基于BIM的綜合交通樞紐管線綜合設(shè)計(jì)研究
——以京張高鐵清河站設(shè)計(jì)為例

王欣睿

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

綜合交通樞紐是融合多種交通形式的復(fù)合功能建筑，一般具有工程整體規(guī)模體量大、內(nèi)部功能多樣復(fù)雜[1]、各部分空間由多種結(jié)構(gòu)形式組合構(gòu)成等特點(diǎn)。由于樞紐建筑內(nèi)涵蓋多種交通設(shè)施，不同設(shè)施對(duì)應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)不同，各專業(yè)設(shè)備機(jī)房還需獨(dú)立設(shè)置等因素，其綜合管線設(shè)計(jì)具有專業(yè)多、管線形式多樣、數(shù)量大、接口復(fù)雜；同一空間內(nèi)，多種設(shè)備管線集中并聯(lián)敷設(shè)；不同專業(yè)管線覆蓋范圍大，需立體串聯(lián)等難點(diǎn)。而綜合管線的合理排布可以協(xié)調(diào)各專業(yè)管線避免碰撞沖突，充分利用有限空間，結(jié)合土建裝修設(shè)計(jì)優(yōu)化室內(nèi)凈高，從工序上指導(dǎo)施工避免返工，提高整體工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。因此，管線綜合設(shè)計(jì)是樞紐建筑施工圖及深化設(shè)計(jì)階段的重要環(huán)節(jié)之一[2]。

綜合管線設(shè)計(jì)需以符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范及各專業(yè)具體工藝要求為前提，在了解建筑各層平面、結(jié)構(gòu)形式、管線整體路由的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)設(shè)備管線間矛盾，真實(shí)反映各管線路徑及相互關(guān)系。綜合排布后的管線應(yīng)盡可能高處布置、平行排布、互不交叉。

由上可見，樞紐建筑管線綜合設(shè)計(jì)要求高、技術(shù)新、專業(yè)性極強(qiáng)，是專業(yè)間協(xié)調(diào)平衡的體現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不夠直觀、協(xié)同性差等局限[3]，BIM技術(shù)可從可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性三個(gè)方面有效助力管線綜合設(shè)計(jì)[4-6]，解決專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)雜而展示方式單一，參與專業(yè)眾多但專業(yè)間配合難以協(xié)調(diào)，施工建設(shè)要求高效率、高標(biāo)準(zhǔn)等問題。

2 綜合管線設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)

2.1 綜合管線布置基本原則

管線綜合設(shè)計(jì)是協(xié)調(diào)眾多專業(yè)，在機(jī)電安裝工程施工前綜合考慮各專業(yè)管線，預(yù)先判斷可能存在的問題，統(tǒng)一合理布置的過程[7-8]。

設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙，并著重熟悉幾點(diǎn)內(nèi)容，包括：建筑各層平面和使用功能；建筑結(jié)構(gòu)形式、各層梁高及高程控制點(diǎn)處凈高；裝飾裝修形式和構(gòu)造厚度；各專業(yè)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)容，設(shè)備分布情況，管線組成、種類、材質(zhì)、數(shù)量、尺寸、分布特點(diǎn)等。

設(shè)計(jì)時(shí)需要整體考慮各類管線管槽，以保證設(shè)備功能為前提，以各專業(yè)工藝規(guī)范要求為依據(jù)，并以下列原則作為綜合布置基本原則[9-10]。

(1)各類管線盡量利用梁內(nèi)空間，貼梁底走管，平行敷設(shè)。

(2)小管道讓大管道、壓力管道讓無壓(重力流)管道、可彎管道讓不可彎管道、冷水管道讓熱水管道、附件少管道讓附件多管道、臨時(shí)管道避讓永久管道。

(3)各管線同一處垂直方向布置時(shí)，風(fēng)管在電管線上、電管線在水管線上、給水管在排水管上、無關(guān)管線避讓設(shè)備正上方。

(4)管道布置時(shí)需滿足管道間互不干擾的安全距離要求并預(yù)留后期擴(kuò)展空間；需考慮管道保溫層厚度和各處支吊架占用位置和空間；需在充分考慮管線安裝順序影響后預(yù)留管線安裝檢修空間，并結(jié)合檢修路線布置設(shè)備檢修口和檢修通道。

2.2 交通樞紐管線綜合特點(diǎn)

交通樞紐建筑因需應(yīng)對(duì)不同空間的使用要求，涵蓋設(shè)備系統(tǒng)多樣，專業(yè)復(fù)雜，管線繁多。涉及專業(yè)除民用建筑中常見的水、暖、電等，還包括鐵路相關(guān)的照明、供電、信息、信號(hào)、通信、FAS、BAS、綜合布線等[11-12]。常見樞紐內(nèi)還包含地鐵功能和市政功能等，因不同功能投資主體不同、設(shè)施管理界面需分明，則需設(shè)置可分開管理并對(duì)應(yīng)不同功能的設(shè)備系統(tǒng)和機(jī)房。專業(yè)疊加而空間有限，是綜合交通樞紐建筑管線綜合設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

