BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

[摘? 要]：結(jié)構(gòu)設(shè)計在地鐵車站設(shè)計眾多專業(yè)中處于主導(dǎo)性地位，在工程投資、工程安全、建設(shè)工期、工程質(zhì)量等方面起決定性的作用。目前，BIM技術(shù)在地鐵工程的應(yīng)用僅局限于建筑三維建模、管道綜合和4D施工模擬等方面，在車站結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的應(yīng)用相對缺乏。文章通過調(diào)查分析目前BIM技術(shù)在地鐵車站設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進行探討和研究，以某地鐵車站為例，進行三維可視化設(shè)計、配筋施工圖設(shè)計和結(jié)構(gòu)工程數(shù)量統(tǒng)計應(yīng)用，極大提高溝通、設(shè)計效率，提高設(shè)計質(zhì)量。本文研究表明BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用是可行的，研究成果可供工程實際中采用BIM技術(shù)開展地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

[關(guān)鍵詞]：BIM技術(shù); 地鐵車站; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 可視化設(shè)計; 配筋設(shè)計

U231.4A

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，被譽為建筑業(yè)第二次革命，早已成為工程建設(shè)領(lǐng)域研究、創(chuàng)新應(yīng)用的熱點。BIM技術(shù)的核心是一個三維的數(shù)據(jù)庫，它集成了項目各參與方在設(shè)計階段、施工建造階段、運營管理維護階段的大量工程信息，在建筑生命周期內(nèi)供各參與方進行數(shù)據(jù)的存儲、查詢、調(diào)用和修改，從而實現(xiàn)建筑物生命周期內(nèi)各工程建設(shè)階段以及各階段所有參與方之間工程信息的交互共享。BIM技術(shù)具備了三維可視化、模型參數(shù)化、工程設(shè)計建造管理的協(xié)同化，4D施工模擬、可出圖性、工程量統(tǒng)計等技術(shù)優(yōu)勢[1-3]。

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，截至2020年9月30日，中國內(nèi)地累計有41個城市開通城軌交通運營線路7 141.55 km，其中地鐵5 514.92 km，占比77.22%。僅2020年上半年獲批項目涉及新增線路長度共272.54 km，新增投資共2 306.15億元[4]。軌道交通是補短板、增后勁、惠民生的重要手段，同時也是基建投資、宏觀經(jīng)濟對沖的重要方向之一。地鐵工程具有生命周期長、投資大、風(fēng)險高、發(fā)展快、專業(yè)多、空間局限等特點，對設(shè)計人員水平、設(shè)計文件質(zhì)量要求高。特別是近年來，大規(guī)模車站、交通綜合體建設(shè)越來越多，傳統(tǒng)設(shè)計方式和設(shè)計工具難以滿足工程建設(shè)需要，BIM技術(shù)應(yīng)用于地鐵車站設(shè)計將極大促進地鐵車站設(shè)計質(zhì)量和工作效率的提升。

目前，BIM技術(shù)在地鐵工程領(lǐng)域已經(jīng)取得一些應(yīng)用，在地標性、示范性和規(guī)模較大的工程上不乏成功案例，但是主要局限于三維建模、碰撞檢測、4D施工模擬、工程量統(tǒng)計等幾個方面[5-8]。結(jié)構(gòu)設(shè)計在地鐵車站眾多專業(yè)中起著主導(dǎo)性作用，在投資、安全、工期方面起決定性的作用，研究BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用具有重大的價值。

1 BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 可視化設(shè)計

隨著我國經(jīng)濟水平的提升，地鐵建設(shè)已經(jīng)由交通線發(fā)展成地下交通網(wǎng)，建設(shè)一大批超大規(guī)模車站和交通樞紐。傳統(tǒng)二維設(shè)計在大規(guī)模、復(fù)雜車站設(shè)計中捉襟見肘，BIM技術(shù)可視化優(yōu)勢發(fā)揮重大作用。

