張家口南站裝配式機(jī)房施工BIM應(yīng)用研究

李琳

（中鐵建工集團(tuán)有限公司華北分公司，北京 100070）

0 引言

BIM技術(shù)作為建設(shè)項目兼具物理性與功能性的一種數(shù)字表達(dá)技術(shù)，是繼CAD之后促進(jìn)建設(shè)信息革命的又一重要計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，并以其巨大價值優(yōu)勢推動著工程建設(shè)行業(yè)觀念的轉(zhuǎn)變和革新。目前，BIM技術(shù)在我國客站建設(shè)中得到一定應(yīng)用，清河站、烏魯木齊站、蘭州西站、杭州南站、南昌站等鐵路站房均采用BIM技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計和施工，取得一定成果，但BIM應(yīng)用的側(cè)重各不相同［1］。杭州南站從管線綜合優(yōu)化、圖紙查詢管理、可視化交底等方面進(jìn)行了應(yīng)用探索［2］；烏魯木齊站利用BIM模型開展詳細(xì)綠色設(shè)計方面研究，在光照模擬、能耗分析、空調(diào)荷載計算等方面進(jìn)行探索［3］；南昌站在站房空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面開展BIM施工模擬和可視化技術(shù)交底，避免施工錯誤和返工［4］。在我國城市軌道交通領(lǐng)域機(jī)電設(shè)備安裝方面開展了基于BIM的管線碰撞、三維可視化技術(shù)交底、進(jìn)度及成本管控等探索。廣州地鐵開展了空調(diào)制冷機(jī)房基于BIM的深化設(shè)計，取得了一定效果；其他地鐵公司開展了基于BIM的預(yù)制構(gòu)件自動化加工等探索［5-7］。在我國高鐵站房中應(yīng)用BIM技術(shù)開展裝配式機(jī)房研究還未見報道。

1 工程概況

張家口南站是京張高鐵的重難點(diǎn)工程，也是2022年冬奧會交通基礎(chǔ)設(shè)施工程之一，張家口南站為綜合交通樞紐工程，包括地上主體2層、地下1層，總建筑面積95 560 m2，制冷機(jī)房為裝配式施工機(jī)房，機(jī)房內(nèi)設(shè)備主要包括3臺磁懸浮離心式冷水機(jī)組、3臺冷凍泵、3臺冷卻泵、3臺熱水泵、2臺板式換冷器、2臺分集水器、1套自動隔離軟化真空霧化排氣定壓補(bǔ)水機(jī)組、1套全自動智能控制加藥裝置、1套能量計量裝置，共19臺（套）設(shè)備及153套閥部件安裝，涉及800多處焊縫制作。由于機(jī)房設(shè)備種類繁多、質(zhì)量大，管線排布十分復(fù)雜，對施工質(zhì)量和安裝后的視覺效果也有較高要求，特別是安裝過程中如何吊裝到相應(yīng)位置、相關(guān)吊孔是否滿足要求為施工過程的難點(diǎn)之一。

2 技術(shù)路線

虛擬建造是應(yīng)用于施工過程模擬與分析的數(shù)字化、可視化方法，主要基于虛擬現(xiàn)實(shí)、結(jié)構(gòu)仿真、施工模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。虛擬建造實(shí)現(xiàn)了在計算機(jī)上協(xié)同工作，對建造工程進(jìn)行全面施工模擬，以發(fā)現(xiàn)建造過程中可能出現(xiàn)、需要注意的問題，以實(shí)現(xiàn)在不消耗資源的前提下利用計算機(jī)技術(shù)對建筑施工實(shí)際過程進(jìn)行三維模擬分析，對施工過程進(jìn)行事前控制和動態(tài)管理［8-9］。張家口南站裝配式機(jī)房BIM應(yīng)用技術(shù)路線見圖1，主要包括BIM建模、工序模擬、系統(tǒng)拆分組段、生成預(yù)制加工圖及設(shè)備管線清單、工廠化加工及現(xiàn)場裝配施工6個步驟。

圖1 張家口南站裝配式機(jī)房BIM應(yīng)用技術(shù)路線

3 主要實(shí)施過程

3.1 BIM建模

通過二維圖建立機(jī)房模型，包括一次結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、設(shè)備及管線模型，并開展現(xiàn)場勘察，現(xiàn)場實(shí)測機(jī)房各項相關(guān)數(shù)據(jù)，包括實(shí)際層高、實(shí)際土建結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)留洞口實(shí)際位置等，以防實(shí)際施工與圖紙存在誤差。利用3D激光全站掃描儀對項目現(xiàn)場進(jìn)行全方位精確掃描測量（誤差為±1 mm），根據(jù)測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)云通過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入Revit中對BIM模型進(jìn)行修正，保證模型精度。

