BIM技術(shù)在城市地下綜合管廊機電施工中的應(yīng)用

張 政

（中交一公局電氣化工程有限公司，北京 100024）

0 引言

綜合管廊是城市運營的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是“生命線”。由于綜合管廊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開挖施工環(huán)境不確定，因此施工組織協(xié)調(diào)難度大，施工費用控制難度高。BIM技術(shù)由于其集成性、可視化、模擬性等優(yōu)點[1]，已經(jīng)在建筑設(shè)計、建造及管理等方面得到了初步應(yīng)用[2]。因此，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，對綜合管廊工程施工進行分析，并將其用于實際工程中，對其進行檢驗，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 案例背景及概況

本文選擇南京市一段城市地下綜合管廊作為實例，它位于南京市橫江大道旁。該項目采用的是一條平行于公路隧道的復(fù)合管廊，其施工安全級別為1，結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命為100年，施工周期18個月，運行25年。綜合管廊工程（一期）標準斷面圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊工程（一期）標準斷面圖

2 機電管線工程模塊化設(shè)計及應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)建模

在工程實踐中，工程的結(jié)構(gòu)建模是構(gòu)建機電管線工程綜合BIM的重要依據(jù)，同時也可以確保各個管件的建模精度。本案例的架構(gòu)模式的軟體以Revit架構(gòu)為主，導(dǎo)入工程的構(gòu)造圖，利用軸網(wǎng)、標高等進行構(gòu)造建模。

2.2 模塊化支架模型優(yōu)化

作為機電一體化的載體，支架的模塊化設(shè)計和優(yōu)化是關(guān)鍵[3-4]。而在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，支架的設(shè)計和使用往往是一次性的，而且沒有一個確定的尺寸標準，這就導(dǎo)致了資源的浪費。該模塊化組合支撐架由T形梁、懸臂、橫臂、U形槽鋼、聯(lián)軸器、四孔直角聯(lián)軸器組成。在T形橫梁的上端焊有兩個連接套桿，T形橫梁由連接套桿與頂棚預(yù)埋構(gòu)件相連接，連接套桿由螺母螺栓與頂棚預(yù)埋件相固定，吊桿和橫桿采用矩形截面的中空方管，在安裝管線時易于調(diào)整其大小。最優(yōu)支架的側(cè)視圖和管綜合后的軸測圖如圖2所示。

圖2 支架優(yōu)化軸測圖

本工程機電管道的設(shè)計是在廊道上進行的，因此對安全和BIM的設(shè)計也有很高的要求，在不同的管道中設(shè)置了不同的支架，既節(jié)約了空間，又節(jié)約了材料。在深入進行支架模塊化建模時，首先要在Revit軟件中構(gòu)建一個家族庫，利用家族庫的信息對家族屬性進行參數(shù)化設(shè)定，然后將參數(shù)化的支架裝入已有模塊化的機電管道中，并按照管道布局原理自動布點；在此基礎(chǔ)上，完成整個模型的碰撞檢測。

2.3 孔洞預(yù)留預(yù)埋及優(yōu)化

采用T形橫梁、懸臂、橫桿、U形槽鋼進行自動組裝，經(jīng)優(yōu)化后的機電管線整體模塊式支架按圖1所示立柱進行定位和加固；通過Revit軟件，準確地確定了機械管路和結(jié)構(gòu)模型的沖突點，并在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置了孔洞的位置，便于優(yōu)化設(shè)計及安裝各種尺寸和高度的管線。通過對預(yù)留孔的分析，在后期進行預(yù)埋，可以有效提高施工效率，減少因鉆孔位置的碰撞而導(dǎo)致的返工。在距橋架面1 000 mm處應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的孔洞?；贜avisworks的碰撞檢測理論，通過分析墻體的應(yīng)力狀態(tài)和預(yù)留孔洞及墻體內(nèi)的鋼筋等預(yù)留預(yù)埋件的沖突位置，準確地確定了孔洞的位置、大小和數(shù)量。同時，運用魯班BIM works軟件，通過對已發(fā)現(xiàn)的孔洞進行檢驗及分析，得出最后的結(jié)論。經(jīng)查證，在此案例中，有一次碰撞報告，發(fā)現(xiàn)新增了69個預(yù)留孔，保留孔11個。

