BIM技術(shù)在地鐵車輛段室外綜合管線優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用*

李綿輝

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機械動力和環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津300308）

地鐵車輛基地具有占地大，投資高，設(shè)計涉及專業(yè)多，設(shè)計牽涉面廣等特點，故關(guān)心的人多、干預(yù)的人多。而車輛段作為車輛基地主要的部分，包括車輛段內(nèi)室外綜合管線的設(shè)計也具有上述特點。地鐵車輛段室外綜合管線包含牽引變、接觸網(wǎng)、站場、軌道、路基等共十幾個專業(yè)同時開展設(shè)計工作，各專業(yè)管線存在位置沖突和交叉點碰撞的情況，故需要綜合管線專業(yè)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，但僅通過單一的二維設(shè)計存在一定的設(shè)計盲區(qū)和缺陷。

劉為群[1]指出BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程全生命周期，精細化的BIM設(shè)計成果在施工階段對保證工期、減少返工方面價值突出。目前，天津、上海、南京、無錫、寧波、廈門、廣州等城市地鐵公司都開展了三維管線綜合設(shè)計的應(yīng)用[2]。巴基斯坦拉合爾橙線項目[3]的車輛段停車場采用了BIM管線綜合正向設(shè)計，通過規(guī)范室外埋管間的交叉間隔，及優(yōu)化管線路由，既避免了管線施工問題，又降低了施工挖方量。天津地鐵5號線[4]選擇了利用BIM技術(shù)開展輔助設(shè)計，以管線綜合輔助設(shè)計為主的BIM應(yīng)用方案并最終獲得預(yù)期效果。林耀[5]等對動車運用所室外綜合管線的BIM正向設(shè)計方法進行研究，通過三維協(xié)同設(shè)計立體直觀地展現(xiàn)了管線間的布置位置，但最終還是要通過三維模型轉(zhuǎn)二維施工圖方法完成成果交付。

可見，不論是國鐵項目還是地鐵項目，對于室外綜合管線的設(shè)計都存在同類問題，即涉及的設(shè)計專業(yè)較多，管線間位置復(fù)雜且繁多。傳統(tǒng)的施工圖由于設(shè)計的原因，在實際施工過程中會存在設(shè)計表達不全的問題，此時只能依靠施工人員的經(jīng)驗和水平來完成施工。沈陽地鐵4號線文官屯車輛段室外綜合管線充分利用BIM技術(shù)能夠檢查碰撞的優(yōu)勢，通過精細化建模，將每個構(gòu)件、每根管道進行精細表達，將各專業(yè)管線三維模型信息統(tǒng)一起來，能夠直觀地觀察到構(gòu)筑物、建筑物與各專業(yè)管線之間的關(guān)系，運用Revit軟件對整體模型進行碰撞檢查，生成相應(yīng)的碰撞檢查報告，并對各專業(yè)管線布置方案進行系統(tǒng)性的檢查，能夠及時發(fā)現(xiàn)施工圖紙存在的問題并及時反饋給設(shè)計人員進行確認?？赏ㄟ^設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計方案，解決各專業(yè)管線打架、干擾的問題，把有可能在實際施工中出現(xiàn)的錯誤和問題提前解決在圖紙和模型上。

根據(jù)施工圖建立三維BIM模型的過程，相當于提前進行虛擬施工，可以對施工圖紙進行一定程度的校核，通過碰撞檢查，成功發(fā)現(xiàn)并解決了碰撞300處左右，并對三維建模技術(shù)預(yù)知了施工中可能會遇到的問題進行優(yōu)化處理。不僅提高了施工單位的審圖精度，避免了可能在實際施工中出現(xiàn)的問題，還對合理安排施工工序、保證節(jié)點順利、高質(zhì)量地完成車輛段室外綜合管線施工具有積極作用。

1 項目概況及設(shè)計范圍

1.1 項目概況

沈陽地鐵4號線一期工程車輛基地設(shè)有一段一場，本文僅對文官屯車輛段BIM設(shè)計及應(yīng)用進行分析，航天南路停車場的設(shè)計類似，本文不再贅述。

