城市軌道交通綜合管線設(shè)計(jì)體系的轉(zhuǎn)變與更新

馮世杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院，天津 300142)

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，建筑師通過平面的設(shè)計(jì)圖紙來表達(dá)空間的建筑物，并最終營建出不同功能的建筑空間。隨著人類生活方式的不斷變化，建筑功能空間的愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已越來越不能擔(dān)當(dāng)現(xiàn)代建筑的營造理念，特別是一些特殊建筑型制，已到了設(shè)計(jì)方法必須突破的境地。

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，大量人口向城市集中，大、中城市交通擁堵問題日益嚴(yán)重，發(fā)展大運(yùn)力的公共交通——城市軌道交通，已成為解決這一矛盾的必然措施。城市軌道交通車站建筑多設(shè)于地下，其建筑屬性必然有別于普通的地面建筑，為了維持宜人(亦或是基本)的采光、通風(fēng)環(huán)境，該類建筑將比普通的地面建筑增加更多的設(shè)備管線，而這一建筑特征也必將成為該類建筑需要解決的主要設(shè)計(jì)矛盾之一［1］。于是，綜合管線設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。通過對城市軌道交通建筑綜合管線設(shè)計(jì)體系的分析與探討，為三維協(xié)同技術(shù)在我國建筑行業(yè)的推廣與發(fā)展，提供一定的理論支撐。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性

(1)二維設(shè)計(jì)手段的局限性

目前，國內(nèi)城市軌道交通車站建筑設(shè)計(jì)遠(yuǎn)未達(dá)到“精細(xì)化”的程度，尤其是綜合管線設(shè)計(jì)。綜合管線圖是各專業(yè)管線設(shè)計(jì)過程的匯總，是設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的體現(xiàn)，地下車站的管線綜合就是將各專業(yè)管線在極其有限的空間內(nèi)協(xié)調(diào)、有序的進(jìn)行排布，其目的是對有限空間進(jìn)行充分的、合理、有效的使用，并以此指導(dǎo)施工安裝及運(yùn)營維護(hù)［2］。國內(nèi)設(shè)計(jì)單位一般采用平面二維的設(shè)計(jì)手段，來完成空間三維的綜合管線設(shè)計(jì)工作，通過人為主觀判斷管線的走向、高程，來發(fā)現(xiàn)各專業(yè)管線的沖突，然后再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這樣的設(shè)計(jì)過程必然造成巨大的反復(fù)工作量，而且隨著設(shè)計(jì)者個(gè)體設(shè)計(jì)水平、經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心的不同，設(shè)計(jì)成果也將產(chǎn)生較大的差異，很難精確控制。

在某城市地鐵施工過程中，曾出現(xiàn)許多在土建墻體和樓板上預(yù)留的孔洞，未能和設(shè)備管線對應(yīng)的情況，最終造成大量返工。雖然責(zé)任未必全在設(shè)計(jì)者，但也充分暴露出管線設(shè)計(jì)的無序及設(shè)計(jì)成果的不可控性，這種由于管線設(shè)計(jì)造成的質(zhì)量問題，隨著建設(shè)規(guī)模的增加而不斷放大，已越來越引起設(shè)計(jì)師的重視。由此可見，軌道交通管線綜合這樣三維的設(shè)計(jì)問題，必須突破傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)手段，尋求三維的設(shè)計(jì)方法加以解決。

(2)設(shè)計(jì)工作流程的局限性

軌道交通車站建筑綜合管線設(shè)計(jì)需要環(huán)控、給排水及水消防、通信、信號、FAS、BAS、動照、變電等十余個(gè)設(shè)備專業(yè)參與，形成了復(fù)雜而繁瑣的管線系統(tǒng)。在國內(nèi)軌道交通設(shè)計(jì)市場內(nèi)，因各設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)習(xí)慣不同，綜合管線設(shè)計(jì)過程也不盡相同。一類是:各專業(yè)根據(jù)管線多少和復(fù)雜程度依次在建筑底圖上進(jìn)行管線綜合設(shè)計(jì)，過程中管線綜合專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，最終成果發(fā)還各專業(yè)指導(dǎo)其管線設(shè)計(jì);另一類是:采用各專業(yè)分別獨(dú)立的進(jìn)行管線設(shè)計(jì)，然后全部匯總給管線綜合專業(yè)進(jìn)行管線綜合工作，過程中根據(jù)管線沖突情況，由管線綜合專業(yè)進(jìn)行管線調(diào)整，最終成果同樣發(fā)還各專業(yè)指導(dǎo)其管線設(shè)計(jì)。

