三維管線綜合設(shè)計(jì)在南京地鐵中的應(yīng)用探討

高繼傳，江文化

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210017；2.北京芘苜信息技術(shù)有限公司，北京 100085)

三維管線綜合設(shè)計(jì)在南京地鐵中的應(yīng)用探討

高繼傳1，江文化2

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210017；2.北京芘苜信息技術(shù)有限公司，北京 100085)

基于當(dāng)前南京地鐵中三維管線綜合設(shè)計(jì)的應(yīng)用總結(jié)，探索地鐵三維管線綜合設(shè)計(jì)要點(diǎn)和管理模式。對(duì)比傳統(tǒng)二維管綜設(shè)計(jì)方式，以南京三維管綜設(shè)計(jì)具體成果為依據(jù)，論證地鐵行業(yè)中采用BIM技術(shù)開展三維管綜設(shè)計(jì)的顯著效益；基于南京經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前地鐵三維管綜常見的3種管理模式進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比論證；最后，對(duì)地鐵業(yè)主單位如何采用BIM技術(shù)開展三維管線設(shè)計(jì)、以及在設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)施工階段的管理重點(diǎn)給出明確建議。

地鐵；三維管線；綜合設(shè)計(jì)；建筑信息模型(BIM)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已進(jìn)入了城市軌道交通建設(shè)的高峰期，很多大中城市都正在建設(shè)或者籌劃建設(shè)城市軌道交通系統(tǒng)。而軌道交通系統(tǒng)也是集土建、設(shè)備等十幾個(gè)專業(yè)的大型復(fù)雜系統(tǒng)，各設(shè)備專業(yè)管線設(shè)計(jì)尤為繁多復(fù)雜，特別是地鐵車站，常常出現(xiàn)管線之間或管線與結(jié)構(gòu)件之間發(fā)生碰撞的情況，給施工帶來麻煩，影響建筑裝修凈高、造成返工或浪費(fèi)、延誤工期、甚至帶來安全隱患；混亂的管線布置、狹窄乃至缺失的維護(hù)間距給后期的地鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)更是帶來很大困難。

1 二維管線綜合設(shè)計(jì)和施工的缺陷

為減少上述地鐵設(shè)備管線碰撞情況的產(chǎn)生，在南京地鐵2號(hào)線工程設(shè)計(jì)中引入了管線綜合設(shè)計(jì)流程，用來協(xié)調(diào)各專業(yè)的管線布置。但在實(shí)際工程建設(shè)中，由于這種管線綜合設(shè)計(jì)只是將各專業(yè)的平面管線布置圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加，按照一定的原則確定各種系統(tǒng)管線的相對(duì)位置，進(jìn)而確定各管線的原則性高程，再針對(duì)關(guān)鍵部位繪制局部的剖面圖。因此這樣形成的管線綜合設(shè)計(jì)圖紙只是平面的、二維的，雖然在一定程度上改善了管線設(shè)置沖突的現(xiàn)象，但還是存在很多缺陷，仍然難以有效地解決管線沖突帶來的問題，具體如下[1]：

(1)管線交叉的地方靠設(shè)計(jì)人員肉眼識(shí)別，碰撞無法完全暴露及避免；

(2)碰撞處的管線調(diào)整有局限性，管線連貫性難以全面考慮，常顧此失彼；

(3)管線的標(biāo)注和高程不準(zhǔn)確，往往不考慮壁厚、法蘭、保溫層等參數(shù)；

(4)在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)周期緊張的條件下，各專業(yè)會(huì)簽和審圖人員審查難以盡責(zé)；

(5)多專業(yè)疊合的二維平面圖紙圖面復(fù)雜繁亂，施工、監(jiān)理人員讀圖困難。

因此在南京地鐵新一輪建設(shè)中，考慮采用三維管線設(shè)計(jì)來克服傳統(tǒng)二維管線綜合設(shè)計(jì)的缺陷，來解決管線設(shè)置沖突這一問題。

2 建筑信息模型(BIM)技術(shù)[2-4]

