BIM技術(shù)在京張站房電氣設(shè)計中的應用研究

■張倩

中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司建筑院

傳統(tǒng)的建筑電氣設(shè)計從“甩開圖板”到“電子繪圖”經(jīng)歷了設(shè)計時代的一個巨大變遷，CAD輔助設(shè)計的應用比手動紙板繪圖極大的提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，但隨著對工程質(zhì)量的要求不斷提高，二維圖紙已經(jīng)無法滿足當前工程設(shè)計的要求，三維設(shè)計的重要性日益凸現(xiàn)：在空間設(shè)計中時時看到設(shè)計效果，與其他專業(yè)相配合，及時對碰撞設(shè)計進行修改。BIM技術(shù)的應運而生，能夠不斷的完善建筑各系統(tǒng)的模型，直觀的從3D角度實現(xiàn)工程設(shè)計的可視化，協(xié)同化，模擬性、優(yōu)化性、可出圖性。

1 BIM的概念及在電氣設(shè)計中的應用

1.1 BIM的概念

BIM(Building Information Modeling)中文直譯為“建筑信息模型”，是結(jié)合工程實際參數(shù)，在計算機環(huán)境中，構(gòu)建三維仿真數(shù)字模擬建筑模型，模型內(nèi)容包含工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計、建造和運營等階段，模型有效使用期間可覆蓋工程建設(shè)的整個生命周期。微觀角度來看，BIM技術(shù)可集成并可視化工程的各專業(yè)(建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣)，并仿真模擬各專業(yè)協(xié)同工作機制，宏觀上，在鐵路設(shè)計領(lǐng)域，BIM技術(shù)可以保證全線各專業(yè)均基于統(tǒng)一的線路里程進行工作，后期可以在總裝模型中直觀的查看全線任意建筑的里程點，確保全線各專業(yè)的可視化，協(xié)同性，給后期的運營帶來極大的便利。

1.2 BIM技術(shù)在電氣設(shè)計中的應用

BIM技術(shù)在電氣設(shè)計中的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：變電所設(shè)計、動力配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)及其他弱電系統(tǒng)的設(shè)計。電氣設(shè)計中，常用BIM技術(shù)的協(xié)同功能進行正向設(shè)計，設(shè)計資料向下序?qū)I(yè)提資，并向上序?qū)I(yè)傳遞，提資條件不同，配電系統(tǒng)各項參數(shù)將自動發(fā)生變化，避免二維設(shè)計中的手動修改帶來的修改不全，或者漏提資帶來的錯誤，此協(xié)同功能，大大的提高的設(shè)計的效率及圖紙的準確率。在照明系統(tǒng)中，可以預先根據(jù)規(guī)范要求，合理布置效用達標的燈具，該模型下，具備照度檢驗功能，同時可以選定相應區(qū)域生成照度計算曲線，偽色圖等。在火災自動報警系統(tǒng)中，軟件可以根據(jù)探測器的保護范圍自動確定每個區(qū)域的探頭數(shù)量，同時還可以反向根據(jù)探頭布置來計算是否滿足保護范圍的要求。在碰撞檢查中，首先可以先在電氣專業(yè)內(nèi)部將強電、弱電、消防橋架進行碰撞檢查，根據(jù)三圍模型，對碰撞點進行調(diào)整，這些碰撞檢查，都是傳統(tǒng)二維繪圖中無法實現(xiàn)的。下面，結(jié)合實際項目詳細分析驗證BIM技術(shù)在電氣設(shè)計應用中的優(yōu)越性及不足。