BIM技術(shù)可實時、準確地將建筑設(shè)計師的設(shè)計方案呈現(xiàn)在眼前，建筑設(shè)計師可直接在三維模型中推敲設(shè)計體量、建筑造型和功能布局等。結(jié)構(gòu)設(shè)計師可以依靠BIM技術(shù)的三維漫游等技術(shù)在建模模型上確定結(jié)構(gòu)設(shè)計廣方案，進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的設(shè)計，更好地考慮結(jié)構(gòu)方案與建筑設(shè)計的適配性等。

本文以某地下4層雙柱車站為例，進行BIM可視化設(shè)計。本站因工程地質(zhì)、周邊環(huán)境的限制，采用地下4層雙柱明挖車站（帶物業(yè)），2個物業(yè)出入口、2組風(fēng)亭組、安全出入口和無障礙電梯均采用頂出的方式，車站基坑深度約40 m，長約160 m。地下1層為物業(yè)層，地下2層為站廳層，地下3層為設(shè)備層，地下4層為站臺層。本站具有規(guī)模大、投資高、內(nèi)部空間關(guān)系復(fù)雜、設(shè)計周期短的特點，傳統(tǒng)二維設(shè)計很難滿足設(shè)計需求?；赗evit軟件進行BIM技術(shù)在地鐵車站三維可視化設(shè)計應(yīng)用，創(chuàng)建整個車站主體結(jié)構(gòu)、頂出物業(yè)出入口、兩組風(fēng)亭組、內(nèi)部樓扶梯、站臺板、設(shè)備夾層板的建筑結(jié)構(gòu)三維模型。模型不僅涵蓋了建筑隔墻、門、樓板開孔情況，也包含了結(jié)構(gòu)梁、板、柱、墻。

本站BIM技術(shù)應(yīng)用主要發(fā)揮作用：

（1）極大提高了設(shè)計過程中各專業(yè)間的有效溝通，優(yōu)化了功能房間的布置，確保了結(jié)構(gòu)梁、柱的尺寸和建筑限界滿足要求。

（2）三維可視化的設(shè)計，比較直觀的展現(xiàn)了設(shè)計方案，方便業(yè)主、施工單位對設(shè)計方案的理解，在方案比對和方案匯報過程中表現(xiàn)優(yōu)異。

（3）進行關(guān)鍵節(jié)點剪刀梯、頂出出入口可視化設(shè)計，在有限空間內(nèi)完成復(fù)雜節(jié)點設(shè)計。

本站利用BIM技術(shù)進行三維可視化設(shè)計，短期內(nèi)完成和穩(wěn)定了設(shè)計方案，提高設(shè)計質(zhì)量和效率（圖1～圖3）。

1.2 配筋施工圖設(shè)計

目前地鐵車站結(jié)構(gòu)配筋施工圖還是以手動繪制鋼筋的方式完成，工作繁瑣、工作量大、自動化程度很低，導(dǎo)致施工圖往往錯誤比較多，耗時比較長。地鐵車站與地上結(jié)構(gòu)和普通地下結(jié)構(gòu)存在較大的差異，地鐵結(jié)構(gòu)梁、板、柱尺寸比較大，含鋼量也比較大。因地下空間有限，柱子橫截面尺寸受限，柱子為滿足抗震的要求，多采用復(fù)合箍筋以提高柱子的軸壓比。頂?shù)卓v梁為滿足建筑功能和限界凈空要求，實現(xiàn)管線和房間布置，梁截面高度和寬度受限，導(dǎo)致梁需要配置多排縱向鋼筋。而在樓扶梯基坑的位置和設(shè)備區(qū)往往需要底縱梁下翻，頂縱梁上翻，進行反梁設(shè)計。

