深圳地鐵9號線深化設(shè)計中BIM的應用及效果探討

蔣宗發(fā)， 毛強碩， 杜　峰， 張　立

(1. 中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司， 甘肅 蘭州　730000；2． 中建南方投資有限公司， 廣東 深圳　518000)

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深圳地鐵9號線深化設(shè)計中BIM的應用及效果探討

蔣宗發(fā)1， 毛強碩2， 杜峰1， 張立1

(1. 中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司， 甘肅 蘭州730000；2． 中建南方投資有限公司， 廣東 深圳518000)

摘要：以深圳地鐵9號線為例，從組織開展深化設(shè)計工作并利用BIM技術(shù)對站后工程常規(guī)機電、系統(tǒng)機電各個專業(yè)設(shè)計施工過程中遇到的接口協(xié)調(diào)及碰撞等問題進行模擬分析。主要得到以下經(jīng)驗總結(jié)： 1)管理中規(guī)范深化設(shè)計的工作流程，保證了深化設(shè)計BIM工作的順利開展； 2)技術(shù)上利用BIM技術(shù)精細化管理各個專業(yè)，減少管線安裝的碰撞及對結(jié)構(gòu)的損害； 3)接口協(xié)調(diào)方面，利用BIM技術(shù)有序地安排各個專業(yè)施工，能保證設(shè)計與施工的同步以及各專業(yè)之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。

關(guān)鍵詞：地鐵工程； 建筑信息模型(BIM)； 深化設(shè)計； 接口協(xié)調(diào)； 管理機制

0引言

隨著我國社會的快速發(fā)展，城市化進程的推進，城市地上空間已難以滿足城市的發(fā)展需求[1]，正在加速城市地下空間的開發(fā)利用。地鐵工程作為交通建設(shè)中的重點，其優(yōu)勢在于能充分利用地下空間。目前在國內(nèi)一二線城市，如北京、廣州、上海、深圳等地區(qū)掀起了興建地鐵的高潮。地鐵工程的特點在于工程本身位于地下且空間狹小，地鐵的安裝工程是要在這狹小的空間內(nèi)將各類管線、設(shè)備進行布局。管線及設(shè)備在設(shè)計及施工安裝過程中極易發(fā)生沖突碰撞，如何充分有效利用地下空間成為最重要的探索方向。利用BIM技術(shù)對地下安裝工程進行模擬成為探索的重要途徑，對各類管線設(shè)備進行提前預知安裝空間情況，能避免安裝過程當中的管線碰撞。

在利用BIM技術(shù)進行探索研究方面： 于金勇等[2]研究了上海軌道交通11號線石龍路站在安裝過程中解決的管線碰撞、設(shè)備房優(yōu)化等問題，并從設(shè)備安裝到運營維護各個階段中得出BIM技術(shù)的應用價值點。

張建平等[3]根據(jù)我國施工管理特點和實際需求,提出了工程施工BIM應用的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)流程和應對措施,并將BIM與4D技術(shù)相結(jié)合,自主研發(fā)建筑施工BIM建模系統(tǒng)和基于BIM的4D施工項目管理系列軟件,從而形成一套工程施工BIM應用整體實施方案并成功應用于國家體育場等十幾個大型工程項目,驗證了其可行性和適用性,充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)在工程施工中的應用價值和廣闊前景。

李勇[4]為實現(xiàn)BIM技術(shù)預測功能,采用可靠性理論、概率方法理論,考慮施工過程及進度影響因素的不確定性,分析了目標進度和預測進度的復雜關(guān)系,建立了施工進度隨機預測模型。

近幾年來，隨著地鐵在全國各大城市興建,BIM的應用得到了迅速的提升。在上海市建筑施工行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2014年度施工企業(yè)BIM技術(shù)應用現(xiàn)狀發(fā)展報告》中提到目前國內(nèi)各大建筑工程企業(yè)應用BIM技術(shù)及人才儲備狀況。深圳地區(qū)發(fā)布了《深圳市建筑工務(wù)署B(yǎng)IM 實施管理標準》，該標準通過分析目前我國基本應用情況及國家發(fā)展信息技術(shù)的需求，對于目前建設(shè)工程項目BIM技術(shù)的應用進行了統(tǒng)一的規(guī)范要求，為達到BIM技術(shù)應用信息的平臺資源共享及BIM技術(shù)信息化基礎(chǔ)的建設(shè)打下基礎(chǔ)，并從中發(fā)掘出更多的應用價值點。

