城市軌道交通BIM建模及交付標(biāo)準(zhǔn)研究

劉文超 劉 剛 楊艷學(xué)

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 城市軌道交通BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

軌道交通工程建設(shè)周期長、涉及專業(yè)多，在其整個生命周期中會產(chǎn)生大量的信息。在建筑領(lǐng)域，有著成熟的BIM建模應(yīng)用及交付標(biāo)準(zhǔn)，在城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)，尚缺乏統(tǒng)一的建模及交付整體解決方案[1]。

目前，上海，廣州，廈門，南京等城市的相關(guān)規(guī)劃、設(shè)計、施工單位，相繼出臺了各自的建模及交付技術(shù)要求，但沒有形成規(guī)范、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)計、施工、運維單位在模型應(yīng)用方面各自為政，聯(lián)動性、協(xié)調(diào)性差，在BIM模型的利用上形成中間“孤島”，信息無法共享[2]。

祝嘉提出了在城市軌道交通建設(shè)項目中應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)想[3]；王玉澤、冀程、徐博研究了BIM技術(shù)在軌道交通工程設(shè)計中的應(yīng)用[1，4-5]；辛佐先、施平望、張波等對城市軌道交通項目BIM的應(yīng)用模式和實施體系進(jìn)行了研究[6-8]；賴華輝、陳安惠、畢湘利等對城市軌道交通運維交付及設(shè)施設(shè)備分類編碼進(jìn)行了相關(guān)分析[2，9-10]。但是對于建模階段如何進(jìn)行構(gòu)件拆分、線性工程的模型命名、不同專業(yè)的BIM協(xié)同配合、交付物和交付形式等缺乏系統(tǒng)研究，造成城市軌道交通BIM建模及交付全過程的碎片化。

2 城市軌道交通BIM建模標(biāo)準(zhǔn)

2.1 建模軟件選擇

主要應(yīng)用對象包括區(qū)間線路、隧道、高架、車站、停車場等。城市軌道交通涉及不同的專業(yè)領(lǐng)域，既是線性工程又包括車站等單體建筑。因此，在城市軌道交通建模軟件選擇上，應(yīng)針對不同的專業(yè)和對象，利用優(yōu)勢軟件進(jìn)行BIM建模，不同BIM建模軟件特點[11]見表1。

表1 BIM建模軟件對比

2.2 BIM建模標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合多地城市軌道交通BIM建模及應(yīng)用經(jīng)驗，建議從專業(yè)拆分、命名規(guī)則、建模協(xié)同、模型扣減、管線綜合等五個方面，對BIM建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化。

(1)專業(yè)拆分

根據(jù)不同建模平臺的軟硬件處理能力、項目復(fù)雜程度和體量，對模型進(jìn)行相應(yīng)拆分。模型拆分的目的是提高工作效率，達(dá)到最大的協(xié)同工作效果。

城市軌道交通項目線路長，專業(yè)復(fù)雜，對于整條線路來說，可分為地形地質(zhì)、區(qū)間、市政、單體建筑(包含車站、停車場、車輛段)四部分，區(qū)間包括隧道區(qū)間、高架區(qū)間；單體建筑部分可按照子項范圍、位置、專業(yè)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)進(jìn)行模型拆分[12]，專業(yè)模型拆分見表2。最后，將各拆分模型按需求合并，以此提高建模效率。

模型拆分原則如下：

①合理控制模型文件大小，符合計算機硬件性能；

②按照線路工點標(biāo)段拆分；

③單體建筑模型按專業(yè)拆分；

④機電模型按系統(tǒng)功能拆分；

⑤市政、地形地質(zhì)、周邊建筑單獨建模。

(2)命名規(guī)則

城市軌道交通BIM命名應(yīng)包括BIM文檔組織、模型文件、模型構(gòu)件、模型顏色規(guī)定等。文檔命名：原則上需包含BIM建模原始文件、模型過程文件、成果文件的整理存儲；模型文件命名：應(yīng)準(zhǔn)確描述模型所屬線路、設(shè)計階段、歸屬標(biāo)段、名稱、所屬專業(yè)、版本等信息，如M02-CS-04-YJQ-JG-20180302表示地鐵2號線-初步設(shè)計階段-04標(biāo)段-易家橋站-結(jié)構(gòu)專業(yè)-模型更新日期。

表2 專業(yè)模型拆分

模型構(gòu)件的命名由其幾何、非幾何信息組成，構(gòu)件命名原則為：在明確構(gòu)件幾何尺寸的同時添加相應(yīng)模型信息，如材質(zhì)、設(shè)備參數(shù)、安裝方式等，既方便于施工階段的工程量統(tǒng)計，也可用于運營階段直接讀取設(shè)備維修參數(shù)。