這兩類設(shè)計(jì)流程均采用各專業(yè)獨(dú)自進(jìn)行本專業(yè)管線設(shè)計(jì)，然后依次或同時(shí)匯總于管線綜合圖，找到管線沖突并進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)流程將造成大量的反復(fù)工作。雖然隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的增加，各專業(yè)可在設(shè)計(jì)之初達(dá)成相應(yīng)的約定和規(guī)則，但設(shè)計(jì)過程中仍很難有效進(jìn)行控制，往往在最終成果匯總后，才能發(fā)現(xiàn)大量的管線沖突。管線綜合平面示意見圖1。

圖1 管線綜合平面

2 設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變

三維協(xié)同技術(shù)自進(jìn)入我國后，首先受到設(shè)計(jì)領(lǐng)域的了解和認(rèn)知，隨著BIM系統(tǒng)(建筑信息模型)的誕生，三維技術(shù)在國內(nèi)也得到了更加廣泛地關(guān)注。三維協(xié)同設(shè)計(jì)、施工以及延伸至建筑全壽命周期的BIM系統(tǒng)，必將在我國建筑行業(yè)中產(chǎn)生巨大的影響和現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)已經(jīng)有部分管道設(shè)計(jì)行業(yè)(如石油化工、污水處理等)率先嘗試采用三維專業(yè)軟件進(jìn)行管線設(shè)計(jì)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。見圖2。

圖2 某行業(yè)生產(chǎn)管線三維圖

國外同行業(yè)較早引入三維設(shè)計(jì)理念進(jìn)行綜合管線設(shè)計(jì)，除較二維設(shè)計(jì)更直觀可視外，其重要的原因是其與國內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)服務(wù)范圍的不同。在一般情況下，國外設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)僅進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而各專業(yè)管線設(shè)計(jì)(包括綜合管線設(shè)計(jì))則由施工安裝單位完成，施工單位采用三維設(shè)計(jì)方法詳細(xì)確定各種管線的最終位置和走向，并據(jù)此統(tǒng)計(jì)出其最終材料用量，直接按照三維圖實(shí)施加工、安裝。也就是說，管線設(shè)計(jì)與最終施工成果是完全一致的。

三維設(shè)計(jì)在管線綜合中具有較直觀的界面，并可以通過“碰撞”檢測等數(shù)字協(xié)同功能自動暴露管線沖突，排除人為因素對設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率的影響，同時(shí)，其成果的展示功能也提升了服務(wù)水平。如果我們把由計(jì)算機(jī)二維繪圖代替手工繪圖作為一次設(shè)計(jì)手段的革命性飛躍的話，那么從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到三維設(shè)計(jì)則不僅僅是設(shè)計(jì)手段的調(diào)整，而是一次設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變和更新。

3 城市軌道交通綜合管線存在的主要矛盾

(1)設(shè)備區(qū)管線布置過于集中

城市軌道交通地下車站中，服務(wù)于乘客使用空間的設(shè)備房間布置方案，受各系統(tǒng)專業(yè)需求的變化和周圍環(huán)境條件的限制，而具有較多的可變性。因此，也使得管線總體布局不夠系統(tǒng)，功能分區(qū)無從固定，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備房間集中區(qū)的綜合管線布置極度困難。試想在局促、狹窄空間內(nèi)，安裝數(shù)十根風(fēng)管、電纜橋架和水管等管線，使得局部范圍內(nèi)的各種管線布置密集而又相互重疊，根本無法滿足管線敷設(shè)的基本空間要求，不但施工安裝和設(shè)備調(diào)試異常困難，而且?guī)缀鯖]有任何檢修維修空間，導(dǎo)致運(yùn)營后一旦發(fā)生管線故障，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力進(jìn)行大范圍的管線拆卸和恢復(fù)。

(2)管線設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)脫節(jié)

