動(dòng)車段所BIM深化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

韓亮亮

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較早，主要集中在建筑行業(yè)，具有三維仿真、模擬測(cè)試、信息集成及數(shù)據(jù)共享等功能，可有效應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的項(xiàng)目規(guī)劃、協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢查、施工指導(dǎo)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面［1］，能夠極大節(jié)省項(xiàng)目不同參與方之間的溝通成本，有效控制設(shè)計(jì)變更，減少施工返工，縮短建設(shè)周期［2］。與建筑行業(yè)相比，鐵路行業(yè)BIM研究與應(yīng)用起步較晚，且具有專業(yè)多、線路長(zhǎng)、體量大、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)［3］。前期，鐵路BIM完成了京沈客專、陽大鐵路、青連鐵路、京雄城際、鹽通鐵路、牡佳鐵路、京張高鐵等一系列BIM試點(diǎn)及生產(chǎn)項(xiàng)目，隨著BIM在設(shè)計(jì)階段的推廣應(yīng)用［4-10］，在設(shè)計(jì)階段如何進(jìn)行深化設(shè)計(jì)應(yīng)用已成為制約BIM技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。近年來，深圳地鐵9號(hào)線［11］、成都地鐵5號(hào)線九道堰車站［12］、哈爾濱站房改造［13］等工程均開展了BIM深化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究，并取得了良好效果。但從整體上看，BIM技術(shù)在深化設(shè)計(jì)應(yīng)用中的工作流程和方法并不明確，具體應(yīng)用也不廣泛。

動(dòng)車段所作為鐵路工程項(xiàng)目的典型工點(diǎn)，主要承擔(dān)動(dòng)車組檢修和整備作業(yè)，動(dòng)車段所BIM設(shè)計(jì)涉及站前、站后10多個(gè)專業(yè)，是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。在此，以南通動(dòng)車所項(xiàng)目為例，從BIM深化設(shè)計(jì)流程、深化設(shè)計(jì)方法和深化設(shè)計(jì)應(yīng)用3個(gè)方面，開展BIM技術(shù)在動(dòng)車段所項(xiàng)目中的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。

1 BIM深化設(shè)計(jì)流程

結(jié)合傳統(tǒng)二維深化設(shè)計(jì)流程以及BIM可視性、協(xié)同性等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)車段所BIM深化設(shè)計(jì)以BIM模型作為溝通交流的信息載體，項(xiàng)目不同參與方協(xié)同工作，提前解決設(shè)計(jì)中的沖突問題和施工中可能碰到的施工交叉干擾問題，完成BIM深化應(yīng)用，并應(yīng)用于施工指導(dǎo)，提升工程設(shè)計(jì)和施工管理的整體水平。具體BIM深化設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 動(dòng)車段所BIM深化設(shè)計(jì)流程

2 BIM深化設(shè)計(jì)方法

2.1 精細(xì)化設(shè)計(jì)

對(duì)于二維圖中無法表達(dá)或表達(dá)不清楚、不合理的地方進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，如末端電力設(shè)備的精確布置、預(yù)留孔洞及預(yù)埋管線的精確表達(dá)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化設(shè)計(jì)、綜合管線優(yōu)化排布以提高美觀性等，確保設(shè)計(jì)成果滿足施工和運(yùn)營(yíng)需求。

2.2 局部特殊調(diào)整

當(dāng)整體布局優(yōu)化調(diào)整完成后，針對(duì)局部區(qū)域的碰撞干擾及優(yōu)化排布問題，可在滿足設(shè)計(jì)意圖和后期運(yùn)維使用需求的前提下進(jìn)行局部特殊調(diào)整，如電纜溝槽局部改直埋管、支架局部抬高、橋架局部截面尺寸調(diào)整等，以解決空間沖突問題。

2.3 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

對(duì)于因局部空間狹小導(dǎo)致各專業(yè)設(shè)計(jì)模型沖突嚴(yán)重等問題，應(yīng)由BIM總體牽頭組織相關(guān)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)人員及二維施工圖設(shè)計(jì)人員進(jìn)行對(duì)接，必要時(shí)應(yīng)召集建設(shè)方和施工方進(jìn)行溝通，將施工中可能碰到的問題前置，從源頭上聯(lián)動(dòng)解決專業(yè)沖突問題。

