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【地铁BIM】BIM技术在地铁车站结构设计中的应用研究

2017-6-11 22:30
来自: 铁道工程学报 收藏 分享 邀请

研究目的:BIM技术被誉为建筑业的第二次革命,是建筑业信息化和可持续发展的必然选择。本文针对我国BIM技术在地铁车站主要应用局限于结构建模、碰撞分析等方面的这一现状,探索BIM技术在地铁车站结构设计中的应用, ...

研究目的:BIM技术被誉为建筑业的第二次革命,是建筑业信息化和可持续发展的必然选择。本文针对我国BIM技术在地铁车站主要应用局限于结构建模、碰撞分析等方面的这一现状,探索BIM技术在地铁车站结构设计中的应用,将BIM技术应用推广到结构计算和工程量统计的过程中,为实现BIM技术在地铁车站的全生命周期的应用提供参考。
研究结论:
(1)建立了地铁车站标准段的BIM三维模型,通过Revitextensions将完善后的BIM模型导入Robot中,进行地铁车站的结构计算,实现了物理模型和分析模型之间工程信息的共享,体现了BIM核心价值;
(2)使用Revit生成了包含多种结构信息的墙的明细表,是解决规模建筑工程量统计困难的有效途径;
(3)本研究成果完善了BIM平台整体功能,能够为BIM技术在地铁车站结构设计中的应用提供指导作用。
1.引言 
BIM技术是以三维模型为载体的数据库,是模型和信息的共同体。BIM集成了建筑生命周期内各个阶段的工程信息,包括物理信息、几何信息、工程信息、造价信息以及制造装配信息等,支持政府机构、建设机构、设计机构、施工机构、运营机构、造价机构、项目管理机构等对项目信息进行调用、修改、存储等,实现建筑生命周期内各阶段以及所有参与方的工程信息共享。目前,BIM技术在地铁车站中的应用主要是结构建模、碰撞检查、4D施工模拟等,主要集中在地下交通站点工程,与地上建筑相比,BIM技术在地下结构中的应用尤为不足。
本文立足BIM模型平台,研究探索了地铁车站BIM模型与结构设计计算相结合的深度和方法。通过联合运用BIM模型平台和结构设计计算软件,探索实现了基于BIM模型的车站结构计算,并完成了工程量统计计算。研究结果表明,BIM模型平台能够较好的与结构设计相结合,运用本文探索的方法能够相对提高结构设计效率,完善BIM平台整体功能。 
2.BIM技术应用现状 
2.1BIM技术国外应用现状 
BIM技术在国外的研究起步比较早,应用比较成熟。BIM技术的应用起源于美国,2003年美国总务管理局推出了国家3D-4D-BIM计划,紧接着颁发了系列BIM使用指南[1]。美国斯坦福大学的建筑综合设施工程中心(CIFE)通过对使用BIM技术的32个工程项目进行研究,总结得出了使用BIM技术进行工程建设的一系列优势[2]。
据相关资料显示,在北美的建筑行业中有将近一半的建筑机构在使用BIM或与其相关的工具,且近两年呈快速增长的趋势。2009年,美国威斯康辛州和德克萨斯州均对州内政府投资的工程项目或者大型的公共建筑项目提出了必须采用BIM技术的要求。北欧一些发达国家,例如挪威、芬兰和德国等,BIM技术在工程项目中的实际应用达到了60%~70%,领先于其他发达国家。 
目前,国际上BIM技术应用已经成为设计和施工企业承接项目的必要能力,是建筑企业生存的必须技能。在国外,BIM技术不仅应用到建筑生命周期内各个阶段,而且正逐步取代建设项目传统的设计、建造和管理模式。 
2.2BIM技术国内应用现状 
国内,就BIM技术在地铁工程的应用而言,香港处于领先的位置,目前香港的82座地铁车站中,已有20多座实现了BIM建模,部分车站应用BIM技术实现了采光、烟雾、人流、能耗和碰撞检测等BIM更深层次的应用,不仅达到了工程概预算的要求,而且取得了良好的社会效果[3]。
中铁隆设计研究院在西安地铁五号线一期太乙路站和兴庆路站的设计过程中,创建了建筑、结构、综合管线模型,通过碰撞检测发现了500多处碰撞点并进行及时的沟通和修改,有效的提高了工程质量[4]。
天津地铁红旗南路站采用BIM技术进行管线综合设计,有效的解决了设备和管线的协调问题,缩短了设计周期,提高了设计质量,在设计阶段就为保障工程顺利施工创造了有利条件[5]。
上海地铁12号线曲阜站采用BIM进行管线碰撞检查、大型设备的安装以及后期维护路径设计研究,进行施工交底和施工模拟,有效的提高了工程质量[6]。
国内BIM技术一般应用于地标性、示范性、规模较大的建筑物,普及程度较低,而且仅局限于建筑物某一阶段或者某一方面的应用,涉及的面较窄,与国际存在较大差距。虽然BIM技术在地上建筑中的应用取得了一系列成就,但是在地下结构中的应用主要是结构建模、碰撞检查、4D施工模拟等某一方面,BIM平台整体功能在地下结构中的应用尤为不足。 
3.BIM技术优势 
BIM技术具有可视化(“所见即所得”)、协调性(可进行碰撞检测)、模拟性(可以模拟建筑模型及各种操作)、优化性(可以进行方案优化和特殊设计优化)、出图性(根据协调、模拟、优化后的模型帮助输出相关图纸)等基本特点。 
可视化,即“所见即为所得”的形式。3Dmax、Sketchup三维可视化展现不论用于前期方案推敲还是用于阶段性的效果图展现,与真正的设计方案之间都存在相当大的差距。大量的设计工作还是要基于传统CAD平台,使用平、立、剖等三视图的方式表达和展现自己的设计成果。现在有些建筑规模较大、形状怪异、造型复杂,仅仅依靠人脑基于二维图纸进行构想和设计显得异常困难,BIM技术通过设计工具和设计方式的提升实现“所见即所得”,使设计师能用三维思考方式来完成建筑设计,在很大程度上提高了设计质量。
协调性,建筑信息模型允许不同专业、不同设计者在同一个模型中添加、修改、存储不同的建筑信息,而且保持模型的实时更新和统一性。另一方面,BIM技术可以用于碰撞检查、4D动态模拟等实现建筑物不同阶段的模拟协调,预知施工阶段存在的场地冲突、管线碰撞等问题,在设计阶段就提前解决,减少因信息不共享造成的不同阶段常见的错漏碰缺问题。 
模拟性,BIM模型可以进行节能模拟、日照模拟、紧急疏散模拟等可持续设计,节约资源,减少污染,确保工程建设的安全;可以进行4D施工模拟,以确定合理的施工方案、施工进度以及工程建设所需设备材料供求时间表,进行数字化、精细化的工程建设;还可以进行5D模拟(基于3D模型的造价控制),能够方便快速地计算出设计变更对应的工程成本,快速生成工程预算,从而有效控制工程成本。
优化性,BIM技术可以进行项目方案优化,把项目设计和投资回报分析结合起来,能够实时计算出设计变化对投资回报的影响,通过不同方案的对比,为决策者提供最优方案;可以对特大项目的设计和施工进行优化,可以带来显著的工期和造价改进。 
出图性,BIM技术通过对虚拟的建筑模型进行三维可视化展示、协调、模拟、优化以后,可以帮助设计方和业主生成综合管线图、结构留洞图、施工图、碰撞检查侦错报告和建议改进方案等。图1和图2分别为根据BIM模型生成的某梁配筋三维效果图和截面配筋图。
  

