城市轨道交通行业建设阶段建筑信息模型的应用

刘铁民 曹明华

(广州市地下铁道总公司总工程师室，510030，广州∥第一作者，工程师)

近年来随着BIM(建筑信息模型)技术在国内建筑业的日益流行，工程建设各行业都在尝试着应用BIM 技术，期待利用 BIM 技术来改造规划、设计、施工、运营维护流程，解决一些过去无法解决的问题，从而为本行业带来革命性的变化。本文结合城市轨道交通工程建设阶段对BIM 技术应用的一些具体问题进行探讨。

1 城市轨道交通工程建设阶段的特点

城市轨道交通是一个复杂的系统工程，其投资大、系统多、技术密集、建设周期长。项目会涉及多个子系统和专业［1］。从城市的空间几何上看，城市轨道交通工程影响范围类似于一种圆柱状的结构，在城市空间中延伸，短则几公里，长则几十公里。线路的长度按线网规划是一定的，但在建设期圆柱状结构影响的半径却随着时间的流转，逐渐变化。

城市轨道交通的长条形圆柱状结构，在空间上与其穿越的既有结构会产生大量的交叉关系。在城市轨道交通的建设期由于施工需要，这种交叉关系，在空间上占据的范围更大，直到运营期开始，才逐渐保持稳定的空间范围。

正是由于这种交叉关系的存在，建设阶段需要了解大量交叉结构的信息。例如:在城市轨道交通线路规划时期需要了解沿线的规划信息、既有建构筑物信息、地质信息等;在建设时期需要更精确地了解征地拆迁信息、详细的地质信息、既有管线信息、交通疏解信息等;在运营期，需要了解沿线的地铁保护信息等。但是，目前的城市轨道交通建设期对这些信息的了解并不充分。因对工程建设的控制必须依赖信息的传递，很多时候不能对工程建设实现有效控制的原因，就是没有获得足够的信息［2］。

2 BIM 技术的特点

BIM 由美国佐治亚理工学院建筑与计算机系教授查克·伊士曼博士(Chuck Eastman，Ph.D.)于1975年提出，其基于数字化和可视化技术，集成和管理与建设项目有关的信息。这些信息不仅包含建筑、结构、设备等几何视觉信息，还包括成本、性能等非几何管理信息［3］。笔者认为，BIM 有以下显而易见的优点:

1)可视化:由于BIM 技术能够将设计过程及结果从传统的二维设计提升到三维设计，实现了真正的可视化，因此，可以极大地降低识别信息的门槛。在建设期，不论是方案比选还是针对施工阶段操作层面的技术交底，信息受体对设计意图的理解更为容易了。

2)模拟性:可以真实地模拟建构筑物全生命周期中的各个阶段，以及建造和运营维护中的多种行为。过去的二维设计无法实现空间上及物体实体的模拟，因此，导致很多设计方案的“错、漏、碰、缺”不能被发现。而BIM 技术的模拟性，是通过对建筑物实体的模拟，避免了这种问题的发生。BIM 技术将目前很多在施工阶段需要解决的协调性问题，在设计阶段就解决了。这样不仅提升了建筑物的使用价值，同时也极大地降低了后期为处理这些问题所产生的协调成本。

3)精确性:依据美国国家BIM 标准(NBIMS)对BIM 的定义——BIM 是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达［4］。笔者认为这也是BIM 技术最重要的特点。建筑模型过去已在三维效果图、沙盘模型制作等方面得到了广泛应用，但是过去的三维模型仅仅是个模型，无法用来进行建造。而BIM 作为一种数字表达，强调的就是精确性。正是这种精确性，为建筑业的工业化制造提供了可行的路径。例如，上海万科金色里程项目使用BIM 技术进行了三维设计，使得预制混凝土(PC)建造技术与主体结构精确匹配，加快了施工速度［5］。同时，BIM 技术更为建筑物的 3D 打印提供了基础。

