基于BIM技術(shù)的地鐵風(fēng)水電安裝碰撞檢測(cè)

胡松巖

(北京信遠(yuǎn)筑仁科技發(fā)展有限公司，北京 100101)

在地鐵車站安裝工程中，管線綜合施工是涉及專業(yè)最廣、信息量最繁雜、最體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和工程質(zhì)量水平的專項(xiàng)內(nèi)容。管道綜合施工包括一般民用建筑的通風(fēng)、空調(diào)、消防、工程用電、給排水，以及通信、信息、綜合監(jiān)控、防盜門和電扶梯等系統(tǒng)領(lǐng)域。因此，許多專用系統(tǒng)和管道安裝在車站吊頂以內(nèi)不足2m。作業(yè)環(huán)境狹小、安裝復(fù)雜程度高，導(dǎo)致各類管線碰撞沖突、返工程工比比皆是。將BIM技術(shù)應(yīng)用于地鐵鋪設(shè)和工程管線的綜合施工，可見有效地減少了上述問題。

1 BIM與地鐵工程

1.1 BIM簡(jiǎn)介

20世紀(jì)90年代，隨著國(guó)內(nèi)外建筑信息模型技術(shù)的研究與發(fā)展日趨全面，并應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)的軟件開發(fā)。通過與Grass Eye和Bentley等企業(yè)聯(lián)合應(yīng)用建筑信息現(xiàn)代技術(shù)，Autodesk公司在2002年提出了建筑信息系統(tǒng)模型(BIM)的概念。架構(gòu)信息模塊的名稱也立即被建筑學(xué)術(shù)界以及其他軟件開發(fā)者所接受。現(xiàn)在BIM技術(shù)已經(jīng)成為了建筑軟件開發(fā)應(yīng)用的首選技術(shù)。

工程信息系統(tǒng)模型是工程電子模型的行為基礎(chǔ)。主要任務(wù)是可視化、工程數(shù)據(jù)分析、競(jìng)爭(zhēng)預(yù)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)分析、目標(biāo)預(yù)算、完工、預(yù)算和其他用途。換句話說，BIM系統(tǒng)是指在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)以及項(xiàng)目管理過程中一對(duì)一的內(nèi)部協(xié)調(diào)和可測(cè)量的信息系統(tǒng)。

1.2 地鐵工程應(yīng)用BIM的效益顯著

近年來，我國(guó)城市積極發(fā)展軌道交通，城市地鐵的建設(shè)和發(fā)展也迅速推進(jìn)。城市軌道交通項(xiàng)目投資大、部門多、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、項(xiàng)目多、建設(shè)面積窄、技術(shù)復(fù)雜和后處理改造問題突出。消防、供電、通信、信息和綜合控制系統(tǒng)一般布置在非常有限的空間內(nèi)，應(yīng)嚴(yán)格按照主建筑與建筑的關(guān)系進(jìn)行布置。設(shè)計(jì)和施工過程中的小疏忽會(huì)導(dǎo)致建筑物重建的困難和浪費(fèi)，延誤施工時(shí)間，產(chǎn)生重大影響[1-3]。

2 碰撞檢測(cè)

BIM技術(shù)在地鐵施工的各個(gè)階段都有很多運(yùn)用。該文重點(diǎn)研究了BIM技術(shù)在碰撞檢測(cè)中的運(yùn)用。

2.1 碰撞的產(chǎn)生

在空間中，兩個(gè)密閉圖形對(duì)象都不能同時(shí)具有一個(gè)空間區(qū)域。一旦出現(xiàn)這些狀況，就會(huì)引起交叉與碰撞。在建筑實(shí)際中，各個(gè)地方的管線之間或管路和結(jié)構(gòu)梁柱之間往往出現(xiàn)碰撞，如圖1所示。

地鐵項(xiàng)目的規(guī)模和自動(dòng)化程度在不斷提高，輔助能力也在不斷增強(qiáng)。增加管線和改善建筑空間需求之間存在碰撞。此外，在實(shí)際工程中，大部分管道圖紙沒有達(dá)到完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求的深度，存在很多錯(cuò)誤和失誤。因此，在實(shí)際施工前，需要核對(duì)施工圖紙，解決各種碰撞問題。