2 京張站房BIM電氣設(shè)計

2.1 項目概況

京張城際鐵路(京張高鐵)的道床材料為散粒碎石，抗高冷縮和抗大風沙能力較強，是世界上第一條有砟抗高寒和抗大風沙，且設(shè)計時速達到350km/h的鐵路。該工程正線共設(shè)10個車站，全線長約174公里，該項目預計2019年通車，設(shè)計目標:連接北京、延慶、張家口三地的交通網(wǎng)絡(luò)，縮短三地往來時間，完善以北京為樞紐的軌道交通網(wǎng)，并為2022年冬奧會的舉行提供有軌鐵路客貨運載保障，縮短北京到張家口時間，此外還可以將首都人力和資產(chǎn)資源的影響力向張家口方向延伸發(fā)揮地理樞紐對周邊地區(qū)經(jīng)濟、科研、社會等的帶動性作用。

本文結(jié)合京張高鐵清河站，具體講述BIM技術(shù)在鐵路站房電氣設(shè)計中的實際應用。清河站包含鐵路站房、鐵路配套及地鐵換乘等，屬于交通樞紐，建筑規(guī)模14.5W平米。本次設(shè)計的最終成果，不僅需要建立包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣在內(nèi)的全專業(yè)三維模型，還需要生成滿足施工需要深度的二維圖紙。三維模型需要滿足鐵總400的繪圖精度要求，在本次設(shè)計中，涉及電氣專業(yè)的工程活動主要是有變電所、照明、動力配線、弱電、消防等系統(tǒng)配置，以及對典型空間加載照度計算、渲染等，在管線排布設(shè)計方面，要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的情況，進行具體的綜合排布，展現(xiàn)出實際施工完成后的狀態(tài)，完成最終電氣設(shè)計模型

2.2 BIM設(shè)計的前期準備工作

BIM核心軟件主要是包括:①Revit系列軟件(Autodesk公司)；②Bentley系列軟件(Bentley公司)；③ArchiCAD軟件(Graphisoft公司);④DigitalProject軟件(Dassault公司)。本文以Bentley公司的Bentley系列軟件為例，研究了BIM技術(shù)在應用于京張站房電氣設(shè)計的程序、特點、優(yōu)缺點，由分析該技術(shù)設(shè)計的前期準備工作、設(shè)計技巧與要點、管線碰撞等來實現(xiàn)。

2.2.1 工作方式的選擇

本項目各專業(yè)單獨建立設(shè)計模型，通過互相參照的方式來達到協(xié)同設(shè)計，此種方式，要比為各專業(yè)分別獨立建立相關(guān)模型，最后統(tǒng)協(xié)比照，對計算機配置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求較低，本次模型設(shè)計的工作模式采用本專業(yè)中心文件+參照其它專業(yè)中心文件來進行。由于現(xiàn)階段鐵總的結(jié)構(gòu)拆分標準中，對站房的電力專業(yè)沒有明確的拆分標準，本次設(shè)計按電氣系統(tǒng)進行工作結(jié)構(gòu)的拆分，電氣專業(yè)劃分為變電所、動力配電、照明、火災自動報警、建筑設(shè)備監(jiān)控等幾部分。結(jié)構(gòu)相當于工作集，作為Bentley軟件中的一個新生的權(quán)限概念，他可以實現(xiàn)多個具備資格的人共同在同一模型內(nèi)工作，設(shè)定一人為管理員，對整個電力系統(tǒng)進行管理和設(shè)定，其他人僅可以對自己有權(quán)限的工作進行操作，避免隨意操作對項目產(chǎn)生破壞的影響，當有必要更改指令或調(diào)校參數(shù)時，可借用管理員權(quán)限，或是模擬建立新的結(jié)構(gòu)單元。電氣專業(yè)的工作集協(xié)同示意圖如圖1所示。

2.2.2 統(tǒng)一命名規(guī)則

設(shè)計前應統(tǒng)一命名規(guī)則、統(tǒng)一建模規(guī)則。電氣元素參數(shù)規(guī)則應滿足分類編碼標準。

設(shè)計前，編制統(tǒng)一的IFD編碼，約束電氣元素的參數(shù)、編碼，幾何屬性、非集合屬性等，不同的設(shè)計人均應使用統(tǒng)一的編碼，便于模型的輸出。