機(jī)房系統(tǒng)二次深化設(shè)計完成后，需對機(jī)房進(jìn)行三維建模（見圖2），模型精度達(dá)到LOD400，即工廠預(yù)制加工精度。機(jī)電設(shè)備BIM模型由廠家確定提供（見圖3），其產(chǎn)品均已建立精確族，建立模型時可直接調(diào)用。

圖2 機(jī)房BIM模型漫游

圖3 機(jī)電設(shè)備BIM模型

經(jīng)過碰撞檢查、管線優(yōu)化、工序模擬后，各專業(yè)的BIM模型尺寸、位置、標(biāo)高都已確定，可直接導(dǎo)出各專業(yè)二維圖、三維圖，進(jìn)一步輔助施工人員理解施工圖紙。本次冷凍換熱機(jī)房優(yōu)化共10余處，集中在設(shè)備位置、設(shè)備進(jìn)出水口位置及管道標(biāo)高的優(yōu)化。具體如下：

（1）板式換熱器向西移動，熱水泵安裝于板式換熱器東側(cè)。原因：按原設(shè)計，熱水二次循環(huán)水管道彎頭較多，不利于循環(huán)；與板式換熱器連接的一次熱水管支管較長，不利于安裝；不利于管道在支吊架的安裝。

（2）冷卻水泵、冷凍水泵統(tǒng)一于2根柱梁之間豎向安裝。原因：減少水管折彎，更利于水路循環(huán)；利于建立模塊化系統(tǒng)和安裝支吊架；節(jié)省出右上側(cè)2根柱梁間空隙，利于使用叉車等設(shè)備對冷水機(jī)組、組合式模塊的搬運(yùn)、安裝。

（3）冷水機(jī)組間距縮小。原因：騰出空間，在兩側(cè)安裝組合支架；保證冷凍供水、回水管更好與集分水器連接的空間；便于機(jī)組與各系統(tǒng)支管連接成模塊后運(yùn)輸安裝。

（4）調(diào)整集、分水器進(jìn)出水口位置。原因：減少冷水機(jī)組至分水器冷凍供水管的翻彎，減小水阻，降低材料成本；利于集、分水器間壓力旁通管路直接相連，節(jié)省管道，利于裝配安裝，機(jī)房設(shè)計更美觀。

（5）管道標(biāo)高調(diào)整。原因：原設(shè)計圖紙主管道標(biāo)高均為4.5 m，整體機(jī)房地面完成高度為6.6 m，去除最大梁高凈高為5.0 m，考慮橋架（200 mm）、噴淋（DN100）、風(fēng)管（600 mm）及各專業(yè)設(shè)備間間距，管道上頂高度最高為4.0 m，經(jīng)模型調(diào)整，管道中心高度定為3.65 m和3.05 m。

優(yōu)化前后模型對比見圖4。

圖4 優(yōu)化前后管線模型圖

3.2 工序模擬

由于裝配式機(jī)房本身由不同部件組合而成，存在立體多部件的組合連接，對尺寸測控和安裝定位要求較高，安裝過程復(fù)雜，時序性要求嚴(yán)格，同時由于安裝場地狹窄，各部件調(diào)整困難，因此通過虛擬建造這種“先試后建”的手段，在施工前提前發(fā)現(xiàn)問題并解決，并形成可操作的現(xiàn)場裝配方案，形成三維技術(shù)交底方案，避免因工序錯誤導(dǎo)致拆改和返工［10-11］。虛擬施工過程模擬是否真實(shí)、細(xì)致、高效和全面，很大程度上取決于構(gòu)件、零件、組合件間的施工順序、運(yùn)動軌跡等施工組織設(shè)計是否優(yōu)化合理［12］，以及相互間的碰撞干涉問題能否及時發(fā)現(xiàn)并解決。虛擬施工模擬流程見圖5，虛擬施工主要步驟包括建立建筑結(jié)構(gòu)三維模型、搭建虛擬施工環(huán)境、定義裝配構(gòu)件的運(yùn)動順序、對施工過程進(jìn)行虛擬仿真、管線綜合碰撞檢測和最優(yōu)方案判定等不同階段，同時也涉及建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電、安裝、裝飾等不同專業(yè)、不同人員間的信息共享和協(xié)同工作。

首先在完成機(jī)房靜態(tài)模型基礎(chǔ)上建立工裝機(jī)具BIM模型，導(dǎo)入施工模擬環(huán)境中，在施工仿真環(huán)境中定義各構(gòu)件、組合件的運(yùn)動路徑、運(yùn)動姿態(tài)，通過設(shè)置運(yùn)動參數(shù)控制位移、轉(zhuǎn)動等動作，并定義模型特征點(diǎn)的動態(tài)特征參數(shù)和接觸特征，利用虛擬仿真環(huán)境交互工況實(shí)時展示整個裝配式施工的進(jìn)度和狀態(tài)；然后在仿真過程中不斷調(diào)整各類參數(shù)，尋找綜合性更佳的裝配方案［12］。如此反復(fù)迭代，形成最優(yōu)方案。裝配式機(jī)房虛擬建造過程模型見圖6。