圖1 供電管溝與綜合管溝、給水管發(fā)生碰撞

2.2 碰撞的類別

撞擊的形式通常包括3種:硬性撞擊、軟性沖撞和間隙撞擊。

硬碰撞指向空間中兩個(gè)實(shí)體的交點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中,如果不同專業(yè)之間沒有統(tǒng)一的高程控制,那么建筑構(gòu)件和管道之間或不同管道之間會(huì)發(fā)生硬碰撞。

軟碰撞是空間中兩個(gè)對(duì)象的相交，即碰撞。物體之間的碰撞是通過碰撞檢測(cè)和控制來實(shí)現(xiàn)的，而碰撞檢測(cè)和控制基本上是使用的。

間隙碰撞被視為間隙碰撞，是因?yàn)閮蓚€(gè)實(shí)體在空間中沒有交點(diǎn)，但它們之間的距離小于指定的距離。

2.3 碰撞檢測(cè)的傳統(tǒng)做法

傳統(tǒng)的方法其實(shí)是手工制作的方法。該文介紹了傳統(tǒng)的碰撞檢測(cè)方法，包括調(diào)整管線。

調(diào)整管線的傳統(tǒng)方法是將不同區(qū)域的圖形模型復(fù)制到各種透明圖形中，將它們堆疊在一起，并將燈光相互比較，以確保它們重疊或碰撞。參與這樣的工作非常耗時(shí)，需要很多特殊的協(xié)助。最終繪制各種區(qū)域時(shí)，平面圖中顯示的比例、位置和高度會(huì)匹配。

由于項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜性以及員工的能力，管線調(diào)整的結(jié)果很容易受到影響。這可能導(dǎo)致返工、成本更高和施工時(shí)間更長(zhǎng)。因此，傳統(tǒng)的方法有很多缺點(diǎn)。

2.4 碰撞檢測(cè)技術(shù)概述

碰撞可以分為靜態(tài)碰撞和動(dòng)態(tài)碰撞。不同領(lǐng)域管道或管道的碰撞、框架、梁和柱的碰撞是靜態(tài)碰撞的一部分，而建筑物塔式起重機(jī)的碰撞則是動(dòng)態(tài)碰撞的一部分。

碰撞檢測(cè)方法的基本要點(diǎn)是確定兩個(gè)或多個(gè)圖形實(shí)體是否可以碰撞或穿透。換句話說，如果使用碰撞來評(píng)估兩個(gè)幾何模型是否可以相交，則必須評(píng)估碰撞位置。隨著三維技術(shù)的飛速發(fā)展，碰撞檢測(cè)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要組成部分。現(xiàn)代碰撞技術(shù)涉及三維空間和幾何模型描述、分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法等?；旧?，定義兩個(gè)對(duì)象的相對(duì)距離或嵌套和交叉點(diǎn)。

目前，存在基于位置數(shù)據(jù)區(qū)域的時(shí)間網(wǎng)絡(luò)和基于碰撞檢測(cè)算法的碰撞檢測(cè)算法。使用三種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：靜態(tài)碰撞檢測(cè)方法、獨(dú)立碰撞檢測(cè)方法和連續(xù)碰撞檢測(cè)算法。靜態(tài)干擾是其中之一，這類問題在計(jì)算幾何中也得到了廣泛的研究。因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算可以得到相當(dāng)高的精度。因此，基于位置數(shù)據(jù)區(qū)域的碰撞檢測(cè)計(jì)算還可以包括基于物體光的碰撞檢測(cè)計(jì)算和基于圖像模式的碰撞檢測(cè)計(jì)算。動(dòng)態(tài)碰撞的最終選擇是一種基于圖像模式的碰撞檢測(cè)方法。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是近年來隨著成像設(shè)備計(jì)算速度越來越快，可以更合理地利用圖形硬件加速技術(shù)降低處理器的計(jì)算壓力[4-6]。

2.5 應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)

Revit軟件和NavisWorks軟件介紹了如何使用BIM技術(shù)檢測(cè)車輛碰撞。這兩款軟件由Autodesk集團(tuán)公司使用BIM技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了良好的兼容性。通用BIM模塊直接使用Revit軟件系統(tǒng)構(gòu)建。在實(shí)際項(xiàng)目中，一些專業(yè)技術(shù)人員可能會(huì)使用Revit軟件系統(tǒng)創(chuàng)建自己的BIM子模塊。然后將具體的子模型(如建筑子模型、建筑子模型、通風(fēng)子模型和污水子模型)整合為一個(gè)整體。最后，使用Navis Works軟件檢測(cè)沖突。同時(shí)，NavisWorks還可以使用數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展對(duì)基于Revit的建模數(shù)據(jù)的讀寫，為模型提供各種建模和分析功能。NavisWorks應(yīng)用程序的沖突檢測(cè)命令可用于標(biāo)識(shí)項(xiàng)目中的不同沖突問題。

