朱純瑤
(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)
豐臺綜合交通樞紐(簡稱豐臺樞紐)是我國高鐵建設(shè)的一項(xiàng)創(chuàng)新性工程,是國內(nèi)首創(chuàng)雙層車場高速普速重疊立體化綜合交通樞紐,在車場布局、建筑功能流線組織、空間設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都具有開創(chuàng)性。項(xiàng)目位于北京豐臺區(qū),市政接駁設(shè)施交錯(cuò)復(fù)雜,多項(xiàng)樞紐配套工程同步設(shè)計(jì)及施工,對結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)組織設(shè)計(jì)等帶來了極大挑戰(zhàn)。利用BIM信息化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造與管理是提高新時(shí)代樞紐建設(shè)水準(zhǔn)的重要手段。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中傳承以往項(xiàng)目的BIM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),采用了伴隨式正向輔助設(shè)計(jì)模式,充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢,在協(xié)同環(huán)境下高效解決了多項(xiàng)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)問題,并為施工和運(yùn)維階段提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)模型,探索了大型綜合交通樞紐在設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的可行方法[1-2]。
豐臺樞紐位于北京市西南三環(huán)與四環(huán)之間,建筑面積39.88萬m2,為了集約化利用土地,采用高普重疊雙層車場的布局形式。建成后將承接京廣、京港臺、京滬高鐵,京九、京原、豐沙鐵路及市郊鐵路客運(yùn)作業(yè)。在樞紐內(nèi)設(shè)計(jì)地鐵、公交、出租、社會(huì)車輛等市政交通的接駁換乘,實(shí)現(xiàn)鐵路客流與市政交通的互通及疏解。
豐臺樞紐地上4層,地下3層,局部設(shè)有夾層。其中,普速車場位于地面層,高速車場位于23 m標(biāo)高層,地下二、三層分別為地鐵10號和16號線(見圖1)[3-4]。
圖1 豐臺樞紐剖透視圖
雙層車場的布局方式使豐臺樞紐在15萬m2的占地面積內(nèi)具有了17臺32線的高速普速結(jié)合運(yùn)輸規(guī)模,但這種獨(dú)特的布局方式極大增加了設(shè)計(jì)難度,主要表現(xiàn)在以下方面:
(1)雙層車場建筑空間緊湊、功能布局及流線組織錯(cuò)綜復(fù)雜,對各專業(yè)設(shè)計(jì)人員的空間理解力要求高,在二維環(huán)境下,設(shè)計(jì)人員很難全面理解建筑的空間及功能關(guān)系。采用BIM技術(shù),可以在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多專業(yè)可視化協(xié)同設(shè)計(jì),有效實(shí)現(xiàn)對建筑功能整體協(xié)調(diào)及重點(diǎn)部位空間效果的全面把控。
(2)接駁條件復(fù)雜,接口配合困難。豐臺樞紐工程與行包設(shè)施、既有地鐵、新建地鐵、市政道路等銜接,接駁條件復(fù)雜且限制因素多,在站房設(shè)計(jì)中需全盤考慮并預(yù)留好接口條件。采用BIM技術(shù),可以在三維空間下,全面展示周邊設(shè)施與站房的空間關(guān)系及接駁條件,校核接口配合設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,有效減少多單位配合過程中出現(xiàn)的問題。
(3)雙層列車動(dòng)載疊加,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸超大,且結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜,超限設(shè)計(jì)難度大。且對建筑空間效果及機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大制約性,重點(diǎn)部位需通過深度專業(yè)配合進(jìn)行局部優(yōu)化。采用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)全面結(jié)合,對重難點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)布置方案和構(gòu)件尺寸優(yōu)化提供指導(dǎo),并進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)留預(yù)埋配合。