BIM建筑信息模型是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。它將建筑信息在設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段進(jìn)行傳遞，可以使建筑工程在其整個(gè)進(jìn)程中顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低施工單位的材料損耗以及設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)方的管理成本，大大提高各方的工作效益，從而創(chuàng)造社會(huì)效益。BIM模型是對(duì)整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的一次“預(yù)演”，建模的過程同時(shí)也是一次全面的“三維校審”過程，在此過程中可發(fā)現(xiàn)大量隱藏在設(shè)計(jì)中的問題，這些問題往往不涉及規(guī)范，但跟各專業(yè)配合緊密相關(guān)，在傳統(tǒng)的單一專業(yè)校審過程中很難被發(fā)現(xiàn)。特別是對(duì)于地鐵車站這樣一個(gè)富集各種管線、空間有限的復(fù)雜工程項(xiàng)目，采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維管線綜合設(shè)計(jì)有著明顯的優(yōu)勢(shì)及意義。

2.1 建筑信息模型(BIM)軟件

實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的核心是軟件平臺(tái)，它負(fù)責(zé)載入工程的各相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，從而形成完整的、高度集成的建筑工程項(xiàng)目信息化模型，這是進(jìn)行三維管線綜合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此一個(gè)高效易用的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件是必須的，目前比較知名的BIM平臺(tái)軟件主要有Autodesk公司的Revit、Bentley公司的AECO SIM、廣聯(lián)達(dá)公司的MagiCAD、Graphisoft公司的ArchiCAD、Dassault公司Catia，以及天正CAD等。這些軟件各有特點(diǎn)，相比較而言Revit、AECO SIM和MagiCAD的功能性、易用性更勝一籌，在國(guó)內(nèi)的建設(shè)工程領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率更高一些。

2.2 建筑信息模型(BIM)的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用BIM技術(shù)起步較晚，設(shè)計(jì)精細(xì)化程度和認(rèn)知程度還有待提高，在目前階段，國(guó)內(nèi)關(guān)于BIM的試點(diǎn)應(yīng)用主要集中在三維建模、管線設(shè)計(jì)及碰撞檢測(cè)上。碰撞檢測(cè)基于有限單元分割原理和三維碰撞算法，自動(dòng)計(jì)算識(shí)別建筑實(shí)體與管道實(shí)體以及管道實(shí)體相互之間的沖突問題，并用醒目的方式標(biāo)示出來，進(jìn)而經(jīng)各專業(yè)確認(rèn)調(diào)整后實(shí)現(xiàn)糾正[5]。

城市軌道交通是個(gè)多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)承擔(dān)單位相對(duì)專業(yè)、有限、固定，在國(guó)內(nèi)特有的工期緊迫，大干快上建設(shè)軌道交通的情況下，設(shè)計(jì)人員的數(shù)量和經(jīng)驗(yàn)都非常欠缺，疲于應(yīng)付工程建設(shè)，因此在BIM技術(shù)應(yīng)用方面的積極性不高，落后一些以城市大型建筑為主業(yè)的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)單位。但隨著國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的發(fā)展，各城市地鐵業(yè)主一直受困于設(shè)備管線復(fù)雜混亂的局面，因此也成為在三維管線綜合設(shè)計(jì)方面最為積極的推動(dòng)者，寄希望通過這一技術(shù)手段來減少管線沖突，以新技術(shù)、新管理方式來彌補(bǔ)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等工程各方因工作量大導(dǎo)致的相對(duì)力量分散、水平下降的現(xiàn)象。目前，天津、上海、南京、無錫、寧波、廈門、廣州等城市地鐵公司都開展了三維管線綜合設(shè)計(jì)的試點(diǎn)和應(yīng)用，南京更是在3、10號(hào)線車站設(shè)計(jì)中全面采用了這一先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)。

3 BIM技術(shù)南京地鐵三維管線綜合設(shè)計(jì)的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)管理模式

在歷經(jīng)1、2號(hào)線建設(shè)后，南京地鐵深感管線綜合設(shè)計(jì)的質(zhì)量給工程建設(shè)帶來的影響，在新一輪地鐵設(shè)計(jì)合同文件中就明確要求各線路車站設(shè)備管線采用三維管線綜合設(shè)計(jì)，并在執(zhí)行階段制定了專門的設(shè)計(jì)管理規(guī)定。南京地鐵在這一輪建設(shè)周期內(nèi)采用了如下管理模式。

