BIM技術在某高鐵站機電系統(tǒng)應用研究

藺玉璞,孫 威,張 波

(1.山東省建筑設計研究院有限公司,山東 濟南 250002;2.同圓設計集團有限公司,山東 濟南 250002)

0 引 言

近年來,BIM技術已廣泛應用于建筑行業(yè)。高鐵站中應用BIM技術,利于協(xié)助項目方案設計和工程可行性前期分析,通過BIM數(shù)字化、可視化的特點,對機電系統(tǒng)進行建模及碰撞檢查。目前,我國機電系統(tǒng)的設計和施工圖仍由CAD設計,電氣、設備等專業(yè)各自為政進行,缺少統(tǒng)一的組織及模型整合。機電系統(tǒng)的設備管道種類繁多,若管道之間、管道與建筑構件之間相互沖突,其無法作為具體施工圖紙使用,必須進行二次現(xiàn)場深化設計[1-3]。

本文結合BIM技術并以某高鐵站為例,旨在解決工程項目中機電系統(tǒng)管線橋架路由碰撞、設備布置空間不足等問題,提高項目機電系統(tǒng)中的建模效率,避免施工返工不利影響。

1 項目概況及工程難點

某高鐵站位于某市東北部,規(guī)模為2臺4線,總建筑面積為9 996 m2,共3層,地上2層,地下1層,-2F為候車廳,-1F為候車室以及停車場;采用高站臺乘降列車,線側候車、線上進站、線下出站。項目主體全部采用鋼結構桁架形式,為一級負荷用電單位,并設置柴油發(fā)電機。具體機房設置:-1F 設置10/0.4 kV變電室、柴油發(fā)電機房、水泵房;1F設置電信接入間、消防控制中心、空調機房、新風機房;2F設置聯(lián)合機房;2F屋頂設置消防水箱。氣體滅火系統(tǒng)設置在變電所、電信室、控制室等場所。

該工程難點有如下方面[4-7]。

(1)工程量大,安裝難度高。高鐵站比一般公共建筑更注重屋面和外形的設計,對整體效果和空間設計要求較高,結構形式復雜。滿足機電系統(tǒng)功能的基礎上,還注重美觀性,大大增加設計和施工的難度。該工程安裝面積大,工期緊張,需要保證施工質量。

(2)管線系統(tǒng)復雜,變更頻繁。該工程包含系統(tǒng)較多,各類管線數(shù)量繁多,大空間空調、通風、排煙系統(tǒng)的風管尺寸非常大,同時其他專業(yè)設備管線層疊交叉,保證凈高困難。二維圖紙審核存在較大困難,且設計變更頻繁,施工圖版本較多,須借助三維BM模型,對管線布置進行優(yōu)化。

2 BIM模型鏈接與機電系統(tǒng)創(chuàng)建

2.1 BIM模型鏈接

對于建筑、結構模型,為避免模型數(shù)據(jù)變大并降低模型的風險管理度,一般采用鏈接方法,在電氣模型中插入鏈接好的建筑、結構模型底圖,倘若對模型進行更新,鏈接方式也將同步更新以實現(xiàn)協(xié)同。

(1)建筑、結構模型鏈接。將土建專業(yè)鏈接到電氣樣板中,輔助施以電氣專業(yè)模型的建立。考慮到機電系統(tǒng)中電氣專業(yè)的電纜橋架及管道的高度,以及各設備機房的管道出口確定,需要建筑專業(yè)配合留余足夠的空間高度,或者結構專業(yè)在墻體上預留洞口,以解決空間凈高度不足的問題。

某高鐵站局部平面圖如圖1所示。

(2)設備模型鏈接。為實現(xiàn)機電系統(tǒng)更完善的設計,需要Revit鏈接設備專業(yè)圖紙,以與電氣橋架等裝置檢查碰撞和沖突。該項目-1F包含配電室、柴油發(fā)電機房、消防水泵房、空調機房等房間,機電系統(tǒng)設備機房成為項目深化的難點。在高鐵站過程設計中,傳統(tǒng)CAD流程是各專業(yè)單獨設計二維平面圖紙,缺乏層次感和立體感,不能清晰地表達綜合模型各專業(yè)的空間分布情況,極可能會導致設計安裝碰撞等問題產(chǎn)生。利用BIM三維模型能夠清楚地顯示各專業(yè)間的空間分布情況,方便及時調整管線位置與標高,避免返工減少浪費。機電系統(tǒng)局部BIM模型如圖2所示。

圖2 機電系統(tǒng)局部BIM模型

對于暖通系統(tǒng),考慮高鐵站內(nèi)辦票大廳、候車大廳等空間最大高度大,為了能最大限度的降低能耗,在空調系統(tǒng)方案選擇時需要考慮其特殊性,均采取全空氣、分層空調系統(tǒng)加上外排風的措施。