2.4 BIM模型審核

BIM模型審核主要包括3個(gè)方面：

（1）BIM設(shè)計(jì)人員完成BIM建模后進(jìn)行設(shè)計(jì)內(nèi)容系統(tǒng)性檢查，完成BIM模型初步審核；

（2）BIM設(shè)計(jì)人員通過軟件進(jìn)行碰撞檢查，針對(duì)典型碰撞問題，與二維設(shè)計(jì)人員進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)二/三維聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)；

（3）組織項(xiàng)目不同參與方召開專門的BIM模型審查會(huì)，針對(duì)BIM模型及其他相關(guān)深化設(shè)計(jì)方案問題進(jìn)行綜合評(píng)審，確保深化設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性和可實(shí)施性。

3 BIM深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 工程概況

鹽通鐵路是中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司實(shí)施工程總承包建設(shè)模式的試點(diǎn)項(xiàng)目，為雙線高速鐵路，設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h，起于鹽城站，終于南通西站，新建正線156.686 km。鹽通鐵路新建南通動(dòng)車所1處，位于南通站以北及滬陜高速外側(cè)，自南通站西咽喉引出2條出入段線接入動(dòng)車所。南通動(dòng)車所新建20條存車線（另預(yù)留16條）、6條檢查庫線（另預(yù)留4條）、2條人工清洗線、1條臨修線、1條鏇輪線、2條出入段線、1條牽出線（另預(yù)留1條），還有通過式洗車機(jī)2套和配套生產(chǎn)生活房屋。南通動(dòng)車所總平面布置圖和BIM效果圖分別見圖2、圖3。

圖2 南通動(dòng)車所總平面布置圖

圖3 南通動(dòng)車所BIM效果圖

3.2 綜合管線碰撞優(yōu)化

動(dòng)車所綜合管線涉及站場(chǎng)、給排水、四電、房建、暖通、動(dòng)車等10多個(gè)專業(yè)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)內(nèi)容分散，專業(yè)設(shè)計(jì)人員無法有效協(xié)同，導(dǎo)致綜合管線出現(xiàn)交叉碰撞情況較多，加之室外管線施工往往由多家施工單位負(fù)責(zé)，常因溝通不暢導(dǎo)致大量返工。相比傳統(tǒng)二維工作模式，應(yīng)用BIM進(jìn)行綜合管線碰撞檢查，可自動(dòng)輸出碰撞檢查報(bào)告，最后各專業(yè)依據(jù)碰撞檢查報(bào)告進(jìn)行專業(yè)內(nèi)的局部調(diào)整和專業(yè)間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。

碰撞檢查可分為硬碰撞檢查和軟碰撞檢查。硬碰撞檢查主要是檢查實(shí)體與實(shí)體之間的交叉碰撞，目前解決方案十分成熟，借助軟件自帶功能即可完成。軟碰撞檢查是檢查實(shí)體與實(shí)體之間間距和空間無法滿足要求的碰撞，目前沒有完善的解決方案，需要明確碰撞檢查規(guī)則，并進(jìn)行相應(yīng)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)。具體碰撞檢查流程見圖4。

圖4 碰撞檢查流程

南通動(dòng)車所項(xiàng)目對(duì)站場(chǎng)、給排水、電力、接觸網(wǎng)、通信、信息、信號(hào)、房建、暖通、動(dòng)車10個(gè)專業(yè)間執(zhí)行室外綜合管線碰撞檢查（見圖5），共發(fā)現(xiàn)有效碰撞349處，匯總整理為26項(xiàng)典型碰撞問題。針對(duì)碰撞問題開展專業(yè)內(nèi)的優(yōu)化調(diào)整以及專業(yè)間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成碰撞優(yōu)化報(bào)告。通過對(duì)碰撞優(yōu)化調(diào)整情況的分析匯總，將碰撞優(yōu)化歸納總結(jié)為方案優(yōu)化、路由優(yōu)化、接口優(yōu)化、局部?jī)?yōu)化、結(jié)構(gòu)特殊處理5種類型，其典型應(yīng)用見表1。

圖5 室外綜合管線碰撞檢查

表1 室外綜合管線碰撞優(yōu)化典型應(yīng)用

3.3 工藝方案模擬優(yōu)化

以南通動(dòng)車所檢查庫壓縮空氣管線布置方案為例，介紹BIM在工藝方案模擬優(yōu)化方面的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用情況。檢查庫壓縮空氣管線平面布置見圖6，中間股道壓縮空氣管線沿著3層作業(yè)平臺(tái)布置，經(jīng)分析提出3種布置方案。