此外，在樞紐建筑中，公共空間作為不同交通功能的轉(zhuǎn)換空間，是乘客換乘、等候、通過的多功能復(fù)合空間。同時(shí)，公共空間也是不同專業(yè)設(shè)備干管貫通交匯、管線布置最為集中、末端設(shè)備最多的空間。如何在有限的吊頂、夾層空間內(nèi)，統(tǒng)籌安排各類管線，最大限度節(jié)約可用空間，增強(qiáng)建筑空間感，是綜合管線設(shè)計(jì)的重中之重。

3 清河站管線綜合設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目概述

清河站作為京張高鐵第二站，2022年冬奧會(huì)始發(fā)站，總建筑面積14.6萬m2，包含高鐵站房，輕軌13號(hào)線，地鐵昌平線南延和19號(hào)線支線車站，公交場(chǎng)站、出租與社會(huì)車輛場(chǎng)地及其他市政配套相關(guān)工程，為綜合交通樞紐車站。

清河站含地下2層、地上2層，局部設(shè)置夾層。主要公共空間由地下二層地鐵昌平線南延和19號(hào)線支線站臺(tái)層，地下一層城市換乘通廊、地鐵付費(fèi)區(qū)、國(guó)鐵出站廳和出站通道、首層國(guó)鐵進(jìn)站廳、地鐵13號(hào)線站臺(tái)和國(guó)鐵站臺(tái)(共5臺(tái)10線)，二層國(guó)鐵高架候車廳及局部商業(yè)夾層組成。

作為高架車站，清河站各專業(yè)管線主要分布在高架候車廳下方管線夾層、站臺(tái)下管線通廊、地下一層換乘大廳吊頂?shù)瓤臻g內(nèi)。其中，為站房?jī)?nèi)公共空間服務(wù)的管線分布在站廳下方夾層及地下一層吊頂空間內(nèi)。

3.2 清河站管線綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容及特點(diǎn)

清河站綜合管線設(shè)計(jì)以管線綜合和裝修設(shè)計(jì)一體化為前提，結(jié)合土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮設(shè)備管線安裝方式；結(jié)合旅客通過、等候時(shí)的感官感受，協(xié)調(diào)并優(yōu)化各部分空間尺度；結(jié)合裝飾裝修深化設(shè)計(jì)，細(xì)化管線末端布置。

在地下一層換乘大廳管線綜合設(shè)計(jì)中，由于該空間結(jié)構(gòu)組成為冠狀曲線預(yù)應(yīng)力清水混凝土柱承托大跨度U形預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土站臺(tái)梁板結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)澆筑后不可穿鑿，嚴(yán)格限制了管線后期安裝形式，如圖1所示。

圖1 地下一層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

在U形梁設(shè)計(jì)時(shí)，即在梁底預(yù)留埋件，為后期吊頂及管線安裝提供支點(diǎn)。因考慮到U形梁上方軌行區(qū)在列車通過時(shí)存在振動(dòng)可能，且吊頂內(nèi)大部分國(guó)鐵、地鐵管線需南北、東西向貫通并引入大廳兩側(cè)設(shè)備用房，局部管線重疊處集中荷載較大，U形梁結(jié)構(gòu)埋件無法承受。在管綜設(shè)計(jì)時(shí)，采用分層分通路設(shè)計(jì)思路，利用梁下預(yù)埋件固定加密平面網(wǎng)格轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，為吊頂龍骨吊桿提供吊點(diǎn)。此外，因軌道下方垂直U形梁方向的貫通管線，多數(shù)平行分布在清水混凝土柱頂蓋梁兩側(cè)，由此在蓋梁兩側(cè)平行方向設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)桁架通廊。桁架兩端固定在站臺(tái)梁下方，不與U形梁結(jié)構(gòu)連接，故不會(huì)受到軌行區(qū)振動(dòng)影響，可為橫軌管線安裝提供穩(wěn)定支撐，如圖2所示。兩軌道間順軌向貫通管線分通道集中排布在站臺(tái)對(duì)應(yīng)的機(jī)電管廊下方，兩組橋梁蓋梁之間，利用站臺(tái)梁結(jié)構(gòu)為綜合橋架支點(diǎn)，分區(qū)域布置國(guó)鐵地鐵管線。此外，其他需利用預(yù)埋件及平面轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)分散均布吊裝的設(shè)備，如噴淋支管噴頭、暖通風(fēng)口、煙感探頭、國(guó)鐵地鐵廣播、顯示屏、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)等，均在吊頂平面內(nèi)統(tǒng)一排布，避免分布不均造成局部點(diǎn)位設(shè)備集中。施工時(shí)，應(yīng)同樣以設(shè)計(jì)思路為依據(jù)，即按平面轉(zhuǎn)換網(wǎng)格—橫軌貫通管線—順軌貫通管線—分散設(shè)備—吊頂?shù)龋謱臃植降跹b，如圖3所示。

