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BIM技术在城市轨道交通的应用
摘要：阐述了城市轨道交通工程特点和BIM技术应用潜力，介绍现阶段我国城市轨道交通工程设计阶段的BIM实践情况，探讨了城市轨道交通工程设计阶段应用BIM技术的阻碍和发展建议，为促进BIM技术在城市轨道交通工程设计阶段的深入应用提供参考。
关键词：BIM技术；城市轨道交通工程；应用阻碍；发展建议
城市轨道交通由于具有独特的交通优势和对有限城市空间的极大利用，在城市发展过程中得到了极大的应用。城市轨道交通种类繁多，包括城市铁路、地铁、轻轨等城市公用事业工程，是一个涉及诸多专业的综合性工程。采用传统技术理念进行城市轨道交通工程设计时，由于各专业信息沟通不对称等因素在具体实施中存在诸多矛盾和难题，比如综合统筹与计划实施能力差。城市轨道交通工程中各专业主体单位基于自身利益的考量，常常会出现协调不到位或者实施方案彼此间相互矛盾的情况，导致工期延误、增加投资成本、降低工程质量等弊端。为了保证城市轨道交通工程的有效实施、降低项目风险、控制投资，并配合政府部门推动城市建设，亟需采用新的举措或技术来对现阶段的生产方式进行革命性变革。BIM技术的出现为城市轨道交通工程的发展提供了巨大推力。BIM是一个集成了全生命周期中不同专业数据的信息模型，提供了一个可以供不同参与方进行协同使用的平台。通过BIM平台，在设计阶段项目各参与方可以实现信息的无缝交换与共享，解决传统信息传递的不一致和缺失等问题，使得工程项目的管控更为完整精确，特别是解决城市轨道交通工程这类复杂项目[1]。一些设计单位、施工单位等已经积极尝试应用BIM技术来进行设计、施工和运维等工作[2,3]。上海城市轨道交通项目率先引入BIM技术，12号线、13号线、14号线和17号线等都采用了BIM技术，北京城市轨道交通7号线、长沙城市轨道交通2号线、厦门城市轨道交通1号线、无锡城市轨道交通1号线都采用BIM技术进行了不同程度的尝试，提升了项目建设水平和质量[4,5]。不同于工业民用建筑，城市轨道交通工程具有自身的特点，影响了BIM技术在城市轨道交通工程领域应用的广度和深度。目前BIM技术在城市轨道交通工程设计阶段的应用还存在诸多难题和阻碍。本文阐述了城市轨道交通工程的特点和BIM应用潜力，对城市轨道交通工程设计阶段的BIM实践情况进行了梳理，探讨了该阶段BIM技术的应用阻碍和发展建议，为在城市轨道交通工程设计阶段更好地应用BIM技术提供参考。
1城市轨道交通工程特点及BIM应用潜力
1.1城市轨道交通工程特点城市轨道交通工程由于自身的功能定位，具有不同于工业和民用建筑的特点：(1)属于政府投资的公共服务型项目，是基于政府责任和义务为居民提供有偿或无偿公共产品；(2)项目参与方较多，复杂程度高，并且业主、监理、总包商、材料供应商等参与方存在一定波动性；(3)项目投资数额较大，涉及的利益方较多；(4)项目投资收益周期较长，需要在工程使用过程中突显投资效益；(5)项目影响面较广，受外界环境影响因素较大；(6)随着整个建筑市场的快速发展，城市轨道交通工程规模和范围越来越大，复杂程度越来越高，管理方式日趋精益化。1.2城市轨道交通工程BIM应用潜力BIM技术作为建筑行业的一项革命性技术，其理念已经深入到建筑行业的各单位[6]。城市轨道交通工程由于自身的特点，也存在着诸多动力推动BIM技术的应用与发展。(1)建筑行业转型升级的必然性。随着科学技术的发展，BIM等新技术冲击着传统的建筑行业运行模式，促进建筑产业升级。城市轨道交通工程作为建筑行业的一部分，也将从过去的粗放式管理模式向精细化管理模式转变，保证这一转变顺利实施的利器便是BIM。(2)市场竞争力驱动。无论是政府监管部门还是业主单位，现在都在积极提倡使用BIM技术来实现。发达国家已经将BIM技术应用到城市轨道交通工程较高层次，我国的城市轨道交通工程相关参与方也意识到BIM的优势与重要性[7]。