2.2.3 構(gòu)件庫的準備

構(gòu)件庫的準備工作作為項目構(gòu)成的基礎(chǔ)，是Bentley軟件運行的基礎(chǔ)活動之一，但Bentley軟件中的電氣構(gòu)件的標準參數(shù)為美標，與國內(nèi)制圖所用的標準參數(shù)存在差異，再加上該軟件構(gòu)件庫式樣種類較少，無法全面支持本項目所需，因而在項目開始前，要先制作符合本次項目要求的電氣構(gòu)件庫文件。電氣構(gòu)建庫構(gòu)件有電氣設(shè)備、電氣橋架、電管、導線、標注等，各構(gòu)件表征在平面圖中要符合我國制圖標準，應用于三維模型中，要緊貼實際工程樣貌，且具備尺寸、性能、負荷類型、光源參數(shù)等參數(shù)設(shè)定。本次模型搭建中所需使用的構(gòu)件類型數(shù)量較多，參數(shù)設(shè)定貫徹到模型搭建和應用的整個生命周期，例如電氣計算、系統(tǒng)創(chuàng)建、模型效果的渲染等，因而應做好充分的準備工作。站房中使用到的部分異形燈具的曲面，還需要運用編程來實現(xiàn)3D建模。

2.3 京張鐵路站房BIM設(shè)計

京張鐵路清河站中的電氣專業(yè)應用:①變電所;②動力配電系統(tǒng);③照明系統(tǒng);④火災自動報警系統(tǒng);⑤建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1 工作集示意圖

2.3.1 變電所

應用Substation變電所軟件進行變電所設(shè)備的布置，繪制供電簡圖，運用軟件進行短路電流計算，快速創(chuàng)建主接線原理接線圖，創(chuàng)建3D變電所設(shè)備布置圖。二維原理圖上的設(shè)備參數(shù)和三維布置圖的參數(shù)實時共享，并可以相互導航。如果二維原理圖的設(shè)計發(fā)生了更改，則可以刷新數(shù)據(jù)庫信息，三維布置圖自動進行更改。變電所布置圖如圖2所示。

圖2 變電所設(shè)備布置圖

在項目的應用中發(fā)現(xiàn)軟件自帶的電纜工程量統(tǒng)計，只包含電纜的接頭損耗，并不含電纜在橋架中的彎曲度，實際應用中還應該考慮此問題。

2.3.2 動力及照明系統(tǒng)

應用Bentley Building Electrical Systems（簡稱ABD Electrical）進行照明等系統(tǒng)的設(shè)計工作。

系統(tǒng)可快速布置燈具?？蓪虢ㄖ块g信息進行照度計算，并根據(jù)計算結(jié)果自動布置燈具；也可手動布置燈具，可以根據(jù)房間的尺寸、形狀選擇利用點布置方式、陣列方式、沿門開關(guān)等多種方式布置燈具。在一些設(shè)備用房，根據(jù)設(shè)備的位置、高度，可以設(shè)定燈具吊桿的長度。

ABD ELECTRICAL可將房間信息導入到主流的照度計算軟件Dialux ，Relux 中進行逐點照度計算，可計算眩光值，可統(tǒng)計材料，可輸出計算結(jié)果，并返回到ABD ELECTRICAL進行燈具布置。同事可以進行照度計算、生成照度曲線圖，偽色圖等，可對燈具布置進行反驗算。

2.3.3 火災自動報警系統(tǒng)

應用上述軟件可方便快捷的進行火災、報警布置，可計算煙感、溫感探測范圍；也可根據(jù)煙感、溫感探測范圍自動布置；可自動生成火災、報警系統(tǒng)圖，也可進行材料統(tǒng)計。但生成的報警系統(tǒng)圖不符合標準的出圖深度，需要增加標注等內(nèi)容。