模型顏色命名確定了模型的視覺表現(xiàn)形式。原則上，建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)以真實材質(zhì)顏色為宜，水暖電專業(yè)的模型命名以軌道交通設(shè)計CAD圖層命名為基礎(chǔ)，各類管線顏色以二維CAD設(shè)計顏色為主，并結(jié)合管線模型需求進(jìn)行細(xì)化和調(diào)整。

(3)建模協(xié)同

不同的軟件平臺有著不同的協(xié)同工作方式，其目的基本一致，即多個用戶同時針對同一項目進(jìn)行BIM建模，而不同建模軟件的模型成果，可轉(zhuǎn)換成兼容格式，通過鏈接方式整合至完整項目中，車站建模協(xié)同流程見圖1。

圖1 車站建模協(xié)同流程

BIM建模涉及不同的專業(yè)以及不同標(biāo)段之間的協(xié)作。在BIM設(shè)計的準(zhǔn)備階段，應(yīng)建立一致的基準(zhǔn)坐標(biāo)點，確保各專業(yè)模型位置準(zhǔn)確，便于項目協(xié)作[12]。

以Revit為例說明建模協(xié)同過程：模型基準(zhǔn)的設(shè)置取決于Revit中項目基準(zhǔn)點參數(shù)的設(shè)置。項目基點用于確定模型所在局部坐標(biāo)系的絕對位置，也是模型與其他建筑物相對位置的坐標(biāo)參照。

項目基點設(shè)置原則：

①在項目實施過程中，項目基準(zhǔn)點宜設(shè)置在軸網(wǎng)A-1軸交點處；各專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計時，項目基點不得更改。

②項目基點坐標(biāo)從規(guī)劃設(shè)計總圖中獲取。

③專業(yè)間協(xié)同設(shè)計采用同一軸網(wǎng)，建筑專業(yè)與水電相關(guān)專業(yè)采用同一高程。

(4)模型扣減

建筑結(jié)構(gòu)模型的扣減對象為結(jié)構(gòu)梁、板、柱等構(gòu)件，扣減后模型示例見圖2。模型扣減規(guī)則提高了BIM模型的應(yīng)用價值。結(jié)構(gòu)扣減大致規(guī)則[13]如下：

①同種類構(gòu)件不重疊；

②混凝土等級不同的構(gòu)件不重疊，混凝土等級高的構(gòu)件扣減等級低的構(gòu)件；

③結(jié)構(gòu)構(gòu)件扣減建筑構(gòu)件。

圖2 某地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)模型

(5)管線綜合

地鐵車站管線綜合示例見圖3，BIM管線綜合的基本原則如下。

①滿足管線排布相應(yīng)規(guī)范要求： BIM管線綜合需符合相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計要求，同時滿足車站空間的要求。

②建筑空間合理利用：地鐵車站人流量大，管線排布應(yīng)該在滿足使用功能、路徑合理、方便施工的原則下盡可能集中布置。

③滿足施工及檢修要求：管線綜合應(yīng)充分考慮施工操作空間及運維設(shè)備等的檢修要求，合理確定管道、線路、閥門、開關(guān)等的位置和距離。

圖3 某地鐵車站管線綜合模型

3 城市軌道交通BIM交付標(biāo)準(zhǔn)

3.1 模型構(gòu)件編碼標(biāo)準(zhǔn)

通過BIM模型構(gòu)件與各系統(tǒng)信息的集成，可實現(xiàn)模型構(gòu)件信息與城市軌道交通運維信息的整合，進(jìn)而打通BIM在城市軌道交通全生命周期的應(yīng)用。在BIM全生命周期的各個應(yīng)用階段，數(shù)據(jù)的分類及BIM模型編碼有所不同，在企業(yè)管理、工程建設(shè)、運營維護(hù)領(lǐng)域也有不同的編碼體系。

其中，企業(yè)管理領(lǐng)域的編碼信息主要為概算、合同、供應(yīng)商、檔案分類、資產(chǎn)；在工程建設(shè)領(lǐng)域，主要為與設(shè)計施工相關(guān)的模型構(gòu)件編碼。運維領(lǐng)域涉及的BIM模型主要與設(shè)備資產(chǎn)相關(guān)，包含設(shè)備位置、設(shè)備型號、資產(chǎn)編碼等(編碼結(jié)構(gòu)見表3)[10]。

