基于BIM技術(shù)的綜合管線設(shè)計(jì)在地鐵中的優(yōu)化分析

李 偉, 黎蕓含, 王曉初, 熊 龍

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044)

地鐵車站管線安裝與施工的過程,信息繁多、參與專業(yè)眾多,能夠體現(xiàn)項(xiàng)目質(zhì)量水平[1],由于通風(fēng)、電力、消防、暖通等十幾個(gè)專業(yè)系統(tǒng)以及信號、通信、綜合監(jiān)控要在極為有限的空間內(nèi)完成安裝.如何高效地利用建筑內(nèi)部空間,使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管線間能夠盡可能地減少相互碰撞、圖紙返工等這些在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的情況已成為難題.二維圖紙的非可視化表達(dá)造成的不能夠系統(tǒng)、直觀和完整反映管線安裝及施工過程中的真實(shí)情況的問題,使得各專業(yè)之間的問題無法完全凸現(xiàn)出來.將建筑信息模型技術(shù)(BIM技術(shù))的管線設(shè)計(jì)應(yīng)用于地鐵項(xiàng)目,有效地降低了地鐵綜合管線信息由傳遞速度過慢導(dǎo)致的時(shí)間消耗,可提高各專業(yè)施工的整體效率,節(jié)約各方的時(shí)間與資源投入,加強(qiáng)各方溝通及操作的協(xié)同性,具有深遠(yuǎn)的意義及廣闊的前景[2].

1 BIM的三維建模技術(shù)

三維建模的實(shí)質(zhì)是通過項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息將二維平面圖紙進(jìn)行三維立體化.第一,可以將建筑物實(shí)體化,可以直接計(jì)算和分析出各個(gè)構(gòu)件的詳細(xì)信息.第二,施工周期的仿真模擬以及碰撞分析檢測等都是基于三維數(shù)據(jù)模型開展的,因此二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型是進(jìn)行所有后續(xù)工作中最重要的一步.第三,模型精確程度決定了后期分析的精準(zhǔn)性.

以往簡單的繪圖軟件做出的圖主要由點(diǎn)和直線等基本元素組成, 而BIM技術(shù)則是利用實(shí)體物構(gòu)件集來繪制模型, 相比于二維圖紙更立體化. 建筑物的整個(gè)設(shè)計(jì)過程是通過修改軟件內(nèi)部自帶的建筑構(gòu)件參數(shù)信息, 以快速和高效地繪制模型.BIM技術(shù)既有獨(dú)立性, 又有相關(guān)性.當(dāng)設(shè)計(jì)師更改了任何單元構(gòu)件的屬性后,整個(gè)建筑模型會立即按照修改后的屬性做出調(diào)整. 在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)迅速地查看各個(gè)部位的三面圖及詳圖等[3]. 在使用BIM技術(shù)對建筑模型進(jìn)行建模期間, 必須遵循3個(gè)基本原則和標(biāo)準(zhǔn). ①三維建模必須在同一平臺. 建模標(biāo)準(zhǔn)在保持統(tǒng)一的情況下,統(tǒng)一平臺間的互相調(diào)用, 也能保證設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性和協(xié)同性. ②建立統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型. 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的總體規(guī)劃,為了確定基本的結(jié)構(gòu)模型, 應(yīng)在設(shè)計(jì)的開始階段就定下每一個(gè)板塊在整體模型中的坐標(biāo)定位. ③具體安裝坐標(biāo)的建立及裝配.

2 BIM技術(shù)在地鐵項(xiàng)目綜合管線碰撞中的應(yīng)用優(yōu)勢

BIM技術(shù)為各專業(yè)搭建了統(tǒng)一的信息技術(shù)平臺,建筑項(xiàng)目的各類信息在平臺中的傳遞過程都具有協(xié)同性和時(shí)效性.各專業(yè)之間的信息可以得到及時(shí)地溝通與協(xié)調(diào),有效地減少了因各方溝通不及時(shí)導(dǎo)致的問題.運(yùn)用BIM技術(shù)對管線進(jìn)行碰撞檢測分析,在設(shè)計(jì)階段有效地避免了后期施工過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)圖紙更改情況[4].BIM技術(shù)作為一種信息集成化的建筑全壽命管理模式,大幅度地提高了建筑項(xiàng)目施工的工作效率,為建筑從業(yè)人員帶來很大的便利.

