BIM技術在南陽東站機電工程中的應用研究

付逸群

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 建筑設計處，北京 102600）

建筑機電工程主要包括暖通、給排水、電氣3大專業(yè)。機電工程的施工質量直接影響著建筑工程的整體質量，機電設備安裝和管線排布的合理性，決定著竣工后站房是否可以實現安全運維。

在傳統的設計中，建筑機電工程的設計成果是由不同專業(yè)的設計人員通過 CAD 繪制的二維平面布置圖與系統圖組成的，CAD 圖紙展示效果不夠直觀，非專業(yè)人員難以理解[1]，且機電工程由多專業(yè)相結合，設計人員難以從二維圖紙上獲取對其它專業(yè)設備及管線空間上的認知，容易造成各專業(yè)間管線甚至是設備間的沖突。而這些問題往往集中在施工階段才被發(fā)現，容易引起設計變更，造成資源與工期的浪費，甚至會帶來質量隱患[1]。

新建鄭（州）—萬（州）高鐵全長785 km，全線設18座站房。其中，南陽東站是鄭萬鐵路河南段中最大的車站。本文主要介紹建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術在南陽東站的機電工程施工中的運用情況。

1 施工設計和優(yōu)化

1.1 建立三維模型

機電BIM工程師基于各專業(yè)設計師提供的二維圖紙進行建模。創(chuàng)建土建工程模型；將機電工程中不同專業(yè)的設備、管線形成其相應的族庫；通過與各專業(yè)設計師的溝通，逐步完善各自的三維族庫，保證各系統模型的完整。在搭建模型時，機電BIM工程師需錄入合同采購單價、材質、供貨商等信息，以便編制合理的生產進度安排、精細化成本管理，同時奠定良好的運維基礎[2]。

南陽東站的機電工程分為地下一層、首層、夾層和屋面層4層。涉及到的各專業(yè)三維模型建立情況如下。

（1）暖通專業(yè)：包括送風系統、回風系統、排風系統、排煙系統、空調冷凍水供水回水系統、空調冷卻水供水回水系統、多聯機系統。如表1所示，將暖通專業(yè)各系統管線進行配色，建模時需按照配色表對模型進行著色，方便后期區(qū)分、優(yōu)化。

由于通風系統管線普遍較大，且較為簡單，風管一般都在其他專業(yè)管線上；在暖通專業(yè)范圍內，管道敷設及排列標高需依據先無壓后有壓，先風管后水管的原則進行敷設，給水管、自噴管需結合現場情況進行敷設；冷凝水管在安裝時，應注意排水坡度；同時也應注意對有保溫需求的管道進行保溫材料的空間預留。

表1 暖通專業(yè)各系統管線配色表

（2）給排水專業(yè)：包括生活給水系統、排水系統、廢水系統、雨水系統、消火栓系統、噴淋系統、消防水炮系統。如表2所示，將給排水專業(yè)各系統管線進行配色。該專業(yè)各系統管線較多，且較為復雜，建模時需注意管道接口部分、管道的孔洞預留與管道的坡度，同時，需盡量避免將水管設計在電纜橋架上方。

表2 給排水專業(yè)各系統管線配色表

（3）電氣專業(yè)：包括強電橋架、弱電橋架與消防橋架，如表3所示。電氣專業(yè)各系統間線路都集中在橋架內，安裝時需注意強弱電的區(qū)分，同時，避免橋架在水管的正下方。

表3 電氣專業(yè)各系統管線配色表

南陽東站各層管線分布如圖1所示。

將各專業(yè)系統模型創(chuàng)建完成后，使用Dynamo參數化輔助管線綜合（簡稱：管綜）深化。本文針對南陽東站復雜的管線排布，采用Dynamo參數化差異對結構模型的顯示效果進行修改。根據梁底標高對梁進行著色，從綠色到紅色，代表梁底標高從高到低，如圖2所示。圖中直觀展現了管綜標高位置的分布情況，從而輔助設計人員有針對性的對結構標高底的位置進行管綜優(yōu)化。