为了在市场竞争中保证优势地位，亟需采用BIM技术来提升自身竞争力。失去了BIM技术的支持就难以占据行业制高点，不能拥有市场分配的话语权，在未来利益分配中将处于被动地位。(3)开展国际合作与EPC模式的需求。BIM是实现不同专业软件共同交流的统一平台，可以有效减小不同语言、不同专业之间的信息交流成本，特别是现在越来越多的国际工程，使用BIM技术能简化各专业信息传递损耗，减小重复工作。现在一些大型企业正在积极推进设计施工一体化的EPC总承包模式，而BIM技术的全生命周期理念，能够实现设计行业业务向施工领域的延伸。(4)城市轨道交通工程自身需求的提高。随着经济社会发展，城市轨道交通工程体量变大、投资更高、专业复杂程度更大，出现了越来越多的异形、复杂建筑物和构筑物，使得采用传统的二维设计工具显得力不从心，而BIM技术的可视化、参数化等特性则能很好地克服这一障碍。(5)高度集成的优势。城市轨道工程涵盖了设计、施工、后期运营阶段，三者无法完全割裂。但是采用传统的建筑业运行模式，则往往会出现信息孤岛现象，无法体现全生命周期的理念。而BIM集成了整个生命周期各专业信息，并具有强大的分析与模拟功能。可以通过预先的施工模拟发现原始方案的不足，将问题解决在施工开始之前，大大提高了施工效率，减小损失。
2城市轨道交通工程设计阶段BIM实践
BIM技术的应用横跨项目全生命周期，针对城市轨道交通工程在设计阶段的工程应用进行梳理，设计阶段可以进一步细分为总体设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。2.1总体设计阶段总体设计阶段主要用于解决总体规划方案比选问题，基于不同设计方案创建BIM模型，并赋予BIM模型项目周边环境模型，借助于BIM模型的可视化功能直观展现各个方案效果，比较分析各自优缺点，从而协助设计进行方案对比、整体优化及最终方案确定。图1和图2给出了两种某城市轨道交通出站口附近总体规划方案。通过此效果图可以直观地看出出站口设置和周边交通、建筑的融合情况，从而为决策者确定方案提供便利。2.2初步设计阶段初步设计阶段主要应用点包括管线改迁和道路翻交、场地现状模拟。图3给出了某城市轨道交通附近道路翻交和管线改迁仿真示意图，将规划线路及站台与周边建筑、地形、市政设施进行综合协调，统计管线搬迁工作量，预先控制了风险，提高了项目协调效率，获得了明显的效益。某城市轨道交通路段区间三维设计图(图4)，不仅进行了区间环境模拟，建立了区间盾构模型，还建立了地层的信息模型，为后续施工监管提供技术铺垫。2.3施工图设计阶段施工图设计阶段BIM应用点包括管线综合与碰撞检查、工程量校验、装修效果仿真和大型设备运输路径检查。城市轨道交通工程常会涉及复杂的管线，但BIM技术为处理复杂管线综合问题提供了捷径。基于精细化BIM模型，进行管线综合与碰撞检查，及时发现管线与结构构件之间的碰撞、各专业的管线碰撞等问题，根据碰撞检查结果进行分析并生成协调数据，反馈给各专业进行相应的修改，避免了各专业图纸之间的不协调问题，解决设计图纸中可能存在的“错漏碰缺”，优化设计图纸质量，避免后期的设计变更及施工返工。图5给出了某城市轨道交通站三维管线综合示意图。在以前的施工运维过程中，经常会出现由于设计不合理，导致大型设备检修，运送出现设备无法运出，或设备空间不能满足检修需要的情况。现在通过BIM技术，我们前期在设计阶段就进行了三维空间大型设备的运送检修路径模拟，避免了设计不合理导致的后续问题。图6给出了大型设备运输路径检查示意图。在施工图设计阶段，赋予模型对象材质信息、颜色信息以及光源信息，进行装修效果模拟，达到所见即所得的目的，通过漫游动画，使决策者和设计人员置身其中，对于优化设计方案，呈现设计效果，稳定装修方案，有很大作用。图7给出了装修方案BIM模型示意图。
3城市轨道交通工程设计阶段BIM应用阻碍与发展建议