3 BIM 技术在城市轨道交通工程应用中的问题

3.1 信息输入问题

BIM 技术本身是非常优秀的，但是，其基于信息输入的特点，导致了目前在城市轨道交通工程中使用的有限性。通常影响城市轨道交通建设进度与工程造价的几个重要影响因素，如前期征地拆迁、地质勘察资料变化、地下管线改迁等，这些重要影响因素信息的获得都是不完全的，这在二维设计时代就是如此，应用BIM 技术后依然如此。以某地铁公司2014年工程变更统计(含方案变更及设计变更)为例，由于地质勘察资料变化导致的工程变更数量占总数量的27%左右，由于征地拆迁及地下管线改迁无法实现而导致工程变更的数量占总数量的43%左右，由于优化设计加快进度而导致的工程变更数量占总数量的17%左右［6］。因此，在城市轨道交通工程中应用BIM 技术仅可以在已收集的信息基础上加快设计，避免设计中间产生错误而导致进度拖延与变更，并不能解决基础信息收集不完全的问题。

3.2 承发包模式问题

目前，我国城市轨道交通工程普遍采用的是传统的设计—招标—建造(Design—Bid—Build，简为DBB)模式。但是，在国际上设计施工总承包(Design—Build，简为 DB)模式及工程总承包(Engineering Procurement Construction，简为 EPC)模式已成为主流承发包模式，且业主招标大多提出了功能性要求。这正好使BIM 技术的优处得到充分发挥。通过模拟与可视化，在最契合业主功能需求的情况下，可以迅速统计获得相关方案成本，同时在施工时逐渐深化设计即可。

我国的城市轨道交通工程采用的是DBB 模式，造成了BIM 技术应用的割裂局面。设计单位和施工单位有各自的BIM 模型，其建模标准及软件不统一，无法真正实现BIM 技术信息集成的作用。施工单位寄希望于利用BIM 技术获得精确的工程量，期望得到额外利润。设计单位希望利用BIM 技术提高图纸质量，避免“错、漏、碰、缺”。这本来是可以统一的，但是由于承发包模式的限制而不能统一，因此使得目前国内出现的大量BIM咨询机构，仅是帮助设计单位或者施工单位进行利用二维设计图纸建立BIM 三维模型的“翻模”工作。模型不统一，最终造成模型无法在运营维护阶段发挥作用，造成了损失。

3.3 软件选择与行业支持的二次开发问题

目前，主流BIM 软件大部分是应用在民用建筑领域，对城市轨道交通而言，除了在车站设计时有较好的支撑外，缺乏对区间、轨道、通信及供电系统等线性结构方面的功能支持。例如，要建立轨道结构、接触网、盾构隧道等模型就必须进行相应的二次开发，否则，逐一绘制是一件非常困难的工作。

同时，由于软件本身对行业应用的支持有限，造成了使用软件的门槛。要使用软件必须进行针对城市轨道交通行业的二次开发，获得大量的族库支持，才能使得软件应用速度达到目前二维设计的速度。否则，仅车站配筋或车站系统设备建模，就是一件非常庞大、耗时的事情，严重影响着BIM 技术普及推广的积极性。笔者曾调研了国内BIM 设计应用较好的设计院，这些设计院基本上都结合自身工程设计的特点进行了大量的二次开发，才使利用BIM 技术进行三维设计得以顺利应用。而就某地铁公司的目前试点情况来看，由于无相关的二次开发及族库，土建结构设计基本没有采用BIM 技术进行钢筋设计;机电相关设计人员，耗用了大量的时间重绘各种管道接头、配电箱、阀门等，使设计师普遍认为采用BIM 设计比二维设计效率低［7］。