基于已有的BIM管綜模型，可出具剖面安裝圖、軸測圖及制作安裝模擬動畫[3]，用于施工方案模擬及技術交底。

1.2 碰撞檢測與碰撞報告

本文利用 Navisworks 軟件的碰撞檢測功能對南陽東站機電工程進行總體上的碰撞檢測，分別對結構與機電以及機電各專業(yè)之間的管線進行碰撞檢測，南陽東站水管與電纜橋架碰撞檢測如圖3所示。

碰撞檢測完成后，可通過Navisworks軟件將碰撞位置、圖像、距離、碰撞的構件等信息以HTML文件的格式導出。圖4為對機電與結構進行碰撞測試后導出的碰撞報告。

針對碰撞報告中給出的碰撞定位、間距和構建等進行分析，將碰撞的位置、分類以及碰撞問題的描述等信息制作成碰撞問題記錄表，如表4所示。

1.3 量化數據

表4 碰撞問題記錄表

本文基于BIM技術確定管綜排布方案，在保證機電系統功能和要求的基礎上，結合裝修設計的吊頂高度情況，對管線的間距、高程等數據進行合理優(yōu)化，滿足設計、施工及后期運維要求，并將相關碰撞問題匯總成表，形成碰撞問題類別統計表，如表5所示。

表5 碰撞問題類別統計表

對相關碰撞問題進行匯總后，劃分各類碰撞問題的處理優(yōu)先級，對重、急問題進行優(yōu)先處理，對諸如結構與機電碰撞導致施工時無法安裝的問題進行提前變更，有效避免了在施工階段發(fā)現錯誤及返工的可能，從而達到提高溝通效率、節(jié)約施工成本、減少變更返工、加快施工進度等目的，顯著提高了參建各方的工作效率[1]。

1.4 管綜二次深化設計

針對收集到的問題，對機電系統進行二次深化設計，并對管綜排布進行優(yōu)化。

深化設計的流程依次為：確定吊頂標高、確定管綜控制區(qū)域、其他碰撞位置的優(yōu)化、支吊架布置及空間預留、管綜優(yōu)化記錄留存及問題銷號，其中，確定管綜控制區(qū)域為重點，管綜控制區(qū)域應趨近于結構最低點和管線最復雜位置。

管綜優(yōu)化應先完成管綜控制區(qū)域的管線排布，再根據控制節(jié)點標高調整其他位置管線；在豎直、水平方向上，管線布置應在滿足標高要求的同時滿足預留空間要求。

以南陽東站管線最為復雜的地下一層為例，機電專業(yè)所有的管線系統在地下一層均有設置，為管線綜合重點區(qū)域。本層選擇B～C/2～3區(qū)域以及中軸對稱位置作為管綜控制區(qū)域，圖5、圖6分別為該區(qū)域優(yōu)化前后的三維效果圖。

如圖5所示，優(yōu)化前該區(qū)域管線分布雜亂無章，各專業(yè)管線交織碰撞在一起，無法指導施工。利用碰撞報告可針對各個碰撞部位進行優(yōu)化。如圖6所示，優(yōu)化后，該區(qū)域的管線排布整齊有序，且更為經濟、合理。

管綜布置的基本原則為：保證結構安全，滿足施工和維護空間要求，滿足深化設計施工規(guī)范，合理利用空間，滿足裝飾要求。在滿足上述基本原則的同時，應結合實際情況優(yōu)化布置。地下一層B～C/2～3區(qū)域管線眾多、排列復雜：（1）在豎向排列上應采用復雜系統在下，簡單系統在上的原則，方便日后對故障部位進行排查與修護；（2）由于地下一層樓層凈高較低，故選用排風在上、水電在下的排列原則；（3）在水平方向的排列上，由于無壓管改變坡度和流向，對流動影響較大，故有壓管需避讓無壓管；（4）由于水流動的動力消耗較大，氣體管需避讓水管；（5）考慮經濟因素，如小管繞彎容易，且造價相對大管更為低廉，所以小管需避讓大管。還有諸多避讓原則，需結合相關專業(yè)特點及具體部位討論。

