動車運用所室外綜合管線BIM正向設計方法研究

林 耀,何 勇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司機械動力設計研究院,北京 100055)

1 概述

動車運用所室外綜合管線是指所內室外各個專業(yè)的管線、管溝、管槽、管廊等，它是動車運用所基礎設施的重要組成部分，擔負著動車所內能源輸送、信息傳輸以及污廢排放等功能。綜合管線設計是一項系統工程，它對減少用地規(guī)模、節(jié)約能源、降低工程投資、提高經濟效益具有顯著作用，其目的就是在符合管線設計技術規(guī)范的前提下，將動車所室外的各類管線統籌安排，協調設計中存在的矛盾。由于管線種類多、交叉點數量龐大、多專業(yè)設計內容又互為邊界條件，且動車所管線敷設空間有限，綜合管線設計一直是動車所工程的重難點[1]。國內動車運用所室外綜合管線設計基本都采用常規(guī)二維手段進行設計，但具有局限性、不直觀，設計階段協調難度大，容易造成施工階段管線安裝工序不當。

隨著BIM技術愈加普及，其三維空間展現能力[2-3]，為綜合管線設計提供了新的思路[4]。京張高鐵北京北動車所完成了各專業(yè)的管線建模，并完成室外綜合管線模型總裝，但其模型是基于二維施工圖翻模建立的，施工也仍依靠傳統二維管綜圖紙，故管線沖突、安裝空間不足等問題仍時有發(fā)生，造成一定的重復或廢棄工程，影響了工程造價和工程進度。因此本文提出基于BIM的三維正向設計方法，通過研究協同設計、重要基準導入、三維管線綜合排布方法、復雜交叉點優(yōu)化方法、管線碰撞檢查和調整方法等，立體展現綜合管線的空間排布位置，同時優(yōu)化三維模型轉二維施工圖出圖方法，合理規(guī)劃出圖內容，確保圖紙表達完整。從而提高動車運用所室外綜合管線設計的準確性、設計效率，減少設計出錯率及施工返工、浪費人力物力等現象，能夠有效解決綜合管線二維設計中存在的問題。

2 動車所室外綜合管線BIM正向設計方案

目前，主流的BIM軟件公司包括Bentley、Dassault和Autodesk等公司[5]。其中Bentley軟件平臺基于MicroStation開發(fā)，模型格式統一，對鐵路各專業(yè)支持度較好，符合鐵路設計習慣，故選取Bentley軟件平臺進行本次研究。

2.1 室外綜合管線BIM正向設計流程

動車所室外綜合管線BIM正向設計是指利用BIM技術，以站場、房建、軌道等專業(yè)模型為基準設計，按照設計流程依次進行相關專業(yè)管線設計、室外管線總裝、室外管線綜合排布、碰撞檢查調整。設計流程和常規(guī)二維設計流程相似，規(guī)定了正向設計的前后順序，數據流則定義了BIM設計成果的傳遞方向[6-7]。綜合管線BIM正向設計流程如圖1所示。

圖1 管線綜合BIM正向設計流程

2.2 協同設計管理

動車所室外管線種類繁多，涉及電力、通信、信號、給排水、站場等數個專業(yè)，多專業(yè)設計內容又互為邊界條件，設計階段伴隨著方案調整、節(jié)點控制等問題，協調難度大。要有序地開展如此復雜的設計工作必須要進行協同設計管理。在BIM設計中，協同設計管理不僅可以使各專業(yè)基于同一可視三維空間開展工作，也能夠同步跨區(qū)域的數據，并有效追蹤和管理BIM協同設計中的數據流。

采用Bentley ProjectWise協同設計管理平臺[8]，創(chuàng)建項目和專業(yè)配置，設定統一格式、坐標等，賦予不同專業(yè)設計人員不同的權限。設計人員利用ProjectWise平臺在設計過程中獲取統一數據源、完成BIM資料互提，同時平臺也會對專業(yè)間的參考關系和文件版本進行記錄和管理。使設計人員突破空間限制跨區(qū)域進行協同設計[9]。

2.3 室外綜合管線模型建立

2.3.1 相關專業(yè)管線設計

各專業(yè)的室外管線設計應以站場專業(yè)設計成果為基礎，導入房建、接觸網、軌道等專業(yè)模型作為重要基準進行設計。設計人員應在協同設計平臺下根據本專業(yè)設計要求排布室外管線，應考慮避開重要基準，包括房屋結構基礎柱墩、承臺、軌道、道砟、接觸網支柱基礎、既有管線等，并調整與其他設施間的凈距。