3.4 投资收益问题

目前主流的BIM 软件仅使用费就多达几百万元甚至几千万元(按用户数)，如果算上后期推广、培训、升级、维护、二次开发，则总价算下来是一个惊人的数字。某地铁公司准备应用BIM 技术在进行从设计再到施工到运营的一体化管理研究时发现，一条地铁线路询价结果为:购买软件在1 500～2 000 万元(含二次开发)，若采用租赁则第一年需投入500～750 万元(含二次开发)，之后每年租金在100～200 万元左右。统计分析该条地铁线路因为“错、漏、碰、缺”而导致的设计变更或方案更改费用仅在300～400 万元左右(未计算工期节省效益)。因此，目前若单纯计算收益与花费，BIM 技术的应用代价巨大。

3.5 BIM建模标准问题

目前，国家的BIM 建模标准仍未正式出台，仅有北京地方的BIM 建模标准出台。各种BIM 建模标准也呈现百花齐放的状态。这导致了模型信息流转困难以及相应设计收费等问题。同时，鉴于城市轨道交通行业的自身特点，应有一部能够与地铁设计规范相结合的建模标准，但一部统一的BIM 建模标准无法解决城市轨道交通工程中诸多的线性结构的建模标准问题。

3.6 利用BIM技术设计的收费问题

现在的BIM 技术相关企业有软件商、“翻模”企业、咨询企业等，但并无统一的合同范本及收费标准。城市轨道交通行业大多属于政府投资，若无相应的收费标准，不仅不能促使BIM 技术健康发展，还会由于价格市场的混乱，造成许多模型的粗制滥造，为模型信息的后期流转及利用造成不利影响。

4 BIM技术在城市轨道交通行业的应用

4.1 在机电安装工程施工阶段的应用

机电安装工程施工阶段中的BIM 应用，是目前城市轨道交通工程中BIM 价值发挥最大的应用点，也是投入与产出最佳的应用点。首先是因为其设计输入信息的稳定、完整，此时影响工程成本与进度的主要因素则是设计及施工中的错漏碰缺，而应用BIM 技术便可解决该问题。选择机电安装工程施工阶段应用而不是设计阶段应用的主要原因与目前的设计方式有关。目前，机电安装的二维设计图纸较为简单，部分甚至只是原理图，但是应用BIM 技术进行三维设计后，需要每根电线、管道和每个装修层都反映在模型中;如果放在设计阶段完成，工作量会加大很多，如果没有合理的设计费用增加(目前无正式的收费标准)，很多设计单位根本不愿意做。在施工阶段，施工单位仅需完成翻模工作，故比较容易。因此施工单位从整体工期考虑，普遍较为积极地推行BIM 技术的应用。当在二维设计阶段出现图纸错误，不论是工地停工，还是等待走完整个设计变更流程都会造成施工单位损失，因此，利用BIM技术避免错漏碰缺，可为施工单位得到直接的经济利益。现以广州地铁6号线一德路站的机电安装BIM 应用为例(见图1)，该站采用BIM 技术，利用二维设计图纸建立机电安装所有专业的三维模型，通过模型的碰撞检查发现设计错误达24 处。采用BIM 技术后这些错误在管线安装下料之前可全部解决，同时，通过三维模型工程量统计，可对该站精确控制并优化管线进料与下料环节。相对于传统的采用二维图纸施工来说，采用BIM 技术后节省了大量人工、材料、工期［8］。

4.2 在土建工程施工阶段的应用

城市轨道交通工程在土建施工阶段的工期延误主要是由一些外部因素影响及地质条件改变等造成的。而这些外部因素的改变常常也会导致设计方案的改变，应用BIM 技术进行三维设计对加快进度有一定影响，但是非常有限。目前，由于国内部分由工程算量发展延伸而来的应用BIM 技术的软件，则在工程成本控制方面得到了很好的应用效果。国外的BIM 三维设计软件，其出发点是在三维设计的基础上统计工程量，由于是统计出来的工程量，故与我国的工程量清单计价匹配性并不高;而国内的算量软件，则完全符合我国规范，其出发点是在二维图纸的基础上建立算量的模型，从而得到精确的工程量。目前较多施工单位很看重这一点，因为精确的工程量，可以实现精确的成本控制，从而获得更多的利润。例如，国内某BIM 软件商在无锡地铁控制中心的项目中，就很好地利用了基于设计图纸建立的BIM 预算模型，可以即时地提供工程管理需要的工程量基础数据，并对其工程量基础数据进行套定额处理，由此可随时做出一份完整的工程造价书［9］。