图1某梁配筋三维效果图

图2根据BIM模型生成的梁截面配筋图

近年来,国内部分大城市建成了一些大型地下空间,但是在人性化设计、复杂结构设计、人防设计、节能和环保方面存在较多不合理的现象[7]。BIM技术具有可视化、协调性和模拟性等特点,在建筑领域的应用受到了业界的热切关注,BIM技术的研究和推广已经是不可阻挡的趋势,是解决大型地下结构在传统的设计、建造方法上诸多不足之处的必然选择。 
4.BIM技术在地铁车站结构设计中的应用研究 
本文以某地铁车站为例,应用BIM核心建模软件RevitStructure2012建立地铁车站标准段的BIM三维模型,通过支座检查、物理模型和分析模型的一致性检查完善BIM模型,并将完善的BIM模型导入BIM技术配套软件RobotStructureAnalysis2014软件进行结构内力分析。 
RevitStructure是Autodesk公司研发的BIM核心建模软件,具有参数化设计、系统分析计算、“一处修改,处处修改”、三维模拟检查碰撞以及协同工作等功能,大大提高了设计的准确性,提升了设计效率,降低了设计成本。RobotStructureAnalysis2014是专门为BIM计算设计的一款软件,能够通过强大的网格自动划分、非线性计算以及一套全面的设计规范帮助计算复杂的模型。 
4.1车站结构建模 
由于Revit软件本身携带的构件族较少,不能满足建模的需要,特别是涉及到特殊截面的梁、柱或墙。因此,首先创建需要的构件族;其次,选择针对中国用户定制的StructureAnalysis-DefaultCHNCHS.rte项目样板文件创建新的项目,使用创建的族文件和系统族文件创建车站站台区的3D模型,如图3所示,在使用结构族创建三维模型的过程中,Revit也创建了用于结构分析的三维分析模型,双击项目浏览器的分析模型可以进行查看,如图4所示;最后,根据地质条件设置边界约束以及定义荷载组合。 