BIM模型是計(jì)算機(jī)、管線、設(shè)備和組件的物理建筑的虛擬模型，可以包含完整的信息。三維管線系統(tǒng)的BIM模塊在管線施工后能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的空間尺度要求，便于業(yè)主解決問題。

3 應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)

3.1 工程概況

廣州地鐵9號(hào)線赤山車輛段二期工程位于廣州市軌道交通9號(hào)線起點(diǎn)飛兒嶺站西北側(cè)。地塊寬約850 m，寬約266 m。每個(gè)項(xiàng)目的建筑面積為7.29萬m2。該項(xiàng)目包括土木工程、電機(jī)安裝、鐵路和電氣工程四大領(lǐng)域。

3.2 建筑構(gòu)件與管線碰撞的檢測(cè)

3.2.1 碰撞實(shí)例一

在建筑物的原始設(shè)計(jì)中，新建的空調(diào)風(fēng)管穿過結(jié)構(gòu)梁的中心，風(fēng)管與結(jié)構(gòu)之間的碰撞變得強(qiáng)烈，如圖2所示。

圖2 原設(shè)計(jì)中空調(diào)新風(fēng)管與結(jié)構(gòu)粱出現(xiàn)了相交碰撞的情況

根據(jù)上述碰撞問題，采用了改進(jìn)設(shè)計(jì)來調(diào)整空調(diào)新風(fēng)道在結(jié)構(gòu)梁下的位移，以減少?zèng)_擊，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化后如圖3所示。

圖3 把空調(diào)新風(fēng)管的高度降到結(jié)構(gòu)梁底下，避免了碰撞問題

3.2.2 碰撞實(shí)例二

車間在原設(shè)計(jì)中，由于電纜橋架與雨水管、構(gòu)造柱之間產(chǎn)生的碰撞，大型橋梁進(jìn)入了構(gòu)造柱、雨水管之間，如圖4所示。

圖4 為原設(shè)計(jì)中，電纜橋架與雨水管、構(gòu)造柱的產(chǎn)生情況碰撞

解決此問題，需要立即修改設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化。將電纜室轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)距離后，避免使用雨水管和結(jié)構(gòu)柱。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，如圖5所示。

圖5 修改設(shè)計(jì)使電纜橋架避開了與雨水管、結(jié)構(gòu)柱的碰撞

3.3 優(yōu)化屋面構(gòu)件的間隙碰撞問題

倉庫屋頂瓦設(shè)計(jì)為2層澆鑄混凝土瓦，如圖6所示。BIM模型的模擬顯示，2個(gè)面板之間的距離為300 mm，低于拆除頂板和底板所需高度，相對(duì)較窄。討論結(jié)束后，在上面板下邊緣加一層1 mm厚的壓型鋼板，作為現(xiàn)場(chǎng)上面板的下邊緣。施工結(jié)束后，程序效果良好，省略了拆除階段，效果良好[7-9]。

圖6 倉庫兩層屋面板之間的間隙碰撞

4 結(jié)語

BIM設(shè)計(jì)在很多計(jì)量領(lǐng)域的項(xiàng)目中起著非常重要的作用。由于其投資高、周期長(zhǎng)、工程范圍窄、技術(shù)要求復(fù)雜、投入工程的技術(shù)人員和專家眾多，需要采用最合理的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。BIM技術(shù)為科學(xué)規(guī)劃的實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的科技保障[10]。

碰撞檢測(cè)在地鐵建設(shè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。該文主要介紹硬碰撞檢測(cè)、軟碰撞檢測(cè)和間隙碰撞檢測(cè)在地鐵建設(shè)中的各種應(yīng)用。除碰撞檢測(cè)外，BIM模型還可有效應(yīng)用于許多施工領(lǐng)域，比如，可視化數(shù)據(jù)分析、進(jìn)度分析和施工過程仿真分析等，可大大優(yōu)化施工方法，減少施工時(shí)間，降低施工成本。經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。地鐵建設(shè)中BIM技術(shù)的應(yīng)用仍處于持續(xù)發(fā)展階段，但BIM技術(shù)為建筑公司開辟了新的指導(dǎo)性思考。