目前在建設(shè)工程施工項目中將BIM技術(shù)應用于管理相對較少，側(cè)重運用于大型建設(shè)工程項目的三維建模即施工模擬及安裝工程管線碰撞檢查[5-6]。而大型項目BIM模型量大，需要嚴格有效的管理方法才能確保BIM模型滿足多專業(yè)、多人員有條不紊地協(xié)同工作[7]。本文以深圳地鐵9號線為例，利用BIM技術(shù)通過建立深化設(shè)計組織管理體系，對全線18個車站及車輛段停車場的站后安裝工程進行深化設(shè)計，統(tǒng)一對常規(guī)機電、系統(tǒng)機電各個專業(yè)設(shè)計施工過程中遇到的接口協(xié)調(diào)及碰撞等問題進行模擬分析，提出相關(guān)可行性意見及方案，為實現(xiàn)設(shè)計、施工一體化提供技術(shù)平臺。

1工程概況

深圳地鐵9號線(見圖1)西起南山區(qū)紅樹灣站，東至羅湖區(qū)文錦站，經(jīng)過南山區(qū)、福田區(qū)、羅湖區(qū)。線路全長約為25.38 km，共設(shè)22座車站，全部為地下車站和線路。本項目機電安裝工程涵蓋軌道工程、常規(guī)機電、裝飾裝修、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、安防及門禁系統(tǒng)等多個專業(yè)。

圖1　深圳地鐵9號線工程線路示意圖

2BIM技術(shù)簡介

BIM即建筑信息模型[8](Building Information Modeling) 是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性5個特點。利用三維建模技術(shù)，把整個工程的三維數(shù)字模型建造出來，制作出一個只存在于電腦里面的數(shù)字工程模型，然后通過向這個模型中添加工程的所有相關(guān)信息，形成一個工程信息數(shù)據(jù)庫。

利用BIM技術(shù)實現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計之間的信息共享，實現(xiàn)設(shè)計碰撞檢測、能耗分析、成本預測等[9]。用于施工及管理實現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化的施工管理并實現(xiàn)建設(shè)項目施工階段工程進度、人力、材料、設(shè)備、成本和場地布置的動態(tài)集成管理及施工過程的可視化模擬[10-11]。BIM技術(shù)涵蓋的范圍見圖2。

3BIM應用管理機制的建立

深圳地鐵9號線工程深化設(shè)計工作，利用現(xiàn)有的資源及組織架構(gòu)，對本次深化設(shè)計工作BIM建模流程規(guī)范化。深化設(shè)計工作流程見圖3。BIM建模工作流程見圖4。

圖2　BIM技術(shù)涵蓋的范圍

圖3　深化設(shè)計工作流程

圖4　BIM建模工作流程

在拿到設(shè)計院提供的送審版圖紙及設(shè)計資料后，深化設(shè)計人員應熟悉設(shè)計內(nèi)容，領(lǐng)會設(shè)計意圖。組織設(shè)計單位進行設(shè)計交底，對圖紙表達不詳盡或者不明白的地方進行歸納整理，并及時向設(shè)計單位進行提交，經(jīng)設(shè)計答疑確認后，進行下一步深化工作。通過各方面比選，本次深圳地鐵9號線采用Autodesk公司的Revit軟件進行建模[12]。

1)根據(jù)土建專業(yè)圖紙完成初步土建模型(見圖5)，之后根據(jù)土建施工完成后的結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)對模型進行修正，為后續(xù)的機電模型搭建工作打下基礎(chǔ)。

2)機電建模工作根據(jù)各專業(yè)圖紙進行建模，在車站土建模型內(nèi)完成各專業(yè)設(shè)備、材料、管道的整合，形成車站整合模型，并進行第1次管線碰撞分析，統(tǒng)計出“差、錯、漏、碰”等問題的錯誤清單，確認并提交圖紙會審會議討論優(yōu)化決策。將圖紙會審會議中決策的設(shè)計優(yōu)化修改反映在車站整合模型中，經(jīng)第2次碰撞分析驗證無誤后，形成車站施工設(shè)計模型(見圖6)。