文官屯車輛段占地26公頃，由望花街站后引出2股出入段線，下穿沈哈鐵路后進入車輛段，出入段線東西兩側(cè)各引出牽出線1股，并與各庫及庫內(nèi)各股道連通。出入段線東側(cè)設(shè)實訓(xùn)線。段址東北側(cè)設(shè)運用庫，包含停車列檢庫線18股（36列位），采用盡端式布置，其中洗車庫及鏇輪庫與運用庫合并建設(shè)，洗車線和鏇輪線各1股。段址西北側(cè)布置檢修組合庫，包括定臨修庫線3股，周月檢庫3股，靜調(diào)庫線1股、吹掃線1股。檢修組合庫和停車列檢庫線束中間設(shè)內(nèi)燃調(diào)機及工程車庫線3股道，滿足調(diào)車作業(yè)。檢修組合庫線西側(cè)設(shè)2股道平板車線，平板車型西側(cè)設(shè)堆場。試車線平行于沈哈鐵路呈南北走向，在段內(nèi)東側(cè)，有效長度1300m，滿足高速試車要求。車輛段內(nèi)的辦公樓、綜合維修中心（含換熱站）設(shè)在檢修庫北側(cè)。咽喉區(qū)西側(cè)集中布置了物資總庫、材料棚、汽車庫。段址東側(cè)設(shè)置雜品庫、垃圾轉(zhuǎn)運站及污水處理站、蓄電池間、牽引降壓混合變電所。

1.2 BIM輔助設(shè)計應(yīng)用的目的

二維設(shè)計的優(yōu)點是能夠快速的在總平面圖中體現(xiàn)出平面相對位置關(guān)系，也能更好地進行管線路由的變更操作，缺點是不能很好地反映出各交叉管線間的立體相互關(guān)系，只有數(shù)點區(qū)域和剖示圖能夠表示出管線相對位置，但數(shù)點區(qū)域和剖示圖有限，不能完全反應(yīng)出相對位置關(guān)系。且二維設(shè)計存在變更較多，不同專業(yè)在不同階段，有不同的設(shè)計變化，存在變化多、版本多的問題，在人力和時間上存在浪費，故存在一定的局限性和缺陷。

BIM技術(shù)在室外綜合管線的應(yīng)用上，其優(yōu)點是能夠體現(xiàn)出所有管線的立體位置關(guān)系，是否碰撞一目了然，且通過對房屋的建模還可以對接好各室外綜合管線入戶位置是否準確，是對所有細節(jié)問題的一次全面排查，也相當于是施工之前的模擬施工環(huán)節(jié)。本文將二維設(shè)計和BIM設(shè)計的優(yōu)勢相結(jié)合，將會對室外綜合管線的施工作出更詳細、更有用的施工指導(dǎo)意見。

1.3 BIM設(shè)計范圍

沈陽地鐵4號線一期工程文官屯車輛段室外綜合管線BIM設(shè)計，包含工藝、牽引變、接觸網(wǎng)、站場、軌道、路基、橋涵、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、動照、通信、信號、FAS/BAS、綜合監(jiān)控等共16個專業(yè)。

1.4 設(shè)計流程

文官屯車輛段室外綜合管線的設(shè)計是在二維設(shè)計的基礎(chǔ)上進行BIM設(shè)計，通過創(chuàng)建管線模型形成碰撞檢查報告，對報告中發(fā)現(xiàn)的問題及時地反饋二維設(shè)計者，通過優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)二維施工圖。室外綜合管線BIM應(yīng)用設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 室外綜合管線BIM應(yīng)用設(shè)計流程圖

2 文官屯車輛段模型對比圖

本文主要研究BIM技術(shù)在文官屯車輛段室外綜合管線應(yīng)用的情況。車輛段模型對比如圖2所示，左側(cè)為二維設(shè)計施工圖，右側(cè)為三維軟件制作的模型。

圖2 文官屯車輛段模型對比

3 室外綜合管線的BIM應(yīng)用

本文基于沈陽地鐵4號線文官屯車輛段的室外綜合管線，對比二維和三維在室外綜合管線設(shè)計的優(yōu)缺點，并探索兩者之間結(jié)合的可能性。開展了室外綜合管線全專業(yè)BIM設(shè)計，完成模型建立、模型校核、碰撞檢查、方案優(yōu)化設(shè)計、接口深化設(shè)計等工作，配合完成施工圖紙修訂，并形成碰撞優(yōu)化報告；以施工應(yīng)用需求為導(dǎo)向，完成BIM設(shè)計成果向施工的數(shù)字化交付和傳遞，滿足施工階段深化應(yīng)用需求。