圖2 地下一層橫軌鋼結(jié)構(gòu)桁架

圖3 地下一層吊頂內(nèi)管線布置效果

在高架站房設(shè)計(jì)中，為保證候車廳整體開敞、明亮的效果，大部分為站廳層服務(wù)的管線均布置在其下設(shè)備夾層中。高架候車廳結(jié)構(gòu)形式為實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)，下方主梁高度2.1 m，利用此結(jié)構(gòu)高度作為設(shè)備管線夾層。設(shè)計(jì)時(shí)在鋼梁上均勻預(yù)留高度為1 m，寬度0.75～1 m不等的洞口，形成管線貫通連接空間，如圖4所示。夾層管線除水、暖、電、四電專業(yè)管線外，因設(shè)置密閉垃圾系統(tǒng)等，管線密集繁多，接口復(fù)雜。在管綜設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮滿足重力流管線如污、廢水管的貫通排布及其坡度變化，其次排布管徑DN500 mm的密閉垃圾設(shè)備管道后，依序排布其他專業(yè)管線。此外，在設(shè)計(jì)管線路由時(shí)，需結(jié)合站廳層地面檢修口設(shè)置，以確保夾層內(nèi)每個(gè)空間均可進(jìn)人檢修并預(yù)留出檢修人員專用路徑；夾層內(nèi)設(shè)計(jì)反光導(dǎo)向標(biāo)示，防止人員在設(shè)備層迷失并縮短檢修路徑，方便管線設(shè)備維護(hù)管理。

圖4 高架夾層管線綜合布置(單位：mm)

3.3 清河站管綜設(shè)計(jì)BIM技術(shù)應(yīng)用

清河站各層功能綜合、建筑體量大、機(jī)電管網(wǎng)交錯(cuò)，土建結(jié)構(gòu)形式多樣。在綜合管線設(shè)計(jì)階段，除以傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)，還利用BIM技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，三維模擬建筑空間，解決了異形雙曲面吊頂、曲線結(jié)構(gòu)定位等問題；并針對(duì)圖紙中難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)、漏、碰、缺等問題，逐一排查調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化綜合管線排布路由[13-15]。

BIM技術(shù)對(duì)管線綜合及裝修設(shè)計(jì)一體化的指導(dǎo)，主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

(1)BIM模型進(jìn)行碰撞檢查。建筑內(nèi)所有設(shè)備管線以三維效果展示在真實(shí)模型空間內(nèi)，可以直觀發(fā)現(xiàn)管線“打架”節(jié)點(diǎn)和觀察管線與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隱藏問題并暴露碰撞矛盾。例如，在清河站地下一層，管線在設(shè)備區(qū)和公共區(qū)交界處，受梁高和吊頂高程限制，需在梁下集中翻轉(zhuǎn)后分方向散開，通過BIM模型可觀察不同走向管線與結(jié)構(gòu)和吊頂?shù)母叨汝P(guān)系，一目了然發(fā)現(xiàn)交叉碰撞問題并調(diào)整，如圖5所示。

圖5 BIM模型進(jìn)行碰撞檢查調(diào)整對(duì)比

(2)BIM模型驗(yàn)證復(fù)雜空間。傳統(tǒng)二維綜合管線設(shè)計(jì)通常選取管線局部復(fù)雜交叉點(diǎn)進(jìn)行剖切設(shè)計(jì)，難以貫通體現(xiàn)管線排布變化；分散布置的單一設(shè)備僅平面進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，無法全面分析節(jié)點(diǎn)處空間關(guān)系[14]。而BIM技術(shù)可針對(duì)復(fù)雜位置進(jìn)行數(shù)據(jù)信息整合，多維協(xié)調(diào)管線設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。例如，在清河站地下?lián)Q乘大廳內(nèi)，BIM模型中整合了柱曲線蓋梁、U形梁預(yù)埋件、擋煙垂壁、鋼桁架、大型風(fēng)管及其他管線、噴淋、煙感、揚(yáng)聲器、燈具、標(biāo)識(shí)吊桿等全部構(gòu)件及設(shè)備終端設(shè)計(jì)，精確每處空間平剖面關(guān)系；此外，著重驗(yàn)證局部管線集中荷載較大位置，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支吊架設(shè)計(jì)。