圖6 檢查庫壓縮空氣管線平面布置

（1）方案1。壓縮空氣管線吊掛在2層平臺(tái)下方，該方案會(huì)占用平臺(tái)下部作業(yè)空間（原作業(yè)凈空高度從2.0 m減小到不足1.9 m），影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全（見圖7）。

圖7 管線吊掛在2層平臺(tái)下方

（2）方案2。壓縮空氣管線吊掛在3層平臺(tái)懸臂下方，該方案會(huì)占用連接2層平臺(tái)與3層平臺(tái)之間安全門扶梯的作業(yè)空間（原凈空高度從2.3 m減小到不足1.9 m），影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全（見圖8）。

圖8 管線吊掛在3層平臺(tái)懸臂下方

（3）方案3。壓縮空氣管線固定在3層平臺(tái)懸臂上方，該方案不會(huì)影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全，但1股道（共2列位）需局部繞避安全門扶梯4次，增加耗材（見圖9）。

圖9 管線固定在3層平臺(tái)懸臂上方

通過3種壓縮空氣管線布置方案BIM效果圖的直觀對(duì)比，以及對(duì)每個(gè)布置方案的詳細(xì)分析，并與總包項(xiàng)目部及指揮部主要領(lǐng)導(dǎo)確認(rèn)，綜合考慮作業(yè)空間、作業(yè)安全、遠(yuǎn)期運(yùn)維和美觀需求，選擇方案3為最終方案。

3.4 專業(yè)間接口深化設(shè)計(jì)

通過開展專業(yè)間接口的深化設(shè)計(jì)，可清晰表達(dá)不同專業(yè)間的接口關(guān)系，相當(dāng)于在未施工前利用BIM技術(shù)進(jìn)行“預(yù)裝配”，提前解決不同專業(yè)間的施工交叉干擾問題。

（1）典型應(yīng)用1：檢查庫動(dòng)車專業(yè)3層作業(yè)平臺(tái)與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)房屋模型（梁、柱、地面等）的接口深化設(shè)計(jì)（見圖10）。

圖10 平臺(tái)設(shè)備與房建接口深化設(shè)計(jì)

（2）典型應(yīng)用2：檢查庫綜合支吊架拐角處橋架、管線（涉及四電、暖通、動(dòng)車專業(yè)）的接口深化設(shè)計(jì)（見圖11）。

圖11 綜合支吊架橋架、管線局部深化設(shè)計(jì)

（3）典型應(yīng)用3：檢查庫前給排水、動(dòng)車等專業(yè)室內(nèi)外接口深化設(shè)計(jì)（見圖12）。

圖12 檢查庫前室內(nèi)外接口深化設(shè)計(jì)

3.5 預(yù)留孔洞深化設(shè)計(jì)

開展預(yù)留孔洞深化設(shè)計(jì)可更正原二維設(shè)計(jì)圖紙中孔洞少留、漏留、錯(cuò)留等現(xiàn)象，得到準(zhǔn)確的預(yù)留孔洞尺寸和位置，減少甚至避免后期設(shè)備管線安裝過程中，因預(yù)留孔洞位置不準(zhǔn)確造成的砌體二次打鑿甚至返工，保證墻板美觀。

南通動(dòng)車所項(xiàng)目中，在完成檢查庫室內(nèi)外接口深化設(shè)計(jì)后，對(duì)檢查庫預(yù)留孔洞進(jìn)行了三維可視化優(yōu)化調(diào)整。檢查庫地下隱蔽工程預(yù)留孔洞深化設(shè)計(jì)典型應(yīng)用見圖13。

圖13 檢查庫地下隱蔽工程預(yù)留孔洞深化設(shè)計(jì)