3.1应用阻碍虽然BIM技术在城市轨道交通工程设计阶段中已经取得了部分成果，但是距离全面深化应用的目标还存在较大距离，在工程实践中也暴露了一些问题，阻碍了BIM技术的进一步发展和应用。面临的应用阻碍总结如下。(1)BIM技术本身的不完善。目前行业主流的BIM技术都来自国外，和本土规范政策之间还难以完全吻合；各设计软件之间的兼容性、交互性不强，进行二次开发对员工的素质要求较高。城市轨道交通行业BIM应用起步较晚，建模时很多材料、材质需要定义。(2)设计人员传统认知问题。城市轨道交通工程领域目前仍然习惯传统作业方式，设计人员习惯于传统的二维设计，主要依靠历史经验，缺乏全生命周期的理念，这些惯性思维导致从业人员一时难以转变思维，对于BIM新技术的特点和优势认识不足，缺乏内生动力，难以形成标准化工作流程。(3)人才培养体系欠缺。目前高校培养适应社会需求的BIM专业人才力量有限，企业内部也主要依靠一些讲座或者短期培训来提升员工的BIM技能，难以适应BIM技术的快速发展需求。城市轨道交通工程是一个涉及专业较多、复杂较高的领域，员工应用BIM技术需要有较强的理论知识和实践操作能力，亟需完善BIM人才培养体系。(4)企业自身BIM收益模式不确定。现阶段很多业主或者设计单位在城市轨道交通工程中采用BIM技术还是处于探索阶段，还未能制定适应企业自身的应用策略和标准。在探索阶段，需要耗费大量的人力、物力，并且难以实现良好的收益，很多项目都是示范性工程，零收益甚至负收益。企业难以形成自发动力去深入学习BIM技术。(5)受政策影响较大，未能激发市场活力。政府在BIM技术的推广中起到主导力量，比如上海、北京这些发达城市，对BIM技术的政策要求比较高，所以这些地区的BIM技术应用发展比较大。但是较多的欠发达城市很少进行BIM实践。市场活力难以激发，导致很多企业在城市轨道交通工程中应用BIM技术更多是遵守“规定”，未能发挥自主性，减少了创造力。3.2发展建议BIM技术的应用涉及到诸多参与方，针对上述存在的阻碍，各参与方应该加强沟通交流，打破相互间技术封锁，相互配合、共同促进BIM技术发展，具体来说有如下几方面。(1)对于设计单位，需要重视BIM在协同设计中的价值，建立企业内部数据库，完善BIM标准化工作流程，加强对BIM人才的引导和培养，结合企业自身的发展目标逐步探索出合适的BIM应用路线，实现短期投入与长期利益的平衡。(2)对于政府单位，除了发挥监管职能外，重在加强对BIM应用的引导和激励，牵头推动BIM应用标准体系的建立，完善BIM在设计阶段应用的政策法规，出台对鼓励BIM应用的激励奖励措施，将企业被动地应用BIM化为主动应用。(3)其他方面，软件服务商需要做好国外软件本土化，积极做好二次开发，努力开展具有自主知识产权的本土软件；教育科研单位应加强BIM应用基础理论研究，为各方应用BIM提供技术支撑，结合市场需求现状，加大对BIM专业人才的引导和培养。
4结语
BIM理念已经逐步深入到城市轨道交通工程相关单位，BIM技术促使城市轨道交通工程行业发生深刻变革。企业通过不断的BIM实践，建立适应自身发展的BIM体系，可以提高企业管理水平和盈利水平，有助于提升自身的核心竞争力，提升企业形象，从而在市场利益分配中占据优势。政府通过对不同企业提供的BIM数据进行整合，从而更加精确地了解整个城市的建造、运营状况，能够通过对历史数据的挖掘分析，为后续的城市规划设计提供参考依据。采用BIM技术能够实现资源的最大化利用，减小人力、材料的浪费，减小对周围环境的负面影响，促进社会的可持续发展。目前在城市轨道交通工程中应用BIM技术已经取得了初步成效，但是还应认识到现阶段BIM技术在城市轨道交通工程设计阶段的应用还处于初级极端，还存在诸多阻碍。不同参与方在BIM应用中发挥不同的价值，在推动BIM应用方面各方应加强联动、协同发展，逐步消除面临的一系列阻碍因素，探索出适应我国国情的城市轨道交通设计阶段BIM发展道路。
参考文献：
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作者：刘纯净 单位：上海建科工程咨询有限公司