根據(jù)以往地鐵管線安裝過程中的情況來看,設(shè)計(jì)人員一般都是根據(jù)管線的平面布置來繪制二維圖紙的,這并不能準(zhǔn)確地合理的布置各個(gè)管線,而會導(dǎo)致管線與管線之間或者管線與其他地方會發(fā)生碰撞交叉.BIM技術(shù)引入最新、最全的技術(shù)理念,包含構(gòu)件、給排水以及管線等與建筑相關(guān)的全部專業(yè)都集成于同一建筑模型中,使得設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段就可以利用該平臺對管線進(jìn)行碰撞檢測并對有問題的部分進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào).通過NAVISWORKS對管線分析時(shí),首先應(yīng)設(shè)置碰撞檢查規(guī)則,然后選擇檢查范圍,最后導(dǎo)出檢查結(jié)果,根據(jù)所得到的碰撞檢測結(jié)果對REVIT中存在的碰撞問題進(jìn)行逐一調(diào)整和修改[5].避免地鐵綜合管線后期出現(xiàn)問題的核心技術(shù)就是BIM的三維碰撞檢測技術(shù),通過該技術(shù)可以全局調(diào)整和優(yōu)化管線的布置,大大降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率.研究指出,通過運(yùn)用BIM技術(shù),可以縮減4%～8%項(xiàng)目工期,縮短18%～20%專業(yè)間的溝通時(shí)間,加快施工速度[6].

應(yīng)用BIM技術(shù)對地鐵綜合管線碰撞檢查時(shí)主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在:①與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比,BIM技術(shù)所創(chuàng)建的是三維立體化模型,創(chuàng)建的模型比例都是按照建筑的實(shí)際尺寸縮放而得,有很高的精準(zhǔn)度.以往不能用二維圖紙所表達(dá)出來的詳細(xì)部位都能以BIM技術(shù)呈現(xiàn)出來,并能更加直觀地發(fā)現(xiàn)隱藏問題;②BIM技術(shù)能夠檢測不同專業(yè)中與不同各專業(yè)間管線存在的問題,根據(jù)導(dǎo)出的檢測結(jié)果清單對各問題逐一優(yōu)化和調(diào)整,在設(shè)計(jì)階段就能提前解決后期在管線施工過程中會出現(xiàn)的所有問題,能夠大幅度地節(jié)約時(shí)間和成本;③項(xiàng)目中各專業(yè)在模型中的任何位置,都可以用三切面圖以及三維圖來全面、詳細(xì)地查看此處各設(shè)備、管線的具體安裝位置,有利于施工人員的安裝.以往傳統(tǒng)的方式都是通過肉眼和施工人員的專業(yè)技能去識別和想象二維圖紙的管線布置空間狀態(tài),這難免會出現(xiàn)判斷失誤的狀況,但通過利用BIM技術(shù)對管線碰撞進(jìn)行整體智能檢測,避免因管線碰撞導(dǎo)致的圖紙返工修改而造成的施工進(jìn)度延誤,從而提高施工效率[7].

3 基于BIM技術(shù)的三維管線綜合設(shè)計(jì)在地鐵車站中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

該地鐵車站周邊的建筑十分密集,道路交通復(fù)雜,車流量大.該地鐵地下2層,采用9 m無柱島式站臺.全長38.4 km,共設(shè)有車站25座,平均站間距1.5 km.采用地下及高架線的鋪設(shè)方式,高架線10.8 km,地下線27.6 km.車站主體標(biāo)準(zhǔn)段寬18.6 m、埋深18.6 m,采用蓋挖逆作方案施工.