3.6 正向設(shè)計(jì)探索

某些鐵路設(shè)備模型尤其是終端設(shè)備（如攝像頭、燈具、配電箱等）往往實(shí)例化數(shù)量多、布置復(fù)雜，空間位置在二維圖中難以精確表達(dá)。如南通動(dòng)車所檢查庫安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，包括球型/槍型攝像機(jī)、LED顯示屏、信號(hào)燈、門禁、分控柜、接地控制箱等設(shè)備，共計(jì)284臺(tái)，而這些設(shè)備在平面布置圖的空間位置只是符號(hào)化表達(dá)，布置方案也是原理性示意，其典型設(shè)備平面布置見圖14。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)平面布置圖難以直接應(yīng)用于施工指導(dǎo)，往往依靠作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工順序比較混亂，施工方案的合理性也有待商榷。

圖14 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)典型設(shè)備平面布置

在南通動(dòng)車所項(xiàng)目中，針對(duì)檢查庫安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用正向設(shè)計(jì)手段，脫離二維圖紙，規(guī)避翻模環(huán)節(jié)，直接開展三維BIM設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后與設(shè)備廠家對(duì)接，確保設(shè)計(jì)方案最優(yōu)并可直接應(yīng)用于施工指導(dǎo)。具體正向設(shè)計(jì)流程如下：

（1）了解掌握安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的功能、組成、布置原理及設(shè)備招標(biāo)情況。1層作業(yè)評(píng)價(jià)設(shè)備的典型布置原理見圖15。

圖15 1層作業(yè)評(píng)價(jià)設(shè)備的典型布置原理圖

（2）根據(jù)安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)備組成，建立設(shè)備模型庫（見圖16）。

圖16 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)備模型庫

（3）開展安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)三維BIM設(shè)計(jì)及優(yōu)化，最終BIM設(shè)計(jì)成果見圖17。

圖17 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)成果

3.7 BIM+GIS可視化施工交底

BIM模型最直觀的特點(diǎn)就是可視化，其可視化功能可以全方位清晰展示管線、設(shè)備、設(shè)施空間位置關(guān)系，有效幫助施工人員快速了解設(shè)計(jì)意圖，為施工方案的制定提供全面、科學(xué)的依據(jù)。此外，可借助BIM模型的可視化效果提前暴露施工難點(diǎn)，便于合理安排施工順序。

為解決BIM軟件使用成本高的問題，同時(shí)充分發(fā)揮GIS大場(chǎng)景管理能力，南通動(dòng)車所項(xiàng)目將動(dòng)車所BIM模型導(dǎo)入中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的基于RIM的鹽通鐵路總承包信息化管理平臺(tái)（3DGIS平臺(tái)，見圖18），建立動(dòng)車所BIM+GIS三維可視化場(chǎng)景，生成帶有地形顯示、設(shè)計(jì)模型、周邊環(huán)境等詳細(xì)信息的電子沙盤（見圖19），實(shí)現(xiàn)模型的流暢瀏覽、設(shè)備設(shè)施的方便管理和綜合管線的實(shí)時(shí)查看。借助該信息化管理平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)管理人員不僅可在電腦端也可在手持移動(dòng)端（手機(jī)、PAD等）進(jìn)行動(dòng)車所模型的實(shí)時(shí)瀏覽、信息查詢、施工坐標(biāo)查看、距離測(cè)量等模型數(shù)據(jù)讀取，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)管理人員直接根據(jù)模型開展現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)。信息化管理平臺(tái)手持移動(dòng)端應(yīng)用見圖20。

圖18 基于RIM的鹽通鐵路總承包信息化管理平臺(tái)

圖19 基于BIM+GIS技術(shù)的南通動(dòng)車所電子沙盤

4 結(jié)束語

詳細(xì)闡述動(dòng)車段所BIM深化設(shè)計(jì)流程和方法，從而對(duì)BIM深化設(shè)計(jì)工作程序進(jìn)行規(guī)范，并應(yīng)用于南通動(dòng)車所BIM項(xiàng)目中。充分發(fā)揮BIM技術(shù)“所見即所得”的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)綜合管線三維空間排布優(yōu)化、工藝方案模擬優(yōu)化、專業(yè)接口協(xié)調(diào)、孔洞精確預(yù)留、可視化施工交底等深化應(yīng)用，并開展BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)探索，推動(dòng)了BIM技術(shù)發(fā)展。形成的研究成果對(duì)提高項(xiàng)目管理水平、施工質(zhì)量和效率具有重要作用，可為類似項(xiàng)目的推廣應(yīng)用提供借鑒，同時(shí)為設(shè)計(jì)院由工程設(shè)計(jì)向工程總承包的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了有力技術(shù)支撐。