(1)設(shè)計(jì)總體總包單位是三維管線綜合設(shè)計(jì)組織牽頭單位，負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)、管線布置原則、檢查督促設(shè)計(jì)進(jìn)度和質(zhì)量，組織和協(xié)調(diào)重大的管線布置沖突問題，建筑/設(shè)備副總體是該線路三維管線綜合設(shè)計(jì)的總負(fù)責(zé)人。

(2)車站工點(diǎn)(含土建、風(fēng)水電、管綜)設(shè)計(jì)單位是三維管線綜合設(shè)計(jì)的主體單位，選定設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件，完成管線設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)和矛盾協(xié)調(diào)工作，設(shè)置二維/三維管線綜合設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人。

(3)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位是三維管線綜合設(shè)計(jì)的配合單位，提資、會(huì)簽，確保各自專業(yè)圖紙與工點(diǎn)院二維/三維管線綜合圖紙一致。

(4)業(yè)主在出圖前組織各方聯(lián)合檢查二維/三維管線綜合設(shè)計(jì)成果，并予以考核評(píng)判。

(5)審圖單位是二維/三維管線綜合設(shè)計(jì)的復(fù)核單位，檢查各專業(yè)接口條件和三維管線綜合設(shè)計(jì)流程是否完備。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用過程及要點(diǎn)

南京地鐵3、10號(hào)線自2011年底開始正式啟動(dòng)三維管線綜合設(shè)計(jì)工作，各工點(diǎn)設(shè)計(jì)單位采用自行承擔(dān)或委外設(shè)計(jì)方式，并選定了三維管線綜合設(shè)計(jì)軟件，主要為Revit、AECO SIM、MagiCAD和天正軟件，全部共37個(gè)地下車站陸續(xù)開展設(shè)計(jì)，前后歷時(shí)8個(gè)多月。在設(shè)計(jì)過程中總結(jié)出以下工作要點(diǎn)。

(1)設(shè)計(jì)總體單位制定的施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)為三維管線綜合設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利的土建/設(shè)備設(shè)計(jì)條件(如管線布置原則、設(shè)備區(qū)梁柱結(jié)構(gòu)等等)。

(2)重點(diǎn)區(qū)域(設(shè)備區(qū)走廊、站廳公共區(qū)第一柱跨、站臺(tái)樓扶梯、站臺(tái)門端門等)管線綜合設(shè)計(jì)，同時(shí)輔以裝配式綜合支吊架的設(shè)計(jì)。

(3)功能齊備、使用方便、可導(dǎo)出具有良好可視性通用文件的軟件平臺(tái)。

(4)二維/三維管線綜合設(shè)計(jì)人的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)能力、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。

(5)設(shè)備副總體的計(jì)劃組織能力、協(xié)調(diào)能力和技術(shù)權(quán)威。

(6)業(yè)主的工程經(jīng)驗(yàn)、執(zhí)行決心、過程檢查。

這里第(6)點(diǎn)尤為重要些，業(yè)主的推動(dòng)力是目前地鐵三維管線綜合設(shè)計(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，工作要求和過程檢查必不可少，否則很可能流于形式，沒有起到優(yōu)化管線設(shè)計(jì)的作用。

南京地鐵的三維管線綜合設(shè)計(jì)最終以電子文件形式給出成果文件，提供的電子文件包含但不限于PDF 或dwg/dgn格式的三維模型，內(nèi)容包含：車站整體和各層的綜合管線/各設(shè)備專業(yè)管線三維軸側(cè)圖、每柱跨范圍的剖面圖(公共區(qū)可適當(dāng)延長(zhǎng))；三維和傳統(tǒng)二維管綜圖完全一致，包括房間和管線的標(biāo)注等。圖1為典型設(shè)備區(qū)三維剖面。