鑒于車站周邊復(fù)雜的建筑環(huán)境給車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一定的限制,主要體現(xiàn)在車站結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境受限,綜合管線施工空間狹小,綜合管線的設(shè)計(jì)和施工安裝都面臨巨大的挑戰(zhàn).復(fù)雜的工程環(huán)境導(dǎo)致該地鐵各專業(yè)間協(xié)調(diào)困難、施工難度高.根據(jù)地鐵建設(shè)的總體目標(biāo),該工程采用BIM技術(shù)對地鐵綜合管線創(chuàng)建模型,把各專業(yè)模型統(tǒng)一合并后再開始三維碰撞檢測,提前排查設(shè)計(jì)失誤.優(yōu)化了安裝過程中資源配置,減少了設(shè)計(jì)變更,降低了建設(shè)投入資金.

3.2 地鐵管線模型的構(gòu)建

該地鐵管線的建模階段采用分專業(yè)建模的方法,主要包含給排水、電氣、暖通3個(gè)專業(yè).三維給排水系統(tǒng)模型、三維電氣系統(tǒng)模型、三維暖通模型分別如圖1～圖3所示.

圖1 地鐵三維給排水系統(tǒng)模型Fig.1 Subway 3D water supply and drainage system model

圖2 地鐵三維電氣系統(tǒng)模型Fig.2 Subway 3D electrical system model

NAVISWORKS是一個(gè)具有施工模擬以及碰撞檢測功能的軟件,同時(shí)還可以和REVIT有著良好的交互.由于地鐵綜合管線模型包括3個(gè)專業(yè),因此,綜合管線模型設(shè)計(jì)圖由3個(gè)不同專業(yè)部門共同完成.首先應(yīng)將3個(gè)專業(yè)的管線模型在NAVISWORKS軟件內(nèi)統(tǒng)一整合,然后再開始碰撞檢測.在模型的統(tǒng)一整合過程中必須將模型參數(shù)調(diào)整到一致,以此確保各專業(yè)模型能夠順利整合.經(jīng)過將3個(gè)專業(yè)管線模型進(jìn)行統(tǒng)一整合后整體三維模型見圖4.

圖3 地鐵三維暖通模型
Fig.3 Subway 3D HVAC model

圖4 地鐵的綜合管線整體三維模型
Fig.4 Overall 3D model of integrated pipeline of subway

管線安裝期間會出現(xiàn)的碰撞大致包括專業(yè)間、專業(yè)內(nèi)和具體某一處的碰撞.地鐵管線碰撞檢測一般是安裝期間出現(xiàn)的管線硬碰撞,根據(jù)創(chuàng)建完成的數(shù)據(jù)模型,通過NAVISWORKS將各個(gè)專業(yè)管線模型進(jìn)行統(tǒng)一合并,同時(shí)還應(yīng)逐一對管線安裝時(shí)專業(yè)內(nèi)和各專業(yè)間的碰撞進(jìn)行檢測分析.本文利用NAVISWORKS對地鐵管線模型開展碰撞分析,查找模型原設(shè)計(jì)與其他部位存在碰撞的準(zhǔn)確位置并對其實(shí)施調(diào)整與優(yōu)化.

碰撞分析之前應(yīng)對目標(biāo)模型進(jìn)行定義,并對碰撞類型等參數(shù)進(jìn)行逐一設(shè)置.可以通過檢測某個(gè)項(xiàng)目集而并非針對整體模型檢測來定義碰撞選項(xiàng).在開始進(jìn)行檢測之前,對于碰撞選擇框見圖5,選項(xiàng)中包括多種類型的碰撞檢測分析,但一般選擇的是硬碰撞,這類碰撞也是在實(shí)際安裝過程中出現(xiàn)較多的碰撞.

圖5 綜合管線碰撞檢測的對象選擇

Fig.5 Selection of objects for comprehensive pipeline collision detection

通過初步的檢測,檢測出地鐵管線一共有467處碰撞點(diǎn)位.其中包括結(jié)構(gòu)與管道,各管道相互之間的碰撞點(diǎn)位,碰撞報(bào)告根據(jù)后續(xù)優(yōu)化所需要的信息,生成詳細(xì)的碰撞報(bào)告如表1所示.