(4)中間層候車、上下層進(jìn)站的空間組織模式下,機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與常規(guī)車站有很大區(qū)別。在候車大廳空調(diào)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、高速車場上下水系統(tǒng)、屋面排水等設(shè)計(jì)方面都有很大難度,且樞紐還引入光導(dǎo)管、氣力垃圾等新型設(shè)備系統(tǒng)。采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維綜合管線設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電管線的最優(yōu)組織,優(yōu)化復(fù)雜空間機(jī)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。
在以往的大型樞紐項(xiàng)目中,BIM設(shè)計(jì)通常滯后于二維設(shè)計(jì),BIM應(yīng)用以綜合管線設(shè)計(jì)、渲染展示、施工模擬等設(shè)計(jì)深化應(yīng)用為主,在設(shè)計(jì)過程中介入的深度有限,很難充分發(fā)揮BIM的價(jià)值。項(xiàng)目基于對BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用成熟度和效率的客觀分析,確定了BIM應(yīng)用的目標(biāo)和應(yīng)用方法[5]。
在施工圖階段,充分發(fā)揮BIM技術(shù)在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)和可視化設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢,進(jìn)行BIM正向輔助設(shè)計(jì),高效解決二維設(shè)計(jì)環(huán)境下難以全方位協(xié)調(diào)的重難點(diǎn)問題。BIM正向輔助設(shè)計(jì)主要應(yīng)用目標(biāo)見圖2。
圖2 BIM正向輔助設(shè)計(jì)主要應(yīng)用目標(biāo)
項(xiàng)目在施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全專業(yè)BIM伴隨式正向輔助設(shè)計(jì),由項(xiàng)目總體統(tǒng)籌進(jìn)行BIM應(yīng)用整體策劃、規(guī)范應(yīng)用組織[6-7]。
(1)BIM應(yīng)用由BIM負(fù)責(zé)人統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織,由各專業(yè)負(fù)責(zé)人對BIM設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)。
(2)BIM設(shè)計(jì)模型由各專業(yè)設(shè)計(jì)人員與BIM建模人員配合完成,利用BIM模型進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同配合、三維綜合管線設(shè)計(jì)等工作。
(3)復(fù)雜部位、隱蔽空間設(shè)計(jì)中BIM先行,在三維環(huán)境下確定技術(shù)方案,在二維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)深化出圖。
(4)利用BIM模型進(jìn)行各專業(yè)設(shè)計(jì)校核,對發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行整理反饋,由專業(yè)負(fù)責(zé)人確定調(diào)整方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,形成整改閉環(huán)記錄。
項(xiàng)目依據(jù)《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》《建筑工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》及《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合項(xiàng)目需求、特點(diǎn),制定項(xiàng)目級BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),建立了豐臺樞紐《BIM技術(shù)應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。標(biāo)準(zhǔn)中對豐臺樞紐BIM的應(yīng)用目標(biāo)、工作組組織模式、工作范圍、文件命名規(guī)則、模型深度等級進(jìn)行了明確的規(guī)定[4]。同時(shí)建立了各類文件樣板用于規(guī)范建模、設(shè)計(jì)配合及綜合管線出圖。