3.1 二維相關(guān)專業(yè)管線布置原則

室外綜合管線布置應(yīng)使管線之間及管線與建構(gòu)筑物基礎(chǔ)、股道、道路、接觸網(wǎng)支柱、地面排水溝、綠化等設(shè)施之間在平面和豎向上相互協(xié)調(diào)緊湊，滿足施工、檢修、安全等要求，做到節(jié)約用地、經(jīng)濟合理。二維室外綜合管線局部布置圖如圖3所示。應(yīng)依據(jù)《工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計規(guī)范》（GB 50187-2012）、《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》（GB 50289-2016）等相關(guān)規(guī)范的要求，做到滿足以下管線交叉原則：

圖3 二維室外綜合管線局部布置圖

（1）施工過程中須嚴格遵照國家及地方相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，互相配合，合理避讓。各專業(yè)管線發(fā)生矛盾時，一般可按照以下原則處理：管路之間發(fā)生交叉時，有壓管讓無壓管；支管讓干管，小管徑讓大管徑，可彎曲管讓不可彎曲管。

（2）各管線與站場排水溝交叉時一般從排水溝下面通過，當被迫穿管通過時需做套管并做好排水溝的防水處理。

3.2 BIM管線模型創(chuàng)建原則

車輛段標段BIM設(shè)計及應(yīng)用需執(zhí)行中國鐵路BIM聯(lián)盟和建筑行業(yè)現(xiàn)行的一系列標準、規(guī)定：如《鐵路工程信息模型交付精度標準（1.0版）》《鐵路工程信息模型表達標準》《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1.0版）》《建筑工程設(shè)計信息模型交付標準》等。

通過三維管線綜合設(shè)計技術(shù)，有效地在施工設(shè)計階段真正落實了車輛段內(nèi)管線的綜合設(shè)計要求，基本解決了管線沖突，并在大部分區(qū)段保證了運營維護空間，減少了現(xiàn)場返工、變更工作量。文官屯車輛段室外綜合管線BIM模型圖如圖4所示，圖中包括所有專業(yè)的管線和相關(guān)構(gòu)件。

圖4 車輛段室外綜合管線BIM模型圖

3.3 BIM碰撞檢查分析

文官屯車輛段項目中站場、給排水、電力、接觸網(wǎng)、通信、信號、房建、暖通等十幾個專業(yè)參與設(shè)計，傳統(tǒng)二維管線綜合設(shè)計并經(jīng)院審后，再進行三維碰撞檢查，依然存在302處碰撞沖突。按照以往情況，這些沖突就要到施工階段解決了，可見會給現(xiàn)場施工帶來很大的協(xié)調(diào)量和變更。

本文將碰撞中類似的問題，通過總結(jié)整理為62項典型的碰撞問題。通過BIM室外綜合管線協(xié)調(diào)會，各專業(yè)濟濟一堂，解決相關(guān)的碰撞問題，會后發(fā)現(xiàn)需要一個專業(yè)修改優(yōu)化的碰撞問題有16項，兩個專業(yè)相互碰撞的問題有31項，三個專業(yè)間需要優(yōu)化解決的碰撞問題有8項，四個專業(yè)間需要優(yōu)化解決的碰撞問題有5項，五個專業(yè)間需要優(yōu)化解決的碰撞問題有1項，六個專業(yè)間需要優(yōu)化解決的碰撞問題有1項，如圖5所示。不同問題都需要各專業(yè)設(shè)計來協(xié)調(diào)優(yōu)化，最終完成調(diào)整意見的匯總，即為碰撞優(yōu)化報告。

圖5 管道干涉專業(yè)間數(shù)量統(tǒng)計圖

3.4 BIM對二維施工圖的優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)

通過對碰撞優(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、局部優(yōu)化、結(jié)構(gòu)特殊處理五種類型，其典型示例如表1所示。碰撞優(yōu)化典型示例如下所述。

表1 室外綜合管線碰撞優(yōu)化典型示例

方案優(yōu)化：BIM模型中橢圓形位置表示的是牽引變電纜溝、站場排水溝都要從兩個接觸網(wǎng)支柱中穿過，存在路由沖突，且站場排水溝還要穿越牽引變電纜溝兩次，通過方案優(yōu)化取消了部分站場排水溝的路由，避免了專業(yè)間管道沖突的可能。

路由優(yōu)化：BIM模型中橢圓形位置表示的是信號電纜槽、站場排水溝都要從兩個接觸網(wǎng)支柱中穿過，且沿著站場排水溝的方向，有些接觸網(wǎng)支柱的間距過小，路徑位置更為困難，通過路由優(yōu)化取消了此處的信號電纜槽的路由，只留了站場排水溝通過兩接觸網(wǎng)支柱，不會存在各專業(yè)管線路由位置不足的情況。