表1 地鐵綜合管線碰撞報(bào)告Table 1 Comprehensive pipeline collision report of subway

本項(xiàng)目以BIM的綜合管線設(shè)計(jì)優(yōu)化為基礎(chǔ),有針對性地解決管線碰撞以及管線空間布局問題.碰撞分析結(jié)果詳細(xì)地給出了各個(gè)碰撞問題的具體信息,為設(shè)計(jì)人員和施工人員提供了具體的變更修改和施工方案,為后期的施工和施工質(zhì)量提供了有效的保障.綜合管線碰撞報(bào)告中一共包括467個(gè)沖突報(bào)告,沖突部位詳細(xì)報(bào)告467份.所得到的報(bào)告中包含的單專業(yè)沖突分析81處,專業(yè)間沖突分析386處.各處報(bào)告清晰的列出了碰撞的序號、模樣、模型內(nèi)位置、詳細(xì)分析及優(yōu)化.本文有針對性地選取2處關(guān)系碰撞實(shí)例以此來展開詳細(xì)地優(yōu)化描述.

1) 實(shí)例1: 暖通與電氣的碰撞.

地鐵站B負(fù)一層機(jī)電箱E14和給暖通管道DN85出現(xiàn)交叉碰撞,詳見圖6(a).碰撞位置在距離負(fù)一層地面3.2 m處,在模型系統(tǒng)中的具體位置為x=9.57、y=10.62、z=3.20.

解決方案:由于暖通管道已經(jīng)位于靠近頂層樓板的最下方,不能再向上做出位置改變,因此解決方案是暖通管道的位置不變,在不影響其他系統(tǒng)的前提下,將平行于E軸的機(jī)電箱部分向下平移350 mm,以此合理地避開與暖通管道的碰撞,優(yōu)化后的結(jié)果詳見圖6(b).

圖6 暖通與電氣的碰撞實(shí)例優(yōu)化前后Fig.6 Before and after optimization of HVAC and electrical pipelines collision example

2) 實(shí)例2: 給排水與暖通的碰撞.

地鐵站B負(fù)一層暖通管道DN37和地漏水管De110出現(xiàn)交叉碰撞,詳見圖7(a).碰撞位置在距離負(fù)一層地面3.5 m處,在模型系統(tǒng)中的具體位置為x=5.27、y=11.30、z=3.50.

解決方案:由于暖通管道DN37所處位置的管線較多,如果將該管道進(jìn)行x軸平移,將導(dǎo)致管道前墻體的預(yù)留孔洞的位置會發(fā)生改變,影響整體布置,管道后部會與其他管線發(fā)生碰撞的可能性增加,因此解決方案是暖通管道的位置不變,在不影響其他系統(tǒng)的前提下,將平行于D軸的地漏水管De110部分向左平移100 mm,以此合理地避開與暖通管道的碰撞,優(yōu)化后的結(jié)果詳見圖7(b).

圖7 給排水與暖通的碰撞實(shí)例優(yōu)化前后Fig.7 Before and after optimization of water supply and drainage and HVAC collision example

通過軟件分析, 可以逐一得到存在的全部碰撞結(jié)果. 將碰撞結(jié)果導(dǎo)出并生成報(bào)告. 因?yàn)樯婕暗礁黝愋团鲎颤c(diǎn)很多, 我們一般采用在各處碰撞點(diǎn)批注來協(xié)助該點(diǎn)的檢測并生成具體的優(yōu)化報(bào)告.

4 結(jié) 語

結(jié)合BIM技術(shù)在地鐵站綜合管線上的應(yīng)用,以REVIT所創(chuàng)建出的三維立體模型為基礎(chǔ),利用NAVISWORKS對各專業(yè)管線模型整合并進(jìn)行碰撞檢測分析.應(yīng)用BIM技術(shù)的碰撞檢測技術(shù)可以預(yù)先排查在設(shè)計(jì)階段存在的隱患,避免因設(shè)計(jì)失誤造成的不必要損失,從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,節(jié)約資源.通過分析管線碰撞檢測報(bào)告,可以在設(shè)計(jì)階段調(diào)整和優(yōu)化管線的施工安裝問題,解決了在后期項(xiàng)目建設(shè)過程中各專業(yè)協(xié)調(diào)難度大的難題.通過采取改進(jìn)措施實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化,有效提高施工質(zhì)量,節(jié)約資源.