項(xiàng)目BIM正向輔助設(shè)計(jì)由各專業(yè)BIM工程師與設(shè)計(jì)師共同完成。BIM工程師依據(jù)二維初步設(shè)計(jì)批復(fù)成果建立全專業(yè)基礎(chǔ)模型,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行施工圖階段的設(shè)計(jì)校核及協(xié)同配合。隨著施工圖設(shè)計(jì)的不斷深入,設(shè)計(jì)人員全程參與模型校核及圖紙調(diào)整,實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)同步更新。豐臺樞紐及周邊設(shè)施土建整體模型見圖3,豐臺樞紐機(jī)電系統(tǒng)整體模型見圖4。
圖3 豐臺樞紐及周邊設(shè)施土建整體模型
圖4 豐臺樞紐機(jī)電系統(tǒng)整體模型
豐臺樞紐建設(shè)包含多項(xiàng)工程,樞紐站房作為主體工程與鐵路行包庫、新建地鐵16號線、市政高架橋、下穿道路框涵等多項(xiàng)工程同步設(shè)計(jì),涉及多處共建工程及交叉部位。設(shè)計(jì)過程中聯(lián)合多家設(shè)計(jì)單位利用BIM模型進(jìn)行相關(guān)工程的配合設(shè)計(jì),進(jìn)行不同工程之間的設(shè)計(jì)界面、標(biāo)高設(shè)計(jì)校核。
新建16號線在地下三層?xùn)|西向橫穿站房下方,地鐵與國鐵重疊面積21 232 m2,與站房同期建設(shè)且共柱,通過多輪BIM設(shè)計(jì)方案比選,確定站房與地鐵共建鋼管柱及混凝土柱90根。
站房行包通道與普速站臺、市政出租車道及既有地鐵10號線形成上跨下穿關(guān)系(見圖5)。與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形成復(fù)雜的交叉關(guān)系,通過BIM模型校核,準(zhǔn)確確定了行包坡道定位及交叉部位的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)標(biāo)高(見圖6)。
圖5 站房工程及配套工程布局
圖6 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與行包通道配合設(shè)計(jì)模型
項(xiàng)目中BIM正向輔助設(shè)計(jì)對于重難點(diǎn)空間協(xié)同設(shè)計(jì)及空間優(yōu)化的效果非常顯著,利用BIM模型全面真實(shí)地表達(dá)建筑空間、結(jié)構(gòu)構(gòu)件與機(jī)電系統(tǒng)之間的空間關(guān)系,進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比選、推敲,形成最優(yōu)化的綜合協(xié)調(diào)方案,有效提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。
4.3.1 候車大廳的吊頂方案
候車大廳位于高速普速車場中間,受到高速車場線路爬升坡度限制,高速車場站臺標(biāo)高為23.00 m,高速站臺及軌道層占空5.80 m,候車大廳梁下凈高僅7.20 m,層高過低。為了減少大空間的壓抑感,對吊頂進(jìn)行了18處局部抬高并利用光導(dǎo)管引入自然光(見圖7)。為了實(shí)現(xiàn)吊頂層次,對機(jī)電管線的路由組織及精細(xì)配合要求極高,通過BIM模型進(jìn)行協(xié)同配合,通過多方案比選,優(yōu)化管線排布,合理確定吊頂造型定位,達(dá)到最優(yōu)空間效果。并根據(jù)BIM設(shè)計(jì)成果完成精裝修施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)(見圖8)。
圖7 候車大廳吊頂方案最終效果
4.3.2 地面進(jìn)站廳幕墻方案
地面進(jìn)站廳迎面長138 m,為玻璃與陶板組合式幕墻,利用陶板幕墻后部空間作為設(shè)備管廊,幕墻后部的綜合管線和結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)是制約幕墻整體效果的雙重因素。在BIM正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用下,幕墻實(shí)體部分高度由6.5 m優(yōu)化至5.0 m,有效提升了空間的整體效果(見圖9)。利用BIM模型成果完成了機(jī)電及結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)圖紙(見圖10)。
BIM正向輔助設(shè)計(jì)對于傳統(tǒng)二維圖紙很難全面表達(dá)的隱蔽空間、復(fù)雜部位的配合設(shè)計(jì)也發(fā)揮了舉足輕重的作用。項(xiàng)目地下排水涵路徑選擇、氣力垃圾系統(tǒng)路徑設(shè)計(jì)、中空站臺等隱蔽空間的設(shè)計(jì)都是直接在BIM模型中進(jìn)行設(shè)計(jì)工作,實(shí)現(xiàn)隱蔽空間、復(fù)雜問題多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì),并依據(jù)BIM設(shè)計(jì)成果進(jìn)行二維圖紙深化設(shè)計(jì)。