圖5　車站土建模型

圖6　車站機電整合模型

3)經(jīng)過反復發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，圖紙中存在的問題均得到一一解決，經(jīng)深化設(shè)計人員自校后完成最終模型并導出二維圖紙。完成的圖紙需經(jīng)設(shè)計監(jiān)理、設(shè)計院審批確認后，設(shè)計院根據(jù)深化成果進行修改施工圖；若未通過設(shè)計監(jiān)理或設(shè)計院審批，則需按照相關(guān)意見繼續(xù)深化細化圖紙。

4)在得到設(shè)計院提供最終的施工圖后，各深化設(shè)計人員進行詳細閱圖，對作圖范圍、圖面表達、構(gòu)件編號等進行統(tǒng)一的規(guī)定，然后開始工作圖的轉(zhuǎn)化設(shè)計，以BIM檢驗標準作為階段性成果的考核依據(jù)，確保深化設(shè)計成果文件的質(zhì)量。

4BIM應用解決的問題

4.1碰撞問題

在將各個專業(yè)的模型疊加進行碰撞分析時候，會發(fā)現(xiàn)很多問題，主要分為以下2類： 第1類為風管、橋架、水管碰撞問題；第2類為管線與建筑結(jié)構(gòu)碰撞問題。

1)在完成車站的整合模型，進行碰撞檢查時發(fā)現(xiàn)多處各專業(yè)管線之間的碰撞，舉例如圖7所示： 給水管與風管產(chǎn)生了碰撞，利用BIM技術(shù)建模完成發(fā)現(xiàn)這一碰撞問題，在安裝時將水管向上繞過風管進行安裝，避免了后期安裝的碰撞問題。圖8為調(diào)整后水管翻過風管安裝，避免了管線之間的碰撞，這樣避免后期施工時產(chǎn)生碰撞，提前解決了問題。

圖7　風管與水管的碰撞調(diào)整前

Fig. 7Collision of ventilation pipeline and water pipeline before adjustment

圖8　風管與水管的碰撞調(diào)整后

Fig. 8Collision of ventilation pipeline and water pipeline after adjustment

2)車站站廳層機電管線與裝飾裝修合模后(見圖9)存在碰撞點： 站廳層通道存在結(jié)構(gòu)降板區(qū)，降板區(qū)域板底標高為3 900 mm，在此降板區(qū)下方有尺寸為3 000 mm×600 mm的風管通過，且此處裝飾裝修天花要求標高為3 800 mm，而機電管線綜合完成后支架底標高為3 060 mm，因此天花風管碰撞，達不到3 800 mm的裝修標高的要求。利用BIM技術(shù)發(fā)現(xiàn)了降板區(qū)對于管線及裝修天花標高的影響，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，將此處的裝修天花取消，以滿足安裝要求。

圖9　車站站廳層碰撞檢查

4.2優(yōu)化預留洞口

在進行車站砌筑施工之前，首先根據(jù)施工圖上各專業(yè)管線位置，在圖10中通過利用BIM技術(shù)將風管、橋架、水管穿墻位置形象地顯示出來，對土建砌筑提出預留洞口的要求；同時將BIM模型用于土建砌筑施工交底，使得工人能直觀地了解應該預留的孔洞位置、尺寸，避免安裝工程施工對砌體的二次打鑿及砌筑工程的返工，保證了墻體的美觀。

圖10　砌筑預留孔洞

4.3可視化交底

在安裝工程施工前需要進行施工技術(shù)交底，目前技術(shù)交底基本上使用常規(guī)藍圖交底方法，由于圖紙變更、返工嚴重，審圖不清，損耗過大等原因?qū)е陆坏撞磺宄?。利用模型進行施工交底見圖11。在圖11中，現(xiàn)場技術(shù)人員利用BIM 技術(shù)模擬施工，對施工難點提前反映，就可以使施工組織的計劃更加形象精準，可以針對整個工程進行BIM 進度計劃，統(tǒng)籌安排，以保證工程進度如期合理完成。除此之外，利用現(xiàn)代移動電子設(shè)備將模型導入移動設(shè)備中(見圖12)，現(xiàn)場工程師直接根據(jù)模型用于指導工人的現(xiàn)場施工。

圖11　利用模型進行施工交底

4.4施工工序安排

利用BIM技術(shù)對工程進行分解，首先將結(jié)構(gòu)及建筑模型完成作為基礎(chǔ)，機電各專業(yè)在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)有的施工圖進行建模，從中確定相關(guān)管線及主要大型設(shè)備位置。在此基礎(chǔ)上，再將各個細部關(guān)鍵部位添加進來，將空調(diào)風管、消防水管、給水管等添加到主體模型中，并得到優(yōu)化過的模型成果。根據(jù)得到的BIM模型，對施工過程當中占用安裝空間資源較大的設(shè)備及管線進行優(yōu)先安排施工，對于影響較小的可相對延后其施工。在得到成果后，管線的排布從上至下如圖13所示。