(3)BIM模型解決凈高問題。交通樞紐建筑工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型多樣、施工工藝要求高，在設(shè)計(jì)階段就需盡早考慮結(jié)構(gòu)、管線安裝、吊頂裝飾高程協(xié)調(diào)的問題[16]。尤其在公共空間設(shè)計(jì)中，綜合管線排布將直接影響室內(nèi)凈高及其裝修效果。利用BIM技術(shù)的可模擬優(yōu)勢(shì)，結(jié)合VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)，對(duì)不同區(qū)域凈高進(jìn)行綜合排查，找出凈空不利點(diǎn)位置，及時(shí)調(diào)整管線路由或改為預(yù)留穿梁套管，可提早發(fā)現(xiàn)并解決問題，如圖6所示。

圖6 BIM模型檢查凈高不足位置

(4)BIM模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。三維模型的優(yōu)勢(shì)是多專業(yè)合并立體展示，細(xì)部直觀表達(dá)。如一般鋼結(jié)構(gòu)圖紙中鋼梁僅顯示為單線，在清河站BIM設(shè)計(jì)中導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)模型后，鋼結(jié)構(gòu)真實(shí)造型、尺寸厚度、細(xì)部加勁肋、連接桿件等，均得以全面觀察，鋼結(jié)構(gòu)空間管線排布可進(jìn)一步優(yōu)化，如圖7所示。在站廳下方管線夾層中，使用BIM進(jìn)行漫游模擬，可確保夾層內(nèi)每個(gè)空間均可進(jìn)人檢修，并模擬出最優(yōu)檢修路徑。

圖7 BIM模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

(5)BIM技術(shù)三維交底。在完成一系列檢查及優(yōu)化后，最終各專業(yè)除對(duì)照BIM模型導(dǎo)出的二維深化圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)確認(rèn)，還可結(jié)合模型及視頻，進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化交底。原二維平面設(shè)計(jì)圖紙中難以展現(xiàn)的細(xì)節(jié)，均可通過BIM深化設(shè)計(jì)模型，全面觀察、逐一確認(rèn)、精確把控。三維交底成果除可以上傳至手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件中展示，方便施工人員現(xiàn)場(chǎng)查閱、指導(dǎo)施工外[17]。還可以依據(jù)交底成果對(duì)所有設(shè)備管道進(jìn)行預(yù)制加工，保證裝配式安裝的精確性[18]。

因現(xiàn)階段鐵路車站BIM設(shè)計(jì)、交付及實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一制定，BIM生成的施工圖與國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)及鐵路審圖標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差距；且因BIM全信息模型創(chuàng)建通常滯后于二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，正向設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)等因素。BIM技術(shù)在樞紐車站建筑管線綜合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還略有局限，尚無法完全取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。而其作為輔助設(shè)計(jì)工具，優(yōu)化既有設(shè)計(jì)并在后續(xù)施工指導(dǎo)和設(shè)備管理維護(hù)等方面的應(yīng)用已取得良好的成效。

3.4 綜合管線相關(guān)抗震支吊架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

管線支吊架設(shè)計(jì)是保證綜合管線安裝質(zhì)量的重要因素之一。在車站建筑中，為保證公共空間的凈高及各部位管線安裝穩(wěn)固牢靠，施工深化設(shè)計(jì)大多采用綜合支吊架并進(jìn)行專業(yè)抗震設(shè)計(jì)。抗震支吊架在地震中對(duì)建筑機(jī)電工程設(shè)施給予可靠保護(hù)，是以地震力為主要荷載的支撐系統(tǒng)，與以重力荷載為主要荷載的支吊架系統(tǒng)共同設(shè)置，相輔相成[19]。

抗震支吊架由錨固體、加固吊桿、抗震連接構(gòu)件及抗震斜撐組成。其設(shè)計(jì)需基于準(zhǔn)確的機(jī)電管線綜合排布和主體結(jié)構(gòu)的形式及定位，以保證抗震支撐的安裝空間[20]。在清河站設(shè)計(jì)中，利用BIM技術(shù)，可從三維角度直接觀察每處支吊架設(shè)置橫向或縱向斜撐的空間條件，從而確定斜撐布置點(diǎn)位和間距，對(duì)斜撐的形式和角度進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)?？捎行П苊庖颥F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝條件與設(shè)計(jì)圖紙偏差造成的返工浪費(fèi)問題。

4 結(jié)語

隨著鐵路科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，新型交通樞紐建筑的綜合管線設(shè)計(jì)對(duì)綜合性、專業(yè)性要求越來越高。通過BIM助力管線綜合設(shè)計(jì)，不僅可以保證建筑功能和設(shè)備系統(tǒng)功能，還可有效銜接管線設(shè)計(jì)和后期施工兩個(gè)階段，從而達(dá)到提高施工效率、節(jié)約建設(shè)成本、提升建設(shè)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)精品化工程的目的。