4.3 在车站线路翻新改造中的应用

由于BIM 技术较好的可模拟性，因此在轨道交通改造工程中有着较为广阔的应用前景。目前，随着国内大城市轨道交通线网的密集化，出现了非常多的车站需要改造为换乘站。既有车站如何改造，如何降低对既有线运营的影响，如何在有限的天窗期内实现施工效率的最大化，只有通过BIM 技术对整个改造过程进行模拟，以指导改造工程的设计，才能得到一个影响最小、功能最优的方案。

图1 广州地铁6号线一德路站厅层机电安装BIM 模型

4.4 在特殊地质条件中的应用

在城市轨道交通建设工程中，会遇到石灰岩地质中的地下溶土洞处理，以及盾构掘进中对孤石的处理。对这些特殊地质情况，若用地质纵剖面表示，则很难反映出其与工程结构的三维空间关系，但是，用BIM 技术的三维界面，溶洞的大小、位置、与周边的关系即可一目了然，便于技术决策与施工处理。例如，在广州地铁9号线施工1 标段有个车站，该站在施工期间初步判断基坑外有一个溶洞与基底存在水力联系，通过多次钻孔探查，查明了该溶洞的相关地质参数。但是，在二维图纸展现时，与车站结构的关系上始终会缺少一个轴向的显示，而采用BIM 技术建立三维模型后，这个问题解决了，溶洞与基坑间的水力连通也可以得到较好的判断［10］。

5 结语

1)通过以上的比较与分析可知，由于行业特点的影响，BIM 技术目前在城市轨道交通工程中的应用还有较大的局限性。因此，目前适宜在统一的框架(建模标准)下先在一些能够获得较好收益的应用点上进行应用，或者在个别典型性标段进行试验。通过这些应用来获得基础的族库模型及二次开发支持等基础支撑元素。

2)由于BIM 技术国家级标准的空白、BIM 技术应用的相关收费标准的空白，以及工程承发包模式的问题，最重要的还有BIM 模型在法律地位定义上的空白等问题，都极大地影响着BIM 技术的推广应用。只有解决这些基本的问题，才能为BIM 技术应用奠定坚实的基础，促进其良性发展。

3)BIM 技术作为土建技术行业全面信息化的有效途径，这从世界范围内大规模推广应用BIM 技术的结果来看，是毋庸置疑的。但是，新技术的应用必须结合自身行业的特点，因此，必须遵循由简至繁、由易至难的应用原则。

［1］冯爱军，王文江，于松伟，等.城市轨道交通设计总体总包项目信息化管理初探［J］.地铁与轻轨，2003(5):26.

［2］金观涛，华国凡.控制论与科学方法论［M］.北京:新星出版社，2005.

［3］桑培东，肖立周，李春燕.BIM 在设计施工一体化中的应用［J］.施工技术，2012(41):25.

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

［5］北京北纬华元软件科技有限公司.用户成功故事——万科金色里程［EB/OL］.(2009-6-26)［2014-10-15］.http:∥blog.sina.com.cn/s/blog_4e7bb1020100drht.html.

［6］广州市地下铁道总公司.2014年1-2 类变更统计台账［R］.广州:广州市地下铁道总公司，2014.

［7］广州市地下铁道总公司.城市轨道交通建筑信息模型(BIM)技术应用前期研究调研报告［R］.广州:广州市地下铁道总公司，2014.

［8］广州市水电设备安装有限公司.广州地铁BIM 试点项目总结报告(一德路站)［R］.广州:广州市水电设备安装有限公司，2014.

［9］鲁班咨询.无锡地铁控制中心利用BIM 提升精细化管理水平［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)技术在城市轨道交通项目管理中的应用与探索［J］.城市轨道交通研究，2014(5):1.