其他系統(tǒng)的設(shè)計與上述系統(tǒng)類似，再此不一一贅述。

2.3.4 系統(tǒng)圖

強弱電干線系統(tǒng)圖、配電箱系統(tǒng)圖等的繪制，使用二維平面繪制相較于Benley軟件構(gòu)建的三維立體模型，更具示意性，Benley軟件暫時不支持該類示意性圖紙繪制。Benley軟件的配電箱系統(tǒng)（包括強電和弱電）是用配電盤明細表來表示的。雖然配電盤明細表，可以進行三相平衡計等，可以描述配電盤的個體信息、進行復核計算等，但配電盤明細表不符合二維圖紙的出圖要求，不方便現(xiàn)場施工，故電氣設(shè)計的系統(tǒng)圖仍需要人工手動深化調(diào)整。

2.3.5 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術(shù)中關(guān)于各組成單元協(xié)同工作的沖突性檢查，能有效的檢驗各專業(yè)或不同專業(yè)間的協(xié)同性。在電氣專業(yè)中的管線沖突檢查中，可以憑依該系統(tǒng)的碰撞檢查功能，對兩個設(shè)備間的管線進行測試檢查，以期對管線沖突位置進行發(fā)現(xiàn)和顯示，最終解決問題。碰撞檢查的覆蓋范圍可分為兩種，即模型內(nèi)檢查和多模型綜合檢查，前者可使用Benley軟件自帶的碰撞檢查功能，而多模型綜合檢查較為復雜，一般是針對工程較大，且計算機配置較低，需要多模建立來反應工程實際的情況，如清河站，因為建筑體量很大，將整個建筑拆分為三部分進行建模，檢查方式可使用Project wise Navigator軟件(BIM碰撞檢查專用軟件)。碰撞檢查調(diào)整前如圖3所示，碰撞檢測調(diào)整后如圖4所示。

圖 3 碰撞檢查調(diào)整前

圖 4 碰撞檢查調(diào)整后

3 BIM技術(shù)在鐵路站房電氣設(shè)計中的優(yōu)勢

通過結(jié)合京張站房清河站的設(shè)計實例，BIM技術(shù)與傳統(tǒng)二維電氣設(shè)計相比，有以下的優(yōu)勢。

3.1 BIM技術(shù)與傳統(tǒng)二維電氣設(shè)計在鐵路站房項目中應用流程的區(qū)別

3.1.1 鐵路站房項目傳統(tǒng)電氣設(shè)計流程

鐵路站房項目的傳統(tǒng)電氣設(shè)計流程圖，如圖5所示。電氣設(shè)計需要依托于建筑提資，按照計表逐步開展設(shè)計，建筑方案評審階段，電氣專業(yè)將本專業(yè)所需設(shè)備用房，管線路徑提資給建筑建筑；建筑專業(yè)開放平面后，設(shè)備、通信、信息、廣告、商業(yè)等各專業(yè)給電專業(yè)提資，電氣專業(yè)開始進行二維圖紙的設(shè)計，在設(shè)計的過程中，電氣專業(yè)還會給建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)進行預埋，開洞等反提資。二維圖紙設(shè)計完成后，進行復核，審定，圖紙送審等相關(guān)工作。

從上述設(shè)計流程圖可以看出，傳統(tǒng)電氣設(shè)計大致包括設(shè)計準備、設(shè)計、審核、交付、歸檔等幾個大的階段。電氣專業(yè)與其他專業(yè)的配合主要在設(shè)計準備、設(shè)計兩個主要階段，這兩個階段主要通過互相提資的方式來將相關(guān)信息傳遞給下序?qū)I(yè)，保障模型搭建的邏輯過程中，信息的全面、可靠、詳實。

資料互提方式是定期按照計表節(jié)點，通過互提資料單，完成數(shù)據(jù)、參數(shù)等信息的傳遞，這種傳統(tǒng)的提資方式不具備實時性，容易造成各專業(yè)圖紙表達不一致的問題。