本文以某站為例，以Structural Analysis-Default CHNCHS為項目樣板，對車站基本構(gòu)件梁、柱、板、墻進行配筋，生成標準斷面和節(jié)點大樣圖。通過軟件Revit進行結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋有2種方式，一通過軟件自帶配筋功能，二是通過速博插件。速博插件以構(gòu)件為分類，按梁、板、柱、墻的配筋特點設(shè)置鋼筋配筋對話框，實際工程樁根據(jù)需要按類別進行配筋。目前，速博插件并不能完全滿足地鐵結(jié)構(gòu)配筋的需要，因為地鐵結(jié)構(gòu)受力和配筋與地上建筑有較大的差別，例如柱多采用復(fù)合箍筋，梁采用多排受力筋。通過Revit自帶的配筋功能配筋更靈活，其包含了斷面配筋、面積筋、路徑筋、鋼筋網(wǎng)片、保護層、鋼筋接頭等功能。斷面配筋中包含了53種鋼筋的形狀，能滿足地鐵車站結(jié)構(gòu)配筋中梁、柱的縱筋和箍筋，板、墻配筋的縱筋、分布筋和拉筋的配置。板的配筋還可以通過配筋功能中面積筋進行快速的配置。采用兩種方式相結(jié)合的配筋方式效率更高，首先采用速博包配置大部分鋼筋，再采用Revit自帶的配筋功能補充柱復(fù)合箍筋和梁的多排縱筋（圖4～圖9）。

通過本文研究，目前BIM技術(shù)Revit軟件配筋功能滿足地鐵車站結(jié)構(gòu)配筋的要求，梁、柱、板、墻配筋以及構(gòu)件節(jié)點配筋處理與工程實際情況相吻合?；赗evit軟件BIM技術(shù)地鐵車站配筋施工圖設(shè)計其優(yōu)勢在于直接進行三維實體布筋，通過剖面直接生成二維配筋圖，三維與二維配筋實時聯(lián)動，保持一致?；赗evit軟件BIM技術(shù)地鐵車站配筋施工圖設(shè)計不僅直接生成二維施工圖，而且模型可以直接用于工程量的統(tǒng)計，縮短設(shè)計周期同時提高工程量計算的準確性和效率。

1.3 工程量統(tǒng)計

隨著地鐵工程建設(shè)速度加快，建設(shè)規(guī)模加大，一大批大規(guī)模4層站、換乘站、交通綜合體涌現(xiàn)。這些站點建設(shè)工期長、投資大，對造價預(yù)算、決算要求更高，工程量計算越來越復(fù)雜，工程量統(tǒng)計精確性要求越來越高，傳統(tǒng)工程量統(tǒng)計的方式已經(jīng)很難滿足工程需要?；赗evit軟件BIM技術(shù)設(shè)計能夠快速、精確、詳細的對工程數(shù)量進行統(tǒng)計，極大提高數(shù)據(jù)利用效率、縮短工程量計算時間，提高工程量統(tǒng)計的精確性。

在工程量統(tǒng)計中，結(jié)構(gòu)專業(yè)鋼筋、混凝土工程量尤為繁瑣，工程量最大、對造價起決定性的控制作用。本文研究基于Revit軟件混凝土、鋼筋工程量統(tǒng)計，快速生成混凝土、鋼筋的明細表，大大提高結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計準確性。結(jié)構(gòu)明細表的創(chuàng)建按類別分為：結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)鋼筋、結(jié)構(gòu)桁架、結(jié)構(gòu)框架等。創(chuàng)建明細表對話框還可以進行明細表屬性定義，包含統(tǒng)計項目族類型、體積、長度、材質(zhì)、標高、重量、制造商、部件代碼等，也可以根據(jù)自己需要定義統(tǒng)計項目。此外，在明細表對話框還可以進行布爾運算，根據(jù)長度、體積等篩選出自己需要統(tǒng)計的項目。在明細表中可以靈活設(shè)置屬性、成組、解組、隱藏等各個狀態(tài)[9]。本文對地鐵車站結(jié)構(gòu)混凝土、鋼筋進行工程統(tǒng)計，部分統(tǒng)計結(jié)果明細表如表1～表3所示。

2 結(jié)論

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型正逐步推廣應(yīng)用于地鐵工程，為地鐵工程設(shè)計、施工、運維提供的較大的便利，在降成本、減工期、提質(zhì)量方面做出重要貢獻。

本文調(diào)查分析目前BIM技術(shù)在地鐵車站應(yīng)用的現(xiàn)狀、不足及前景，研究BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用，以某地鐵車站為例進行三維可視化設(shè)計、配筋施工圖設(shè)計、工程量統(tǒng)計3個方面應(yīng)用研究，提高設(shè)計質(zhì)量和效率，表明BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用是可行的，研究成果可供工程實際中采用BIM技術(shù)開展地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

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