圖12　模型與現(xiàn)場完成對比

標高單位為m,管線尺寸標注為mm。

圖13管線綜合排布示意圖

Fig. 13Layout of pipelines

根據(jù)上述要求，優(yōu)化了相關(guān)的施工工序，管線按上述排布由上往下依次進行施工，這樣做到了協(xié)調(diào)各專業(yè)的交叉施工，避免了各專業(yè)交叉施工的影響，并有效地節(jié)約了支架的用材，保證了安裝工程的美觀。深圳地鐵9號線利用BIM技術(shù)進行深化設(shè)計共發(fā)現(xiàn)處理了管線碰撞問題600余處，接口協(xié)調(diào)問題50余項，并提出了相關(guān)管線設(shè)計優(yōu)化方案，避免了施工碰撞問題造成的返工和不必要的接口協(xié)調(diào)問題；同時可視化的模擬施工，對于施工方提升施工水平和經(jīng)濟效益有著明顯的作用，更有利于今后工程的項目開展。

5結(jié)論與討論

深圳地鐵9號線站后工程通過利用BIM技術(shù)進行深化設(shè)計，從建立組織管理到應用到現(xiàn)場施工模擬，將BIM技術(shù)大規(guī)模應用于地鐵施工項目管理。在地鐵安裝工程中BIM 技術(shù)的使用得到了經(jīng)濟效益，也增加了技術(shù)人員的知識水平，得到以下經(jīng)驗總結(jié)。

1)管理中規(guī)范了深化設(shè)計的工作流程，保證了深化設(shè)計BIM工作的順利開展。本次深化設(shè)計建立了相關(guān)的組織機構(gòu)，配置了專職人員，很好地保證了BIM深化設(shè)計的順利開展。

2)利用BIM技術(shù)精細化管理了各個專業(yè)，減少了管線安裝的碰撞及對結(jié)構(gòu)的損害。根據(jù)BIM建模碰撞問題分析，解決了600多處碰撞問題，優(yōu)化了相關(guān)方案，避免了后期安裝工程管線碰撞問題對結(jié)構(gòu)的損害。

3)接口協(xié)調(diào)方面，利用BIM技術(shù)有序地安排了各個專業(yè)施工，保證設(shè)計與施工的同步以及各專業(yè)之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。通過BIM技術(shù)模擬管線安裝實際情況，根據(jù)相關(guān)排布調(diào)整出圖及施工安排，實現(xiàn)了設(shè)計與施工的同步協(xié)調(diào)。

通過此次深圳地鐵9號線BIM技術(shù)的應用，希望利用BIM設(shè)計手段，在今后的設(shè)計施工過程中尋找和建立機電設(shè)備安裝的規(guī)律和標準，解決目前隨意打孔破壞結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，使得工程使用壽命得以延長。

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Discussion on Application and Effect of Building Information Modeling (BIM) Technology in Design of Shenzhen Metro Line No. 9

JIANG Zongfa1, MAO Qiangshuo2, DU Feng1, ZHANG Li1

(1.CSCECAECOMConsultantsCo.,Ltd.,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.ChinaConstructionSouthInvestmentCo.,Ltd.,Shenzhen518000,Guangdong,China)

Abstract:The interface coordination and construction collision during the design and construction of conventional mechatronics and system mechatronics of Shenzhen Metro Line No. 9 by using the building information modeling(BIM) technology are simulated and analyzed. The conclusions drawn are as follows: 1)The success of BIM application can be guaranteed by a standardized development design work procedure. 2)The collision of pipe lines can be reduced and the structure damage can be minimized by using BIM technology. 3) The synchronization between design and construction and the uniformity of every design profession can be achieved by using BIM technology.

Keywords:Metro; building information modeling(BIM); development design; interface coordination; management mechanism

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0433-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.010

第一作者簡介：蔣宗發(fā)(1989—)，男，廣西桂林人，2012年畢業(yè)于河海大學，環(huán)境工程專業(yè)，本科，助理工程師，主要從事地鐵施工項目管理工作。E-mail: 491740795@qq.com。

收稿日期：2015-09-20; 修回日期: 2016-01-20