依據各專業(yè)管線的優(yōu)化原則對管線進行優(yōu)化后，可輸出關鍵節(jié)點的剖面圖，優(yōu)化先后的刨面圖分別如圖7、圖8所示。管綜優(yōu)化后能夠使用戶對管線在豎向空間上的分布有更直觀的認識。

1.5 技術交底

與傳統紙質交底相比，三維可視化交底具有直觀、易于理解等優(yōu)點。使用三維可視化交底，可以讓現場施工人員更加深入地理解交底內容，提升施工質量[4]。

南陽東站機電工程依托BIM技術對管綜優(yōu)化成果進行出圖，形成關鍵節(jié)點處的剖面圖10余張，管綜平面圖紙2張，單專業(yè)平面圖紙6張。同時利用BIM技術的三維可視化特點，通過動畫、虛擬現實等手段對現場的管綜施工人員進行技術交底，直觀、立體的交底文件能夠避免工人對圖紙產生錯誤的理解，使其對施工流程有直觀認識。從設計人員到施工人員，關于施工要求的傳遞變得更加直觀便捷。依托三維模型，根據施工需求對重點設備安裝或者特殊區(qū)段施工進行現場模擬，有助于施工預想，發(fā)現方案缺漏，熟悉施工流程，提高施工質量[5]。

2 施工過程管理

2.1 建立機電工程管理云平臺

在工程建設項目中，通過布置傳感器、二維碼、電子標簽等采集設備，實現對人、機、料、法、環(huán)的全方位實時監(jiān)控[6]。將工程數據（BIM數據、現場采集數據、協同數據等）存儲于云平臺，對圖紙、文檔、圖片、視頻等資料進行管理應用，并與BIM進行關聯，實現實時查看和預覽。所有模型及常用文本軟件均支持手機、平板等移動設備在線預覽?，F場人員可以隨時查看項目資料、項目圖紙、工程資料、施工工藝、工法等文件。

2.2 進度模擬與管控

在BIM施工管理平臺中，可顯示任一單元工作的持續(xù)時間、計劃開始時間、計劃完成時間、實際開始時間和實際完成時間[7]。將現場施工數據導入BIM 5D平臺并進行構件的關聯，按照任務計劃進行施工推演模擬，可以及時發(fā)現工期的不合理之處，并作出調整?，F場施工人員根據進度計劃進行施工，每日將進行的工作拍照上傳，管理人員定期查看云端的現場信息，并與計劃進行比對，在移動端即可實現對現場施工進度的動態(tài)管控。

2.3 成本控制

管理人員和現場技術員能夠事先通過虛擬施工，發(fā)現存在的各類問題，并提前制定應對與預防措施，以減少碰撞、降低沖突，做到基本不返工，從而降低成本[8]。同時，由BIM工程師按照實際進度，每周從BIM 5D平臺提取下周材料用量，以指導材料采購，避免了物資浪費問題，有利于項目資金的合理投入。

南陽東站工程項目運用BIM技術，僅機電工程一項發(fā)現各類大小碰撞2471處，從而優(yōu)化了現場施工，提高了施工效率，保證了施工質量，減少返工（可統計時間超過43天），利用BIM技術控制現場施工用材，顯著降低物料消耗量，節(jié)約成本1200余萬元。

3 結束語

BIM技術在南陽東站機電工程施工中的良好應用表明，通過運用BIM技術能夠將項目管理者的施工要求最直觀地展現給現場施工人員，消除雙方對技術認知上的差距，從而有效地提升了施工效率。同時，通過對現場施工大數據的收集能夠保證項目管理者對整個項目進度及費用的及時掌握，實現對質量、進度與資金3大目標的隨時把控，為科學合理地安排工程施工提供技術支持，為施工質量提供技術保障。

本文闡述的BIM技術是在施工階段進行介入，能夠較好地為施工企業(yè)創(chuàng)造效益，但本文中的BIM是施工企業(yè)運用設計單位提供的二維圖紙翻模建成的，BIM工程師在建模時可能會存在對設計意圖理解不到位的情況，導致有大量技術問題需要在后期設計交底時解決，這種情況也同樣值得探討。