對于給排水系統(tǒng),為達到各方對用水量、壓力及水質需求,水系統(tǒng)分開設置并計量,包括生活水和消防水系統(tǒng),組成獨立、安全可靠的供水系統(tǒng)。高鐵站室外給水系統(tǒng)為生活、消防合用給水系統(tǒng),由2根DN500給水管沿干道在航站區(qū)紅線范圍內(nèi)由南向北貫穿高鐵站敷設,保證供水的可靠性。高鐵站內(nèi)各單體建筑物生活、消防用水分別由室外給水管網(wǎng)上接出支管供給并各自設置水表單獨計量。

2.2 機電系統(tǒng)創(chuàng)建

BIM技術應用于高鐵站機電系統(tǒng),可以解決傳統(tǒng)二維平面設計中的一些固有問題,如橋架選擇路由的布置,變配電室機柜機房的合理排布,燈具插座墻體上安裝方式等,有效地將模型建立規(guī)范化。

機電系統(tǒng)模型建立的大體思路是:熟悉CAD圖紙,了解工程項目概況;在Revit環(huán)境中建立項目模板以及建筑、結構BIM模型;電氣專業(yè)建模,包括照明及橋架路由的設計;完成機電系統(tǒng)建模,進行碰撞檢查,優(yōu)化模型。

2.2.1 創(chuàng)建電氣項目樣板

項目樣板主要包含視圖劃分、可見性設置、視圖的深度設置以及過濾器設置等。在電氣專業(yè)中,在同一個視圖內(nèi)根據(jù)子系統(tǒng)可劃分為動力子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、弱電子系統(tǒng)、消防子系統(tǒng)4大系統(tǒng),需要相應建立4種視圖模型。

電氣樣板創(chuàng)建過程:① 選擇鴻業(yè)BIM,以Revit 2016位平臺,建立電氣項目模板,并添加鏈接建筑、結構模型;② 設置電氣模板,添加修整視圖樣板、過濾器,以及電氣專業(yè)的子系統(tǒng)分配與框架;③ 添加族構件,建立族構件的屬性信息,并添加或修改族構件相關的信息;④ 編輯項目瀏覽器,合理組織項目瀏覽器;⑤ 創(chuàng)建過濾器,促進多專業(yè)協(xié)同工作和更深化的設計與繪圖。

(1)視圖樣板劃分。建立“樓板平面”,設計平面視圖。軸網(wǎng)等信息以底圖的形式呈現(xiàn),待軸網(wǎng)建好,再細分電氣專業(yè)內(nèi)容。

(2)過濾器設置。BIM技術人員依照某高鐵站建模要求構建電氣專業(yè)過濾器,以解決Revit默認過濾器不足的問題。正常情形下,使用過濾作用建立的過濾器包含供水和排水的市政供水,不同分區(qū)的供水和回水,污水和廢水流等信息;暖通空調系統(tǒng)包含冷凝水、冷凍水等,必要時使用過濾器操作處理空調系統(tǒng)的供水和回水等內(nèi)容;電氣專業(yè)的相關設備主要是強、弱電橋架。電氣專業(yè)建模時,可以有選擇地過濾隱藏其他專業(yè)。

2.2.2 電氣專業(yè)建模

(1)照明設計。使用Revit建模軟件進行照明布置時,通過鏈接各專業(yè)模型建立吊頂、天花板等的樓層高度,然后應用BIM電氣建模確定燈具和開關插座詳細位置。用Revit設計照明設備時,首先確定布置的安裝面,具體操作方法如下:插入—族—照明設備(插座)等。確定天花板布置吸頂燈,安裝墻壁以確定插座開關等,并防止與其他專業(yè)設計發(fā)生沖突和碰撞。通過不斷地切換二維及三維視圖,保證吸頂燈或吊燈裝置位于合理位置。

在高鐵站的辦公室等場所采用T5熒光燈,走廊等位置采用節(jié)能燈,大廳和辦公范圍等經(jīng)過室內(nèi)精裝的房間照度均須符合GB 50034—2013《建筑照明設計標準》的相關技術要求,其各項指標均應符合設定值:辦公室3 00 lx,變配電室2 00 lx,泵房、空調機房100 lx,走廊等處50～100 lx等。

(2)電纜橋架設計。利用BIM技術進行電氣電纜橋架設計,每個子系統(tǒng)的電纜橋架都以相同方式繪制。具體以配電室橋架的繪制方法為例:選擇配電室橋架大小為“400×200”直接拖動到工作面板上尋找位置即可,若電氣專業(yè)走梁下,查看其內(nèi)部圖,主梁為1 m,橋架可以走距地4 m位置。弱電橋架繪制方法相同,以-1F橋架敷設為例,橋架安裝均符合GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》相關章節(jié)規(guī)定。某高鐵站強、弱電電纜橋架三維模型如3所示。

圖3 某高鐵站強、弱電電纜橋架三維模型

(3)電氣機房設計。機房建模主要關注高低壓柜、變壓器柜及弱電機柜的模型實體與建筑空間的尺度關系,利用Revit軟件或插件里面的族和圖庫直接建立柜體模型,若施工圖設計是非標柜體,則需要查實準確尺寸,并通過“插入—族—電氣設備—XX柜”命令建立柜體模型,并按照二維圖紙方案內(nèi)容進行設備排布,選擇“GCS型低壓配電柜-MCC柜”,建模過程及類型屬性。安放設備模型時需要注意設備與設備之間、設備與土建圍護結構之間的位置及距離,具體要求參照GB 51348—2019《民用建筑電氣標準》。