图3车站3D模型

4.2结构分析 

图4车站三维分析模型

对地铁车站的BIM模型进行支座检查、物理/分析模型的一致性检查和碰撞检查完善BIM模型。使用Revitextensions将完善后的BIM模型发送到RobotStructureAnalysisProfessional,在发送过程中可以对模型进行基本和附加选项的设置,包含杆端释放、自重工况、材料、模型转换等,最后得到地铁车站Robot结构分析模型如图5所示。由于Robot和Revit具有很好的兼容性,在Revit中关于模型材质、荷载、荷载组合、支座、弹簧约束等的定义均能被Robot识别和使用,不需要重新进行设置,同时RobotStructure可以将分析结果反馈给Revit,实现结构信息的双向对接。 

图5地铁车站Robot结构分析模型

添加荷载与荷载组合,在Robot中分别定义荷载工况,添加恒荷载与活荷载,恒荷载包括结构和设备自重、地层压力、水压力以及浮力,活荷载包括地面车辆荷载以及产生的侧向力和人群荷载,得到荷载图分别如图6和图7所示。RobotStructure软件能够读取和使用Revit中关于荷载组合定义,同时也可以根据《建筑结构荷载规范》(GB5009—2012)自动进行荷载组合进行计算。 
进行结构分析设置,在“工程首选”对话框中设置分析和显示的一些参数,例如:单位格式、材料、设计规范、网格划分等。在分析下拉菜单中可以通过添加和删除方式设置分析类型,例如基本组合、标准组合、模态分析、地震分析、时程分析等,本文仅设置基本组合和标准组合两种分析。RobotStructure在对结构分析模型划分单元的同时,会对分析模型进行结构分析检查,根据检查结果对结构模型进行修改和调整,加以完善,最后进行结构计算。 

图6恒荷载图

图7活荷载图

结构分析过程完成后,可以进行分析结果的查看,以及计算文档的组织工作。在“结果”下拉菜单中可以通过彩图、杆件示意图和表格的方式查询结构的反力、位移、力、应力详细的分析等分析结果。本文通过计算得到了车站的内力和位移,车站的横向和纵向弯矩分别如图8和图9所示,由于篇幅的限制,剪力、轴力和变形的计算结果不一一列出。 

图8横向弯矩示意图

4.3生成明细表 
随着建筑业的快速发展,工程项目越来越复杂,工程量也越来越大,传统方式统计工程量已难以满足市场需要,而BIM建筑信息模型可以快速生成构件明细表,下面以杭州2号线双菱路站建立地车站站台区的BIM模型为例,介绍墙生成明细表的过程。新建明细表的界面如图10所示。 

图9纵向弯矩示意图

图10新建明细表的界面图(截图)

首先创建墙的明细表,在类别中选中墙,阶段选择新构造,单击确定,弹出明细表属性对话框,如图11所示。在对话框中可以进行字段、过滤、排序、格式和外观的设定。在字段对话框中选择创建墙的明细表中包含的名内容,如:体积、制造商、功能、合计、型号、宽度、成本、结构用途、结构说明、防火等级和面积等。 

图11明细表属性对话框(截图)

得到墙的明细表如图12所示。在明细表左上角可以进行属性、成组、解组、隐藏、在模型中高亮显示等设置。 
5.结论 

图12墙明细表(截图)

BIM技术在国外应用成熟,正逐步取代传统的设计、建造和管理模式;国内BIM技术应用尚处于起步阶段,尤其是在地下结构设计中的应用。本文以某地铁车站为例,成功的将BIM技术应用到地铁车站建模、结构计算以及工程量统计的过程中,证明了BIM技术的优势,完善了BIM平台整体功能,为今后BIM技术在地铁车站结构设计中的应用提供了一条可靠的技术路线,助力于实现BIM技术在地铁车站全生命周期的应用。 
参考文献: 
[1]美国总务管理局.GeneralServicesAdministration(GAS)3D-4DBIMProgram.[EB/OL]http://www.gsa.gov/portal/category/21062. 
[2]梁佐鹏.建筑信息模型在空间结构中的开发与利用[D].北京:北京建筑工程学院,2012. 
[3]王慧琛,李炎锋,赵雪锋,等.BIM技术在地下建筑建造中的应用研究[J].中国科技信息,2013(15):72-73.WangHuichen,LiYanfeng,ZhaoXuefeng,etc.
[4]中国BIM门户.中铁隆BIM技术助力西安地铁五号线设计[EB/OL].
[5]刘晓东,李春红.开发建筑多专业三维协同设计系统的研究[J].科技情报开发与经济,2006(19):159-161.701.
[6]中国BIM门户.BIM技术在上海地铁12号线中的应用[EB/OL].http://www.chinabim.com/school/cases/2014-05-08/6229.html. 
[7]柴家远.大型复杂地下空间总体设计研究[J].铁道工程学报,2012(7):77-81.
(作者:李坤中铁第四勘察设计院集团有限公司)

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