圖1 典型車站設(shè)備區(qū)三維剖面

3.3 工程實(shí)施效果分析

通過三維管線綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，有效地在施工設(shè)計(jì)階段真正落實(shí)了車站設(shè)備管線的綜合設(shè)計(jì)要求，基本解決了管線沖突，并在大部分區(qū)段保證了運(yùn)營(yíng)維護(hù)空間，減少了現(xiàn)場(chǎng)返工、變更工作量。以南京地鐵3號(hào)線的標(biāo)準(zhǔn)站九龍湖站為例，傳統(tǒng)二維管線綜合設(shè)計(jì)并經(jīng)院審后，再通過三維碰撞檢查，依然存在172個(gè)沖突；按照以往情況，這172個(gè)沖突就要到施工階段解決了，而這只是一個(gè)站的情況，放至全線車站，可想而知會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)帶來多大協(xié)調(diào)量和變更。將本輪建設(shè)周期的10號(hào)線設(shè)備安裝3標(biāo)和上一輪建設(shè)周期的2號(hào)線設(shè)備安裝6標(biāo)進(jìn)行對(duì)比(表1)。這兩個(gè)標(biāo)段的車站均由同一家設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，同一家施工單位施工，但時(shí)隔5年，設(shè)計(jì)、施工承擔(dān)人員則更年輕、工程經(jīng)驗(yàn)更欠缺些。

從表1可以看出，做了三維管線綜合設(shè)計(jì)后，工程變更大為減少，每個(gè)車站平均工程直接變更投資就減少近40萬(wàn)元。而工程停滯、協(xié)調(diào)、返工的時(shí)間，施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)人員的投入，業(yè)主的精力，以及后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)等這些間接成本還沒計(jì)算在內(nèi)。由此可見，南京地鐵的三維管線綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用是成功的，有著巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

表1 采用三維管線綜合設(shè)計(jì)后的工程變更對(duì)比

誠(chéng)然現(xiàn)場(chǎng)還是存在少部分管線沖突的，主要是以下原因造成。

(1)部分管線提交資料不細(xì)致，有錯(cuò)誤遺漏，以及后期設(shè)計(jì)調(diào)整增加了管線。

(2)現(xiàn)場(chǎng)土建施工誤差和安裝誤差過大，往往吃掉了間隙富裕量，甚至侵占了部分檢修空間。

(3)水閥、風(fēng)閥表示不細(xì)致，手輪/扳手等處的碰撞檢測(cè)間隙設(shè)置過小，導(dǎo)致安裝后操作空間太小，運(yùn)營(yíng)維護(hù)不便。

(4)異型裝修吊頂、風(fēng)口和吊掛設(shè)備不在本次三維管線綜合設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，該部分存在的沖突沒有在設(shè)計(jì)階段消除。

(5)施工、監(jiān)理單位讀圖錯(cuò)誤或者未嚴(yán)格按圖施工。

4 地鐵三維管線綜合設(shè)計(jì)管理模式探討

目前國(guó)內(nèi)各大中城市有幾十條軌道交通線路在同時(shí)開工建設(shè)，開始采用三維管線綜合設(shè)計(jì)的線路也日益增多，各家地鐵公司也根據(jù)自身的情況和特點(diǎn)，嘗試建立了相應(yīng)管理模式。除前述的南京地鐵的管理模式外，還有其他幾種不同的管理模式。這幾種管理模式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表2 地鐵三維管線綜合設(shè)計(jì)管理模式對(duì)比

通過對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵幾種管理模式的比較，可以看出：從提高三維管線綜合設(shè)計(jì)質(zhì)量和地鐵BIM系統(tǒng)綜合利用，最大限度發(fā)揮其作用的角度出發(fā)，由一家單位完成三維管線綜合設(shè)計(jì)更有利些；但也要看到國(guó)內(nèi)地鐵工程建設(shè)的實(shí)際情況，從設(shè)備管線設(shè)計(jì)到施工的時(shí)間一般不超過1年，甚至更短至半年，那么這家單位的技術(shù)實(shí)力、經(jīng)驗(yàn)和執(zhí)行能力就至關(guān)重要。在工期緊張和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)資源有限的前提下，建議業(yè)主單位應(yīng)首先制定并落實(shí)符合自身城市軌道交通發(fā)展的三維管線設(shè)置原則和標(biāo)準(zhǔn)，定義成果文件和接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)應(yīng)用和擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。有條件的業(yè)主單位還可以擴(kuò)大三維管線綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目的工作內(nèi)容和范圍，一是增加在設(shè)計(jì)階段對(duì)裝修(含照明/風(fēng)口)、導(dǎo)向/PIS、設(shè)備機(jī)柜等吊掛、平面設(shè)備的三維設(shè)計(jì)檢查；二是增加在設(shè)計(jì)施工階段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督指導(dǎo)，繪制最終的三維管線竣工圖，為后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理提供依據(jù)。