城市軌道交通地下車站施工周期比同等規(guī)模地面建筑長3～4倍，為使固定資產(chǎn)投資合理、有序，設(shè)備系統(tǒng)招投標(biāo)和采購也往往晚于建筑設(shè)計(jì)和施工。因此，在建筑設(shè)計(jì)階段，設(shè)備專業(yè)的設(shè)計(jì)一般深度不足，設(shè)備管線的規(guī)格、尺寸也不夠精確，這將直接導(dǎo)致設(shè)備專業(yè)很難向建筑專業(yè)提出準(zhǔn)確的管線使用空間要求。當(dāng)車站管線設(shè)計(jì)成果穩(wěn)定后，建筑設(shè)計(jì)早已完成，甚至車站建筑施工已基本完畢，這時(shí)往往會出現(xiàn)建筑預(yù)留孔洞與管線專業(yè)設(shè)計(jì)不能完全對應(yīng)的情況，雖然后期可通過犧牲一定功能而對管線進(jìn)行調(diào)整的方法來進(jìn)行彌補(bǔ)，但終究不能完全保證不出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的鑿除和孔洞填補(bǔ)的情況發(fā)生，這將大大影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度，甚至?xí)o車站的運(yùn)營使用帶來一定的隱患。

(3)車站內(nèi)有水管線設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一規(guī)定

城市軌道交通地下車站內(nèi)有水管線包括:冷凍水管、冷卻水管、給水管、排水管、消防水管及廢水管等，其使用性質(zhì)基本相同，技術(shù)要求也基本一致。但由于對其缺乏統(tǒng)一的規(guī)定，不同設(shè)計(jì)者采用不同功能有水管線分散敷設(shè)的方式，自行選擇路徑，結(jié)果造成同類管線之間路徑不同、距離過大，浪費(fèi)了許多寶貴的地下空間，也給將來的管線維修造成極大的麻煩。

(4)電力電纜橋架設(shè)計(jì)缺乏有效整合

城市軌道交通地下車站內(nèi)電力電纜包括:弱電的通信、信號、FAS、BAS，強(qiáng)電的電力照明、供電、變電等專業(yè)，這些專業(yè)均需要在車站吊頂內(nèi)敷設(shè)電纜橋架。由于專業(yè)系統(tǒng)間各自為政，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和對空間的合理分配，吊頂內(nèi)安裝的所有電纜橋架與其他管線、吊頂龍骨等構(gòu)件重疊無序，導(dǎo)致其檢修、維修空間被強(qiáng)行占用，極大地影響了后期的運(yùn)營和維護(hù)。

4 城市軌道交通綜合管線采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

(1)工作流程的轉(zhuǎn)變

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)城市軌道交通地下車站綜合管線設(shè)計(jì)，一般采用各專業(yè)獨(dú)自設(shè)計(jì)然后匯總的流程(即傳統(tǒng)工作流程)，而采用專用服務(wù)器使各專業(yè)同步設(shè)計(jì)、隨時(shí)匯總的協(xié)同工作流程，則大多還處于試用和研究階段。隨著目前計(jì)算機(jī)硬件水平和軟件功能的大幅提升和改進(jìn)，協(xié)同工作流程已越來越多的受到重視和青睞。

在傳統(tǒng)工作流程中，各專業(yè)依次進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程具有非常明顯的單向性，雖然在部分階段或?qū)I(yè)可以局部采用同步平行作業(yè)，但其主要的特征還是單一線性方向。見圖3。

圖3 傳統(tǒng)工作流程示意

在協(xié)同工作流程中，各專業(yè)設(shè)計(jì)過程幾乎同步、平行作業(yè)，只是各專業(yè)根據(jù)基礎(chǔ)條件和工作順序的不同，具有一定先后時(shí)差，而其基本特征則是平行、協(xié)同進(jìn)行的。見圖4。

圖4 協(xié)同工作流程示意

通過對2種不同工作流程的邏輯分析和比較研究可以看出，在協(xié)同工作流程配備必要的共享服務(wù)器的前提下，2種工作流程均可以滿足綜合管線三維設(shè)計(jì)的需求。雖然傳統(tǒng)工作流程總體上說與行業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)生產(chǎn)組織模式吻合度較好，簡潔明確的流程和相對靈活的生產(chǎn)方式具有一定的優(yōu)勢，但從長遠(yuǎn)看，其較長的設(shè)計(jì)周期和較低的設(shè)計(jì)效率也是未來提高生產(chǎn)效率的瓶頸。

協(xié)同工作流程相對于傳統(tǒng)工作流程明顯具有設(shè)計(jì)周期短、效率高的特征，在前期配備共享服務(wù)器和制定統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺的前提下，其發(fā)展具有無限的前景，可以說協(xié)同工作流程替代傳統(tǒng)工作流程將是必然的發(fā)展方向。