如低壓配電柜前面的操作通道最小凈寬,固定柜1.5 m,抽屜柜1.8 m;雙排面對面布置時,固定柜2.0 m,抽屜柜2.3 m;弱電機柜單排安裝時,柜前最小凈空1.0 m,多排安裝時,列間距不小于1.2 m。

電氣專業(yè)系統(tǒng)設備繁雜,Revit軟件不能夠完全代替CAD出具施工圖,由于Revit自帶電氣族類型很少,建模中的大多數(shù)電氣族通過載入族的方式添加,現(xiàn)實中存在設備族不全的問題。而對于防雷接地圖和系統(tǒng)圖等,則需要CAD補充出具二維圖紙。

某高鐵站電氣機房三維設備圖如圖4所示。

圖4 某高鐵站電氣機房三維設備圖

3 BIM模型碰撞檢查及深化分析

3.1 碰撞檢查過程及方法

各專業(yè)建模完成之后,需要對其專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間進行綜合性的沖突檢查,尋找模型中存在的沖突點。具體來講在檢查的過程中,主要從以下3方面進行沖突檢測。

(1)進行建筑、結構專業(yè)間的合理性沖突測試。例如某結構專業(yè)梁的底部太低,并且距下方樓板僅1 100 mm,明顯存在專業(yè)間碰撞,不符合建筑設計規(guī)范的要求。

(2)進行專業(yè)管線與土建專業(yè)的沖突測試,若出現(xiàn)專業(yè)管線布置與建筑結構發(fā)生碰撞時,就需要通過繞彎等處理手法消除這些碰撞,如果條件允許,可以相應調整土建專業(yè)內(nèi)容來配合。

(3)專業(yè)管道之間的沖突測試需要對所有管道進行全面的沖突檢查,如暖通、給水和排水以及設備管道排布。相比CAD二維圖,由于不能直接對各專業(yè)管道進行空間排布定位,只能疊加各專業(yè)管線到一張圖紙內(nèi),存在各專業(yè)管線交叉的情況。如果不對其進行協(xié)調,就會對機電系統(tǒng)工程的施工產(chǎn)生多方面的不利影響。

3.2 碰撞檢測結果及優(yōu)化

沖突檢查的信息量過大,分為分區(qū)檢測和構件選擇兩種檢測方式。利用Navisworks軟件進行沖突檢測,檢測完成生成碰撞報告。取兩處碰撞為例,碰撞測試結果如圖5所示。

圖5 碰撞測試結果

報告顯示碰撞名稱、位置及碰撞點,并且每個碰撞位置都自動附帶碰撞圖像。技術人員根據(jù)碰撞報告,查閱沖突的位置,返回到Revit軟件中,精確且高效地查找到碰撞位置點,更正其碰撞點管線、橋架等設備的碰撞位置點。

在優(yōu)化分析階段,建模人員對電氣專業(yè)設備管線進行布置,考慮機房及走廊有限空間內(nèi)安裝、檢修空間的預留。按原圖紙建模后發(fā)現(xiàn)給水管位于電纜橋架上方,且給水管為了躲避上方噴淋支管,在很短的距離內(nèi)兩次煨彎,不利于給水系統(tǒng)正常運行。依照建筑設計規(guī)范,橋架不宜敷設在水管道的下方。故對管線進行修改和調整,變更橋架安裝位置,具體操作方法:將電纜橋架上翻,利用Revit中“拆分圖元”的方法,打斷橋架拉伸,然后將拆分后的部分上翻300 mm,將偏移量調制4.3 m,最后進行連接。將電纜橋架、線槽高位安裝,移至水管上面,水管相應減少一個彎頭,同時將橋架在保證安全間距前提下,平行消防水管布置,安裝在通風管道的低位。通過組織施工管線的模擬分析,解決了眾多復雜管道帶來的復雜排布問題,使建筑工程進展更加順利,避免了返工。綜合管線優(yōu)化的結果不僅符合規(guī)范要求,而且更加節(jié)省建筑空間。

4 結 語

BIM技術作為三維信息化建模深化設計的工具,較好地解決了在實際施工之前對機電系統(tǒng)管線綜合和碰撞檢查。高鐵站項目結構復雜,參與設計施工方眾多,傳統(tǒng)的設計方式各專業(yè)只注重自身專業(yè)設計,空間位置易產(chǎn)生沖突,二維圖紙很難找出沖突部分。利用BIM技術,使各專業(yè)模型可視化,可以很直觀地看出各專業(yè)構件間位置關系,進行碰撞檢查,及早發(fā)現(xiàn)設計中不合理地方,避免返工。同時鏈接土建、設備專業(yè)和CAD模型,并著重對電氣專業(yè)建立樣板,照明、電纜橋架及電氣機房建模設計。BIM技術在機電系統(tǒng)設計方面極大地提高了建筑電氣設計的質量和效率,進一步提高建筑業(yè)的發(fā)展空間。