4.4.1 中空站臺全專業(yè)設(shè)計(jì)
為集約化利用空間,豐臺樞紐創(chuàng)新性地采用中空站臺設(shè)計(jì),在站臺空間內(nèi)同時(shí)容納客車上下水、人防、消防、排煙、通風(fēng)、氣力垃圾系統(tǒng)、電纜布設(shè)等多種復(fù)雜系統(tǒng),并設(shè)置檢修、員工休息室等功能性空間。且站臺上有大量需要避讓的電扶梯設(shè)備、人防風(fēng)口等垂直設(shè)施,結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,在二維設(shè)計(jì)環(huán)境下很難完成,項(xiàng)目利用BIM模型進(jìn)行正向設(shè)計(jì)(見圖11),并據(jù)此生成二維圖紙,其中最復(fù)雜的站臺包含12個(gè)不同斷面(見圖12)。
圖11 中空站臺BIM設(shè)計(jì)模型
圖12 基于模型生成的4號站臺施工圖紙
4.4.2 地下排水涵方案
豐臺樞紐屋面雨水通過軌道層線間排水溝收集并匯入市政排水系統(tǒng),由于站房位于城市建成區(qū),市政排水接駁出口及高程受限,只能穿越復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和行包通道引至站房南北兩側(cè),排水管道為重力排水,對坡度限制嚴(yán)格,在如此復(fù)雜的地下設(shè)施中確定排水路由在二維圖紙中很難實(shí)現(xiàn),項(xiàng)目在三維環(huán)境下進(jìn)行排水涵路由規(guī)劃及方案比選(見圖13),最終確定排水方案。
圖13 地下排水涵方案比選模型
豐臺樞紐共有機(jī)電系統(tǒng)20余項(xiàng),每項(xiàng)系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了對主要空間的全覆蓋,由于建筑功能及空間錯(cuò)綜復(fù)雜,機(jī)電系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)與常規(guī)車站有很大區(qū)別,受空間條件限制,苛刻的凈高要求對細(xì)部綜合管線配合的精度要求也非常高。因此,在設(shè)計(jì)過程中,為滿足不同階段的設(shè)計(jì)配合需求,在機(jī)電設(shè)計(jì)上進(jìn)行了多層次BIM應(yīng)用[8-9]。
4.5.1 機(jī)電系統(tǒng)規(guī)劃
豐臺樞紐除多樣化的旅客運(yùn)輸及換乘空間外還包含配套辦公、大型設(shè)備機(jī)房、市政配套商業(yè)辦公等多種功能。為實(shí)現(xiàn)不同功能的分流及聯(lián)通,并滿足公共空間和大型設(shè)備運(yùn)輸空間等不同要求,在BIM模型中進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)方案規(guī)劃。利用站臺軌道層和高架候車廳下吊管廊作為設(shè)備通道,確定了大型機(jī)房定位及主要跨區(qū)、跨層管線路由,并通過軟件進(jìn)行凈空分析,確定系統(tǒng)方案的可行性。
4.5.2 綜合管線設(shè)計(jì)及出圖
豐臺樞紐機(jī)電管線復(fù)雜且尺寸較一般工程大,管線截面積是一般工程的2~3倍,為了滿足空間凈高及設(shè)備運(yùn)輸需求,在設(shè)計(jì)過程中,針對車道、機(jī)房出入口、設(shè)備運(yùn)輸通道、公共空間等管線密集、凈空要求嚴(yán)格的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行深度配合、精細(xì)推敲,通過三維視圖剖切、管線綜合標(biāo)注等方式直觀展示管線層高是否滿足要求,實(shí)現(xiàn)空間利用最優(yōu)化。地下設(shè)備運(yùn)輸通道綜合管線設(shè)計(jì)模型見圖14。
綜合管線設(shè)計(jì)不僅涉及機(jī)電系統(tǒng)間的協(xié)同配合及避讓調(diào)整,還包括與結(jié)構(gòu)方案、裝修方案的深度配合。通過模型校核查找沖突部位,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案、裝修方案、機(jī)電管線形式的配合調(diào)整。
為了實(shí)現(xiàn)最好的空間效果,保證公共空間凈高,在候車廳商業(yè)夾層、出站通廊等部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案調(diào)整(見圖15)。最大限度壓縮結(jié)構(gòu)梁高、在梁柱交接處進(jìn)行加腋處理,極限部位的機(jī)電管線合理穿梁,并依據(jù)BIM綜合管線成果確定預(yù)留預(yù)埋方案,避免施工中后期鑿改帶來的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。
圖15 出站通廊綜合管線設(shè)計(jì)模型
項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了綜合管線的正向設(shè)計(jì)出圖,在Revit中生成綜合管線圖紙(見圖16),并將模型成果用于施工深化設(shè)計(jì)。