圖5 鐵路站房項目傳統(tǒng)電氣設(shè)計流程

通過對傳統(tǒng)電氣設(shè)計設(shè)計流程的分析，可以看出傳統(tǒng)電氣設(shè)計存在以下不足：

（1）二維圖紙在表征各專業(yè)時，存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性不強的特點，因而在平面設(shè)計時，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)、參數(shù)等信息不對稱現(xiàn)象，這會導致各專業(yè)之間的圖紙不一致，甚至彼此之間的建筑平面也有不一致的可能性，施工過程中，需要與施工方不斷的進行施工配合。

（2）各專業(yè)在互提資料后，進行獨立的專業(yè)設(shè)計，各專業(yè)之間缺乏聯(lián)系，及容易造成各專業(yè)之間的碰撞沖突問題。

3.1.2 基于BIM的鐵路站房電氣設(shè)計流程

在應用BIM的設(shè)計模式下，工作流程和數(shù)據(jù)傳遞方面會有明顯的變化，從工作流程上看，電氣設(shè)計流程分為六個環(huán)節(jié)，如圖6所示。

與傳統(tǒng)站房電氣設(shè)計相比，BIM的設(shè)計從流程上有以下優(yōu)勢：

（1）電氣專業(yè)與各專業(yè)的協(xié)調(diào)工作貫穿了整個設(shè)計過程，而不僅僅是在特定的某一個階段，各專業(yè)可以實現(xiàn)實時協(xié)調(diào)，避免了各專業(yè)單獨作業(yè)，彼此之間缺乏協(xié)調(diào)性的問題。

（2）增加了二維圖紙生成和調(diào)整的過程。在建模的結(jié)束后，可以由模型生成二維視圖，但現(xiàn)階段由模型直接生成的二維圖紙，與建設(shè)部要求的二維圖紙設(shè)計深度不符，還需要將生成的二維圖紙進行深化調(diào)整。

（3）從數(shù)據(jù)傳遞的角度看，BIM設(shè)計實現(xiàn)了各專業(yè)之間數(shù)據(jù)的隨時傳遞與更新，避免了上序?qū)I(yè)數(shù)據(jù)、參數(shù)調(diào)整沒有及時反饋給下序?qū)I(yè)的問題。減少了設(shè)計中的差、錯、碰、漏等問題。

圖6 鐵路站房項目傳統(tǒng)電氣設(shè)計流程

3.2 基于BIM的電氣設(shè)計在協(xié)同性方面的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)電氣設(shè)計中，各專業(yè)的協(xié)同是一個費事繁瑣的工作，協(xié)同性的問題往往會在施工過程中帶來諸多問題，后期施配需要耗費大量的時間與經(jīng)歷。依托于BIM技術(shù)的電氣設(shè)計，其電氣專業(yè)與其他專業(yè)的統(tǒng)協(xié)合作周期覆蓋整個設(shè)計活動，甚至于全生命周期。整個項目的全專業(yè)設(shè)計均采用統(tǒng)一共享的建筑信息模型，因而，可借助BIM技術(shù)中的碰撞檢查軟件準確發(fā)現(xiàn)各專業(yè)統(tǒng)協(xié)工作中的問題，之后電氣設(shè)計師可以準確的查找到存在的問題并進行修改。

在設(shè)計過程中，電氣專業(yè)的設(shè)備布置、溝槽孔洞可以實時的傳遞給建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)，專業(yè)之間相互配合，減少各專業(yè)間信息互通時間，同樣降低了各專業(yè)協(xié)同合作的故障率。

4 小結(jié)

經(jīng)過一段時間的使用，筆者對BIM這一技術(shù)中有了更加深入的認識。

4.1 Bentley電氣軟件與CAD的比較

相對于CAD，Bentley能繪制除防雷接地平面圖以外的其他平面，但不能繪制強弱電干線系統(tǒng)圖及配電箱系統(tǒng)圖，在繪制過程中生成的如變電所接線圖，火災自動報警系統(tǒng)圖等，不完全滿足施工圖的出圖要求，還需要后期進行標注等調(diào)整工作。