城市軌道交通模型構(gòu)件編碼內(nèi)容應(yīng)包括：線路、公共位置、專業(yè)、系統(tǒng)等基本要素。

為達(dá)到城市軌道交通BIM交付中模型信息部分的共享與兼容，統(tǒng)一的構(gòu)件編碼尤為重要，其中編碼內(nèi)容、位數(shù)、取值范圍、編碼定義等應(yīng)形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

表3 編碼結(jié)構(gòu)

3.2 BIM模型交付數(shù)據(jù)格式

傳統(tǒng)BIM模型交付通常采用模型的原文件格式及其輕量化的瀏覽文件。

表4 建模平臺交付格式

由此可見，各BIM平臺都有各自獨立的交付及輕量化格式，由此造成各自模型及信息不能互相利用。因此，需要建立一種統(tǒng)一的BIM模型交付格式來整合各類BIM建模軟件。

模型交付應(yīng)保證幾何信息、模型信息的完整性，滿足BIM模型的輕量化應(yīng)用。目前，尚無城市軌道交通統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。國際公認(rèn)的開放共享標(biāo)準(zhǔn)IFC (Industry Foundation Classes)[14]采用EXPRESS語言和定義，適用于Autodesk、Bentley、Dassault等BIM軟件解決方案。建議城市軌道交通BIM數(shù)據(jù)交付采用IFC標(biāo)準(zhǔn)。

在領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺?、核心層、資源層這四個層級關(guān)系中，資源層囊括了最為具體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可提供給下層使用，下層則根據(jù)不同專業(yè)進(jìn)行分類、提取、重組、使用，城市軌道交通IFC架構(gòu)見圖4。

圖4 IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

3.3 模型交付

模型交付應(yīng)與設(shè)計階段相匹配。各設(shè)計階段BIM模型精度等級要求不同。在建筑領(lǐng)域，定義了用于BIM模型交付的LOD(Level of Development)標(biāo)準(zhǔn)，其LOD概念來源于三維動畫領(lǐng)域的精細(xì)程度(即模型細(xì)致程度)，在BIM領(lǐng)域，LOD轉(zhuǎn)變成模型發(fā)展等級的含義，即從設(shè)計到施工、運維的模型等級。在城市軌道交通領(lǐng)域，結(jié)合設(shè)計過程及習(xí)慣，制定了LOD100-400等級。

LOD100等同于方案設(shè)計。LOD200等同于初步設(shè)計，可進(jìn)行各專業(yè)模型的可視化展示。LOD300等同于施工圖設(shè)計，此模型可滿足成本估算以及施工過程應(yīng)用，包括碰撞檢測、進(jìn)度模擬以及可視化交底；此外，模型應(yīng)包含構(gòu)件的幾何屬性信息和非幾何參數(shù)信息。LOD400為竣工模型，在此階段，模型應(yīng)滿足軌道交通運維管理的最低要求[15]，BIM建模精度等級及要求見表5。應(yīng)依據(jù)城市軌道交通特點，保證模型的完整性，滿足相應(yīng)階段LOD的深度要求；既而保證模型的規(guī)范性。模型應(yīng)包含正確的構(gòu)件信息并與設(shè)計圖紙吻合。在施工圖深化階段，保證模型扣減、管線綜合符合相應(yīng)施工規(guī)范要求。另外，在模型組裝中應(yīng)設(shè)定各自原點坐標(biāo)，以保證車站、區(qū)間等與設(shè)計總圖的坐標(biāo)一致性。

BIM交付物基本以可編輯模型文件、輕量化瀏覽模型為主，還包括各類方案模擬視頻文件，如設(shè)計方案、管線改遷、交通導(dǎo)改方案等，也包括重要節(jié)點的三維渲染圖、工程量統(tǒng)計等內(nèi)容。

表5 BIM建模精度等級

4 總結(jié)

通過對城市軌道交通領(lǐng)域BIM建模及交付標(biāo)準(zhǔn)的研究，對比主流建模軟件平臺的特點，選取符合軌道交通領(lǐng)域的BIM建模軟件平臺。通過對軌道交通專業(yè)建模流程、規(guī)則、方法的闡述，建立起基于統(tǒng)一的建模軟件平臺、統(tǒng)一的建模規(guī)則及統(tǒng)一編碼的軌道交通規(guī)范化BIM模型，保證了模型的質(zhì)量統(tǒng)一、表達(dá)統(tǒng)一、構(gòu)件精度統(tǒng)一、模型信息統(tǒng)一。