圖5 虛擬施工模擬流程

圖6 裝配式機(jī)房虛擬建造過程模型

3.3 系統(tǒng)拆分組段

基于BIM模型的高精度、可視化特點(diǎn)，將水泵、閥部件、管道、支吊架進(jìn)行一體化整合設(shè)計，形成循環(huán)泵組裝配單元和預(yù)制管組裝配單元。裝配單元分組劃分主要考慮因素包括：循環(huán)水泵選型、數(shù)量、系統(tǒng)分類等；機(jī)房內(nèi)綜合布置情況；裝配單元的運(yùn)輸、吊裝就位、安裝條件等限制因素。因此，張家口南站機(jī)房共分為7組設(shè)備模塊、10組管道模塊，具體劃分見圖7。

圖7 機(jī)房模塊具體劃分示意圖

整體方案確定及模型信息同步完成后，直接利用Revit模型輸出整套施工深化圖，具體包括：基礎(chǔ)布置圖、設(shè)備布置圖、排水溝布置圖、機(jī)電綜合圖、機(jī)電專業(yè)圖、裝配單元加工圖、預(yù)制管段加工圖、支吊架加工圖等。

3.4 生成預(yù)制加工圖和設(shè)備管線清單

確定機(jī)房模塊分組方案后，導(dǎo)出管道分段預(yù)制加工圖，交工廠加工制作，并將所有施工詳圖交由現(xiàn)場施工配合。同時為確保后期安裝的有效組織，將分段后的管道進(jìn)行編碼，形成清單（見表1），并根據(jù)編碼、安裝位置等信息制作二維碼，方便后期跟蹤安裝。

3.5 工廠化加工

根據(jù)BIM模型分解導(dǎo)出的預(yù)制加工圖紙在工廠集中加工，為保證質(zhì)量部分預(yù)制構(gòu)件采用數(shù)字化自動焊接和自動加工技術(shù)，規(guī)避人為誤差，降低廢品率，保證機(jī)電模型與現(xiàn)場機(jī)電管線的高度一致，提高施工質(zhì)量。

3.6 現(xiàn)場裝配施工

完成工廠化加工后，在機(jī)房具備施工條件時，將大批量各類管段運(yùn)至現(xiàn)場，根據(jù)工序模擬形成的方案進(jìn)行組裝，可根據(jù)管段編碼和二維碼識別其位置，提高安裝效率。安裝前，根據(jù)三維工序模擬形成的現(xiàn)場裝配方案，向裝配工人進(jìn)行裝配方案的三維技術(shù)交底，并指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配，裝配完成后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行和竣工驗收等工作。

表1 預(yù)制加工清單

4 實(shí)施效果

（1）通過BIM技術(shù)優(yōu)化管線排布，避免管線干涉導(dǎo)致的拆改和返工，綜合考慮管路優(yōu)化、設(shè)備維修空間、后期操作空間等因素，提高了施工質(zhì)量。

（2）將部分現(xiàn)場加工轉(zhuǎn)移至數(shù)字化加工廠，大幅減少現(xiàn)場施工噪聲、施工垃圾，改善了現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境。

（3）采用數(shù)字化自動焊接技術(shù)，在工廠集中焊接，大幅減少現(xiàn)場焊接作業(yè)，從源頭規(guī)避危險源，保障安全、文明施工。

（4）利用傳統(tǒng)施工方法，完成機(jī)房施工需25 d左右，采用裝配式方法后，大量工作可在前期場外進(jìn)行，預(yù)計在施工場地內(nèi)僅30 h即可完成機(jī)房內(nèi)大部分的安裝工作。

5 結(jié)束語

結(jié)合京張高鐵張家口南站裝配式機(jī)房安裝場地狹窄、安裝定位要求較高、安裝過程復(fù)雜、時序性要求嚴(yán)格、各部件調(diào)整困難等工程特點(diǎn)，提出采用BIM技術(shù)優(yōu)化指導(dǎo)裝配式機(jī)房施工的整體技術(shù)路線，開展實(shí)際探索應(yīng)用，并針對基于BIM的設(shè)計方案深化、虛擬施工仿真、工廠化加工等方面開展詳細(xì)研究，有效避免了管線干涉導(dǎo)致的拆改和返工，大大降低現(xiàn)場裝配施工時間，取得良好效果，可為基于BIM的裝配式機(jī)房虛擬施工研究提供一定技術(shù)支持和實(shí)際參考依據(jù)，對施工現(xiàn)場具有一定指導(dǎo)意義。