在作圖時間方面的比較，Bentley前期電氣族庫的建立是一個比較費時的過程，這個過程將導致BIM的工作周期相對于傳統(tǒng)的CAD來說較長。

4.2 存在問題

4.2.1 對硬件設(shè)備的要求

Bentley軟件對計算機的硬件配置及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求高于傳統(tǒng)的CAD，特別是在清河站房的應用中，非常明顯，隨著模型的不斷完善，電腦設(shè)備已出現(xiàn)明顯的延遲現(xiàn)象。

4.2.2 軟件不足

Bentley軟件目前在國內(nèi)的建筑BIM設(shè)計中，沒有Revit軟件應用的廣泛，但隨著項目的進程，筆者發(fā)現(xiàn)，不管是Bentley還是Revit，其涉及電氣專業(yè)的部分，均存在一些不足，主要有:

（1）關(guān)于電氣構(gòu)件庫，依托Bentley軟件設(shè)計的模型中的圖像，是以各個構(gòu)件為設(shè)計基礎(chǔ)，而整個最終模型也是由各個構(gòu)件以某種方式組合而來，目前電氣構(gòu)件庫存在種類少和標準不統(tǒng)一的缺陷。使用該類軟件時，要在準備工作中，制作適宜工程需要的構(gòu)件，部分設(shè)備也缺少精準尺寸，不同的廠家尺寸規(guī)格又不盡相同，導致BIM中部分設(shè)備僅為占位符號，不具備絕對的可視化。電氣構(gòu)建庫的統(tǒng)一和標準化，可促進更加標準和更加規(guī)范的BIM模型的設(shè)計。

（2）關(guān)于電氣橋架、電管，模型中的電氣橋架、電管無系統(tǒng)連接功能，僅導線有此功能，這也就是說模型內(nèi)電氣設(shè)備要具有自動化創(chuàng)建功能，就需要將各個設(shè)備用導線連接，在綜合主要區(qū)域內(nèi)的機電管線時，需要復制該區(qū)域的電氣橋架和電管布置，重新構(gòu)建該區(qū)域電氣線路，無法原模進行。

（3）關(guān)于防雷和接地平面，設(shè)計不支持，由于該類構(gòu)件制作復雜，且有一些均為邏輯性示意性，尚處于軟件開發(fā)的范疇。

（4）關(guān)于強弱電干線系統(tǒng)圖的繪制軟件尚不支持。

4.2.3 精度提高，時間增加

在BIM設(shè)計中，所有末端和管線放置的繪圖和構(gòu)建精度較高，可降低各單元合作的沖突率，但與此同時，由于較高精度要求，在設(shè)計階段，就要不斷的考慮到施工時可能存在的問題，因而在參照和調(diào)整自身模型時，任務量增加，相應付出的時間也有所增加。

4.2.4 缺少BIM標準

我國BIM標準尚不統(tǒng)一，需待完善，與之相反的歐美國家的BIM標準較為統(tǒng)一規(guī)范。

5 結(jié)論

BIM技術(shù)作為新時代信息技術(shù)的產(chǎn)物，不僅僅是工程類仿真模擬工具的升級，同時，也顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計模式理念。將BIM技術(shù)應用于京張站房電氣專業(yè)中，優(yōu)點是，在設(shè)計完成度、全專業(yè)協(xié)同、建筑整體分析等方面較具先進性;缺點是BIM標準不統(tǒng)一，電氣構(gòu)件種類少，對模型搭建產(chǎn)生工作質(zhì)量和工作時間上的阻礙。就BIM技術(shù)中存在的有關(guān)問題，仍需要改進和完善，若能得到解決和升級，其將對不同規(guī)模和不同結(jié)構(gòu)類型的工程具備高效應對性，工程仿真模型的搭建效率將大幅度提高。

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