接口優(yōu)化：矩形框中動照排管和通信四通人型孔發(fā)生干涉情況，通過優(yōu)化通信四通人型孔的位置，避免了動照管線和通信人型孔沖突的地方，又通過優(yōu)化噴淋管的路由避免了噴淋管和通信人型孔沖突。

局部優(yōu)化：兩矩形框標注的給排水污水井在運用庫前平交道路邊，給施工帶來了不必要的麻煩，通過局部優(yōu)化將給排水污水井挪到平交道路內(nèi)側(cè)。

結(jié)構(gòu)特殊處理：矩形框中牽引變電纜溝旁邊的站場排水溝不具有位置通過，通過把接觸網(wǎng)支柱改為過水型接觸網(wǎng)支柱后，即通過結(jié)構(gòu)特殊處理解決了站場排水溝路由間距不足的問題。

4 BIM設(shè)計存在的問題總結(jié)和展望

4.1 BIM設(shè)計存在的問題總結(jié)

（1）本文通過二維設(shè)計圖紙應(yīng)用BIM技術(shù)的方法，能夠通過碰撞檢查解決部分施工過程中存在的二維圖紙中信息表達不全等問題，對管線位置的體現(xiàn)較為立體，但是并沒有取締二維設(shè)計，沒有提高設(shè)計效率，相反還增加了時間來完成BIM模型的創(chuàng)建。此外，也沒有體現(xiàn)出BIM多專業(yè)間協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢。

（2）現(xiàn)階段BIM成果交付形式還存在一定問題，即使采用BIM三維正向設(shè)計后，設(shè)計院和施工單位還依然停留在依賴二維圖紙展現(xiàn)成果的基礎(chǔ)上，交付設(shè)計成果時還需要BIM生成二維圖紙后向施工單位交付，故BIM只能作為補充設(shè)計的一種方式。

（3）若BIM通過發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)以三維的方式交付，其三維交付的形式、內(nèi)容、深度等也有待于進一步的明確和規(guī)定，且設(shè)計收費缺乏依據(jù)。

（4）BIM模型根據(jù)使用的三維軟件的不同，存在交付時模型過大的問題，需要進行模型輕量化處理后進行交付。如清理外部鏈接文件和內(nèi)部多余的族構(gòu)件、模板等。

（5）目前，BIM技術(shù)在室外綜合管線的輔助設(shè)計中，雖然減少了施工過程過度依賴施工人員經(jīng)驗和水平等問題，但還不能通過4D施工模擬指導(dǎo)室外綜合管線施工。

（6）雖然國內(nèi)大量軌道交通工程在積極推進BIM技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計階段取得了良好的效果。但是，BIM在整個項目生命周期，對于項目管理、協(xié)作、施工以及項目建設(shè)完成后的運營管理與維護等方面還沒有發(fā)揮應(yīng)有的價值。

4.2 BIM設(shè)計展望

（1）BIM的未來需要時間的磨合，完全實現(xiàn)軌道交通行業(yè)的BIM設(shè)計是一個長期的過程，需要軌道交通設(shè)計各專業(yè)的通力配合與共同創(chuàng)造，其實現(xiàn)不僅僅是帶來一次設(shè)計技術(shù)的進步和更新?lián)Q代，也將促使施工和運營方式的一次轉(zhuǎn)型，對整個軌道交通行業(yè)將會產(chǎn)生深遠的影響。

（2）政府需在軌道交通BIM發(fā)展中也發(fā)揮一定的作用，尤其是在政府投資的項目上率先應(yīng)用BIM技術(shù)，出臺相應(yīng)的政策、制定基礎(chǔ)標準，引導(dǎo)行業(yè)發(fā)展；業(yè)主是項目的最大受益者，對BIM應(yīng)用予以資金保障；企業(yè)也需發(fā)揮主觀能動性，加大對BIM的研發(fā)和設(shè)計能力的投入。

（3）未來4D施工模擬可視化可使施工人員更容易識別出潛在的作業(yè)次序錯誤和沖突問題，以實現(xiàn)施工進度、資源、成本等的可視化管理，大幅度地提高了施工效率、縮短工期、節(jié)約成本等，對場段室外綜合管線施工具有深刻的指導(dǎo)意義。