圖16 綜合管線圖紙
在設(shè)計(jì)過程中,除重點(diǎn)配合設(shè)計(jì)的區(qū)域外,BIM模型根據(jù)設(shè)計(jì)主要節(jié)點(diǎn)隨圖紙進(jìn)行更新。利用BIM模型對二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行校核檢查,以碰撞報(bào)告的形式將發(fā)現(xiàn)的問題反饋給設(shè)計(jì)人員,并利用模型進(jìn)行溝通、提出配合解決方案,設(shè)計(jì)人員對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)更改。
在正向輔助設(shè)計(jì)過程中,利用BIM模型校核,提前發(fā)現(xiàn)并解決各類有可能傳導(dǎo)至施工中的問題80余項(xiàng),查出重要圖紙問題28處,有效減少施工過程中重要問題的發(fā)生。設(shè)計(jì)校核問題整理及典型報(bào)告單見圖17。
圖17 設(shè)計(jì)校核問題整理及典型報(bào)告單
BIM模型的有效傳遞及利用是BIM全生命周期應(yīng)用的基礎(chǔ),在建設(shè)單位的統(tǒng)一組織下,設(shè)計(jì)與施工BIM團(tuán)隊(duì)進(jìn)行有效的模型傳遞及配合,在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工深化及相關(guān)應(yīng)用。
設(shè)計(jì)及施工方BIM團(tuán)隊(duì)共同建立了施工階段的BIM模型深化及溝通配合流程,對施工過程中發(fā)生的設(shè)計(jì)變更或配合修改進(jìn)行有效的記錄,保證BIM深化模型的時(shí)效性及準(zhǔn)確性[8],并將相關(guān)的圖紙、文件與BIM模型關(guān)聯(lián),提高了施工配合及管理的效率(見圖18)。
圖18 BIM施工配合問題及調(diào)整記錄
深化設(shè)計(jì)是施工(配合)階段設(shè)計(jì)與施工單位利用BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合的一項(xiàng)重要工作,在豐臺樞紐中,利用BIM技術(shù)進(jìn)行了混凝土結(jié)構(gòu)深化、鋼結(jié)構(gòu)深化、二次結(jié)構(gòu)與砌筑工程深化、設(shè)備機(jī)房深化、裝飾裝修工程深化等多項(xiàng)深化設(shè)計(jì)工作。利用BIM深化成果進(jìn)行施工與設(shè)計(jì)單位的溝通及現(xiàn)場配合,有效提升了設(shè)計(jì)成果的完成度和精細(xì)度。豐臺樞紐復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)深化模型見圖19,幕墻及金屬屋面深化設(shè)計(jì)模型見20。
圖19 豐臺樞紐復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)深化模型
圖20 豐臺樞紐幕墻及金屬屋面深化設(shè)計(jì)模型
豐臺綜合交通樞紐項(xiàng)目通過BIM正向輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用,切實(shí)提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率,通過對項(xiàng)目BIM組織模式、應(yīng)用流程、建模標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用點(diǎn)選取等方面的總結(jié)分析,可以為綜合交通樞紐項(xiàng)目的BIM應(yīng)用提供參考和借鑒。由于目前BIM技術(shù)在綜合交通樞紐中的應(yīng)用還處于探索階段,無法實(shí)現(xiàn)全面的正向設(shè)計(jì),但是在技術(shù)發(fā)展過渡階段,這種正向輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用模式有很積極的意義。
為了更好地實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用,還應(yīng)該建立健全BIM管理審查流程、建立BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建立標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫、完善BIM設(shè)計(jì)環(huán)境、加強(qiáng)BIM技術(shù)培訓(xùn)等工作,進(jìn)一步規(guī)范BIM技術(shù)的應(yīng)用,通過不斷的研發(fā),解決阻礙BIM正向設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵難題,不斷提高正向設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)程度。