同時，室外管線的BIM設計為固定形式斷面沿一定路徑進行拉伸和組合，故使用Bentley Mechanical Building Designer軟件進行管線設計，能夠快速根據管線類型和尺寸進行線性拉伸，其還包含各類專業(yè)管線族[10](圖2)，滿足管線BIM建模中的轉彎變徑、管線連通、閥門設置等需求。

圖2 專業(yè)管線族

2.3.2 管線綜合排布

將各專業(yè)室外管線在統一坐標下總裝，進行室外管線綜合調整、排布。在動車所室外綜合管線的排布過程中，由于各類管線在性質和使用上各有不同，故不同系統的室外管線有其自身的排布要求和設計原則，應盡量保持各專業(yè)的提資位置。如管線需調整應既能滿足各專業(yè)系統管線間距埋深等硬性的需求，也要設計美觀實用，方便施工作業(yè)及后期運營維護。故提出綜合管線三維排布優(yōu)化方法，如下所述。

在室外管線綜合排布的過程中，應優(yōu)先考慮重力流管線的排布。根據承壓情況，有重力流管線和壓力管線，壓力管線應避讓重力自流管線，特別是埋設較深的污水及雨水管道，其他管線應盡量避讓或上跨的形式穿過它，使污水及雨水管道走管路徑順暢少阻礙，從而滿足坡度和順直要求。重力流管線應根據提資中管線高程、流向、坡度等信息進行調整、排布，避免盲目開展設計，后期如發(fā)現重力流管線高程沖突，將造成大面積管線調整的現象，嚴重影響設計進度。同時強電井或管廊埋設也較深，故針對與重力流管線交叉沖突處應優(yōu)先做局部調整，若無法改變交叉沖突，則與專業(yè)溝通后根據平面周邊井室的布置情況，將沖突位置處的管溝調整為包封排管敷設。

初步穩(wěn)定重力流管線和強電井的布置后，進而對其他管線進行排布，其余綜合管線排布遵循下列原則即可：臨時管線避讓永久管線；小管線避讓大管線，而大口徑的管線一般施工周期較長，在設計中應著重考慮工序因素；可彎曲管線避讓不可彎曲管線，如地下纜線、給水管等與其他管線發(fā)生沖突時，應在滿足埋深要求和與其他管線間距要求的情況下避讓其他不可彎曲管線；道路兩側優(yōu)先布置強弱電管線管溝，其次是壓力流管線，其他管線如在道路兩側布置不下則調整至道路下敷設[11-12]。

2.4 碰撞檢查

碰撞檢查[13-14]的主要目的是基于動車所室外綜合管線自動檢測管線之間、管線與建構筑物之間在空間位置上是否有重疊發(fā)生，還可設置閾值檢查管線的空間位置是否滿足檢修要求，從而完成項目模型內各種管線、構筑物三維協同設計工作，以避免空間沖突[15]，消除管線之間的碰撞，從而避免設計錯誤影響施工。碰撞檢查用的是Bentley 軟件提供模型硬碰撞的檢測、查看和管理功能。碰撞檢查可以按檢查規(guī)則対三維模型中的管線、管件、設備、墻體、結構基礎、軌道等三維模實體進行碰撞檢查。同時，軟件將自動生成檢查結果，并顯示碰撞位置，以便設計人員能夠快速查找到碰撞點，進行管線調整。碰撞檢查步驟如下所述。

(1)檢查的對象和范圍可以在碰撞檢查工具中進行設定。在室外綜合管線碰撞檢查時，通常將管線、管件、結構基礎、墻、柱、軌道等模型勾選，設定為檢測碰撞的內容。

(2)碰撞報告輸出

碰撞檢查完畢后會將碰撞的模型以及模型種類屬性注釋一并記錄下來。選中報告中的碰撞點會切換到碰撞位置的具體視圖，碰撞實體模型按照事先定義好的顏色進行標記，與其他管線構件相區(qū)別。調取碰撞檢查結果，可以對每個碰撞項進行選擇和原因分析，從而確認其是否為有效碰撞，確認后則進行調整和修改。

