庫資源

為裝配式地鐵車站各預(yù)制構(gòu)件設(shè)置1個編碼，該編碼可綜合反映其項目特征、空間特征、時間特征及構(gòu)件特征，將編碼與構(gòu)件關(guān)聯(lián)，賦予了每個構(gòu)件唯一的“身份證”（見表5）。

表5 某預(yù)制構(gòu)件編碼示例

在協(xié)同設(shè)計全過程，嚴(yán)格執(zhí)行BIM正向協(xié)同設(shè)計實施標(biāo)準(zhǔn)。同時，依據(jù)預(yù)制構(gòu)件編碼標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)件信息存儲于傳遞標(biāo)準(zhǔn)，明確預(yù)制構(gòu)件信息的賦予、存儲和傳遞，實現(xiàn)裝配式地鐵車站全過程信息化管理。

5 結(jié)束語

以某裝配式地鐵車站項目為背景，對裝配式地鐵車站多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計及預(yù)制構(gòu)件信息化設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)研究，解決了該項目多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題。利用BIM協(xié)同設(shè)計平臺開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，將建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修等專業(yè)集成于同一平臺，開展全過程同深度整體設(shè)計，精準(zhǔn)完成預(yù)制構(gòu)件的預(yù)埋件及孔洞預(yù)留，實現(xiàn)裝配式地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計。

為規(guī)范裝配式地鐵車站多專業(yè)一體化BIM設(shè)計模型創(chuàng)建及交付，引導(dǎo)項目設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)及施工領(lǐng)域信息化實施，提高BIM模型質(zhì)量，編寫了多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計實施指南。為項目設(shè)計團(tuán)隊提供了標(biāo)準(zhǔn)化的BIM工作方法，避免因各方標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致的交接誤解和信息丟失，減少變更與返工，最大限度提高生產(chǎn)效率，確保各方在項目中產(chǎn)出高質(zhì)量的、形式統(tǒng)一的、符合交付要求的建筑信息模型，保證數(shù)字化BIM文檔結(jié)構(gòu)的正確性，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享。

為規(guī)范裝配式預(yù)制構(gòu)件“設(shè)計—生產(chǎn)—施工”全流程數(shù)據(jù)信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)，編制裝配式預(yù)制構(gòu)件編碼標(biāo)準(zhǔn)及裝配式預(yù)制構(gòu)件信息存儲與傳遞標(biāo)準(zhǔn)。為裝配式地鐵車站各預(yù)制構(gòu)件設(shè)置1個編碼，編碼可綜合反映項目特征、空間特征、時間特征和構(gòu)件特征，編碼與構(gòu)件BIM模型關(guān)聯(lián)，賦予每個構(gòu)件唯一的“身份證”。同時，明確裝配式預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)信息存儲與傳遞標(biāo)準(zhǔn)，使預(yù)制構(gòu)件數(shù)據(jù)信息在統(tǒng)一規(guī)則下實現(xiàn)全流程傳遞，有力地支撐了預(yù)制構(gòu)件BIM信息化管理。