5 地鐵建筑信息模型(BIM)的應(yīng)用展望

我國(guó)正處于城市軌道交通建設(shè)的高峰時(shí)期，但各城市的建設(shè)條件有很大差異，管理水平、技術(shù)水平也不盡相同，對(duì)BIM系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)也不同。在目前地鐵BIM系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的初級(jí)階段，第一是要按目前地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成工程建設(shè)，通過三維管線綜合設(shè)計(jì)技術(shù)來提高設(shè)計(jì)文件質(zhì)量、提高工程施工效率、減少工程返工和變更現(xiàn)象，減輕業(yè)主工作壓力，降低各單位的管理成本；第二是以三維管線綜合設(shè)計(jì)為突破口，逐步探索、擴(kuò)大BIM的應(yīng)用范圍，包括地鐵內(nèi)各種設(shè)備布置設(shè)計(jì)(特別是導(dǎo)向、PIS、CCTV、閘機(jī)、裝修的結(jié)合布置和檢測(cè))，以及外部管線、臨近建構(gòu)筑物相對(duì)位置關(guān)系等；第三是整合融入各組成元素的信息，包括圖紙、技術(shù)說明、使用和檢修狀態(tài)等等，并與地鐵的辦公、檔案、EAM等企業(yè)信息化系統(tǒng)逐步緊密結(jié)合起來。

實(shí)行完整的地鐵BIM(建筑信息模型)是一個(gè)非常巨大的工程，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，而且目前國(guó)內(nèi)無論業(yè)主還是相關(guān)承擔(dān)單位的技術(shù)管理水平都有限，而工期更是關(guān)鍵性考核指標(biāo)，畢竟地鐵面臨的是工程實(shí)際，不是一塊“試驗(yàn)田”。所以近期地鐵BIM的建設(shè)還是應(yīng)以第一步實(shí)現(xiàn)三維管線綜合設(shè)計(jì)和第二步管線和設(shè)備、裝修的三維布置設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地鐵建設(shè)的優(yōu)化高效；待技術(shù)成熟、打下基礎(chǔ)、鍛煉隊(duì)伍后，再實(shí)行第三步工作，最終形成完整的地鐵BIM系統(tǒng)，形成構(gòu)建智慧地鐵的基礎(chǔ)。

[1] 沈亮峰.基于BIM技術(shù)的三維管線綜合設(shè)計(jì)在地鐵車站中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2013，43(6)：163-166.

[2] 逯宗田.鐵路設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM的思考[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6)：140-143．

[3] 盧祝清.BIM在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(10)：4-7．

[4] 董薇.鐵路勘察設(shè)計(jì)BIM運(yùn)用中的信息化管理探討[J].鐵道勘察，2013(5)：86-88．

[5] 任錦龍，毛路，榮慕寧.BIM技術(shù)在工程中的綜合應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2012，43(1)：79-82．

The Application of Comprehensive Three-dimensional Pipeline Design in Nanjing Metro

GAO Ji-chuan1， JIANG Wen-hua2

(1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing 210017， China; 2.Beijing BIM Information & Technology Co.， Ltd.， Beijing 100085， China)

Based on the comprehensive three-dimensional pipeline design for Nanjing Metro， this paper discuses the design fundamentals and management modes involved in the comprehensive three-dimensional pipeline design for metros. The comparison of the results of the comprehensive three-dimensional pipeline design result with that of the traditional two-dimensional design demonstrates that the three-dimensional brings about significant benefit. With reference to the results in Najing Metro with the three-dimensional design， this paper addresses the advantages and shortcomings of the three modes commonly employed in the comprehensive three-dimensional pipeline design. Finally， it gives out clear recommendations for how to use the comprehensive three-dimensional pipeline design and what are the key management points in the design and construction periods.

Metro， 3D pipeline; Comprehensive design; Building information modeling(BIM)

2014-10-17；

2014-10-24

高繼傳(1974—)，男，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，工學(xué)碩士。

1004-2954(2015)07-0134-04

U231

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.030