(2)碰撞檢測

“碰撞”檢測是通過數(shù)字化的方法，自動發(fā)現(xiàn)管線沖突，包括“硬碰撞”檢測和“軟碰撞”檢測?！坝才鲎病笔侵腹芫€之間或管線與結(jié)構(gòu)之間的直接碰撞;“軟碰撞”是管線之間或管線與結(jié)構(gòu)之間保留一定的安全距離和安裝、檢修空間的碰撞。

目前市場上的三維設(shè)計(jì)軟件，一般具備“碰撞”檢測功能。設(shè)計(jì)人員可以在統(tǒng)一的服務(wù)器上開展管線設(shè)計(jì)，并實(shí)時(shí)的進(jìn)行碰撞檢測，通過對結(jié)果進(jìn)行分析，把可以接受和不可以接受的碰撞信息分別予以確認(rèn)，然后將碰撞結(jié)果和處理意見發(fā)給相對應(yīng)的專業(yè)，或由多專業(yè)共同協(xié)商解決。通過設(shè)定安全距離值(clearance)，甚至可以進(jìn)行2種管線之間的“軟碰撞”，也就是檢查各管線之間的檢修、安裝空間和相對干擾影響等。見圖5。

圖5 碰撞檢測

綜合管線三維設(shè)計(jì)中采用碰撞檢測后，完全可以發(fā)現(xiàn)管線設(shè)計(jì)中存在的所有沖突點(diǎn)，碰撞檢測的效率和準(zhǔn)確率很高，其檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和展示方式可以滿足綜合管線三維設(shè)計(jì)的要求，特別是其檢測結(jié)果對于綜合管線設(shè)計(jì)的修改、調(diào)整具有很好的輔助作用，設(shè)計(jì)人員可以分專業(yè)、分類別的進(jìn)行修改，且修改后可以立刻實(shí)現(xiàn)成果的再次碰撞檢測，大大提高了生產(chǎn)效率。見圖6。

圖6 二維和三維管線沖突的直觀性比較

(3)動態(tài)直觀的成果展示

通過渲染功能，三維軟件可以提供線框模型、表面模型和實(shí)體模型等，它們的巧妙融合實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)，形成一整套三維可視化工具，可幫助用戶有效地捕捉設(shè)計(jì)意圖。設(shè)計(jì)的成果也能夠直接用于三維仿真動畫及效果圖的制作，以展現(xiàn)整個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況。

如果加入項(xiàng)目自身目標(biāo)和周期的限制，還可進(jìn)行施工進(jìn)度仿真模擬和全景漫游，并能夠?qū)崟r(shí)查詢設(shè)備與管線信息、施工與維修信息等，從而優(yōu)化施工安裝進(jìn)度，發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備與管線安裝中的碰撞問題等。見圖7。

圖7 動態(tài)漫游展示

5 應(yīng)用前景與推廣策略

通過以上城市軌道交通車站建筑綜合管線三維設(shè)計(jì)的分析與探討，可以使我們初步了解三維協(xié)同設(shè)計(jì)所具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢。并可采用循序漸進(jìn)的方式，逐步將其在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣使用。

首先，在各專業(yè)設(shè)計(jì)、出圖均是平面二維圖紙的前提下，對諸如:管線設(shè)計(jì)特別復(fù)雜的專業(yè)機(jī)房、凈空限制條件苛刻的斷面、節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位，增加三維綜合管線設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。

其次，在城市軌道交通設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)，建立統(tǒng)一的管線綜合三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各專業(yè)可在此平臺內(nèi)初步建立模塊化圖形數(shù)據(jù)庫，并據(jù)此提高三維設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度。

最終，在全行業(yè)內(nèi)推行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，并結(jié)合行業(yè)內(nèi)其他專業(yè)軟件(例如:環(huán)控通風(fēng)CFD模擬以及動態(tài)客流模擬等)，建立系統(tǒng)的動態(tài)三維協(xié)同平臺，全面提升設(shè)計(jì)、施工，乃至今后運(yùn)營的全壽命建筑信息模型(BIM)系統(tǒng)。

值得注意的是:三維協(xié)同技術(shù)在設(shè)計(jì)行業(yè)的推廣將是簡單而有效的，但在整個(gè)建筑行業(yè)的推廣，其必由之路是盡快促使施工安裝單位提高三維協(xié)同認(rèn)識，并能依靠該技術(shù)完成產(chǎn)業(yè)升級。到那時(shí)，建筑師通過平面的設(shè)計(jì)圖紙來表達(dá)空間的建筑物，并最終營建出不同功能建筑空間的建造體系，才能完成徹底的轉(zhuǎn)變和更新。

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