應著重對復雜交叉點進行碰撞檢查，根據碰撞檢查報告進行優(yōu)化調整，對調整后的管線進行二次碰撞檢查，反復多次直至確認管線無碰撞沖突。

3 二維圖紙生成及圖紙內容規(guī)劃

在現行的鐵路工程設計環(huán)境下，還處于二維圖紙向三維建模設計的過渡階段，二維圖紙仍然是設計院的主要設計成果，因此由三維BIM模型轉為二維圖紙也是當下必要的需求?？稍贐entley 軟件中完成對模型的尺寸標注、注釋說明、標準圖框創(chuàng)建、整體布局之后再導出DWG格式圖紙[16-17]。

在出二維圖紙前，應對圖紙內容進行規(guī)劃，考慮如何充分利用三維模型的空間立體屬性、選取哪些內容可以將室外綜合管線在二維圖紙上表達清楚。首先，最重要的是室外管線綜合總平面圖，包含動車運用所全部管線的平面布置，管線之間的水平間距，管線的縱向高程，以及到道路邊沿或構(建)筑物的距離。其次，對復雜交叉點內所有管線交叉點進行管線數據信息列表，對每一個管線交叉點進行編號并列表，在表格內記錄交叉管線的信息，包含交叉管線的種類、管線敷設的數量、管徑尺寸、兩管線的絕對高程和相互間的垂直間距，其中垂直間距利用Excel表格根據絕對高程和管徑列公式計算，見圖3。利用這種列表形式可以清楚地表達出每一處管線的絕對高程信息和交叉管線，并在列表上方布置三維模型圖和交叉點平面布置圖，見圖4，使圖紙更加直觀，更能理清復雜交叉點內各個管線直接的相互關系，方便施工單位理解，減少施工問題。其余交叉管線較少，不復雜的位置僅在設計說明中提供設計原則和規(guī)范。

圖3 管線數據信息列表表達形式

圖4 三維模型圖和交叉點平面布置圖表達形式

通過一張室外綜合管線總平面布置圖，搭配部分復雜交叉點平面圖，并補充信息列表、三維模型圖的出圖形式，克服傳統二維設計圖紙看圖困難、表達信息不清晰、管線內容遺漏的問題，提高了動車所室外管線綜合的設計準確性，減少施工錯誤和返工現象。

4 建議與展望

4.1 室外綜合管線BIM正向設計建議

(1)動車運用所室外綜合管線BIM正向設計不宜脫離上序專業(yè)獨立研究，專業(yè)之間的數據交互是正向設計的關鍵[18]。開展BIM正向設計工作應建立協同設計管理機制，統一設計數據格式，以便互為邊界的專業(yè)間數據互通、協同設計。

(2)建議加速推進鐵路工程設計由二維邁向三維BIM正向設計[19]，將三維BIM模型成為設計院的主要設計成果，節(jié)省三維模型導出二維圖紙的不必要時間，施工單位依據三維BIM模型進行施工指導將更直觀清晰，簡化讀圖難度，提高施工準確度，減少返工現象。

(3)BIM具有一個全壽命周期的特征[20]，建議設計人員對室外綜合管線進行詳細的非幾何屬性賦值，為日后動車所運維提供數據支持，提高運營階段對前期工程信息的利用率。

4.2 展望

BIM技術的應用能夠覆蓋建筑的全生命周期，它將是鐵路信息化建設的發(fā)展方向，也為動車所的運維提供了新的思路。以動車所竣工后交付的室外綜合管線模型和建筑設施模型為載體，將管線及其他設施的信息數據集成，進一步引入建筑的日常運維管理功能[21]，利用BIM模型的可視化3D空間展現能力，建立三維視角下的動車所運維平臺，實現動車所智能化運維管理，提高信息化管理、運維高效直觀、信息數據充分利用，為鐵路從數字化向智慧化發(fā)展進而形成新一代技術體系邁出堅實的一步。

5 結語

通過研究應用BIM技術，以Bentley ProjectWise為協同設計管理平臺，結合站場、房建、接觸網、軌道等專業(yè)模型，電力、通信、給排水等相關專業(yè)協同設計本專業(yè)管線，通過管線總裝模型的綜合排布，優(yōu)化復雜交叉點，碰撞檢查調整，實現動車所室外綜合管線正向設計。同時根據現行的鐵路工程設計環(huán)境，研究三維模型轉二維圖紙的出圖方法及圖紙內容規(guī)劃，提高設計準確性，減少施工錯誤和返工現象。本次方法研究為后續(xù)開展室外綜合管線正向設計提供指導，對推廣全專業(yè)開展BIM正向設計具有一定的借鑒意義。