2.4 機電管線模塊數(shù)字化預(yù)制加工

現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，管線類型多樣，所以，按照常規(guī)的設(shè)計思路，往往需要按照CAD設(shè)計圖設(shè)計，然后通過3D軟件進行設(shè)計，最后才能得到設(shè)計圖，從而大大降低了工程的工作效率。同時，在機電管道的安裝中，經(jīng)常采取現(xiàn)場放線、測量、切割、焊接等技術(shù)。而在大型工程中，現(xiàn)場施工很容易產(chǎn)生金屬粉塵、煙塵等大氣污染，而且還會有一定的安全隱患，這樣不僅效率低，還會出現(xiàn)誤差，已經(jīng)不能滿足工程需要。將BIM技術(shù)應(yīng)用于Revit，將BIM的可參數(shù)化特征應(yīng)用到模塊化模型中，與設(shè)計、施工階段的信息進行整合，按照實際的設(shè)計要求，將設(shè)備生產(chǎn)、切割、運輸?shù)焦さ剡M行組裝，既提高了工程的速度，又為現(xiàn)場施工提供了便利性和安全性。在對系統(tǒng)部件進行預(yù)成型前，需要仔細分解產(chǎn)品的圖紙，并將其劃分為不同的規(guī)范單元，然后按照產(chǎn)品的具體大小和工藝步驟進行裝配；使用TeklaBIM軟件，選用A325、D=19.5 mm的材料，根據(jù)菜單區(qū)域的建模，選擇斷面庫里的斷面，修改尺寸、連接方式等參數(shù)，并將其與CNC智能機床連接起來，完成下料、切割和編號的數(shù)字化過程。采用數(shù)字技術(shù)可以有效提高物料利用率，降低手工裁剪的費用，加速物料的預(yù)制生產(chǎn)。

2.5 單元模塊碰撞檢測

在BIM技術(shù)中，碰撞檢測主要包括靜態(tài)碰撞和動態(tài)碰撞，靜態(tài)碰撞檢測是靜止狀態(tài)下的碰撞檢測，而動態(tài)碰撞檢測則是對建筑施工中的運動狀態(tài)的碰撞檢測。從平面圖的設(shè)計到正向的三維建模，目前的工程應(yīng)用主要是從CAD到3D的過渡，因此在平面設(shè)計中很難檢測出管道的碰撞，故一般采用BIM技術(shù)；管道模型的集成是由Navisworks完成的，并且使用ClashDetective函數(shù)。一般的檢測分為兩個階段，首先是機電管道的綜合碰撞檢測，然后是管道和部件的碰撞，最終得到碰撞檢驗報告，準確地發(fā)現(xiàn)問題所在，并通過BIM軟件進行線路規(guī)避和最優(yōu)布局，使空間得到最大限度的利用。在設(shè)計階段，利用BIM技術(shù)可以提前處理工程建設(shè)中的各種問題。

3 工程應(yīng)用效果評價

3.1 優(yōu)化模型設(shè)計

以往的設(shè)計一般都是以CAD形式進行，然后將MEP系統(tǒng)上的專業(yè)設(shè)計圖交給設(shè)計師，這會讓設(shè)計師花費很多時間和精力去解決設(shè)計上的矛盾，從而造成設(shè)計錯誤。BIM技術(shù)的引進，使得設(shè)計過程具有整合性、可視化、參數(shù)化等特點；將建筑成本、進度、質(zhì)量等信息與可視化方法相結(jié)合，使施工過程中出現(xiàn)的問題可以用視覺化的方式呈現(xiàn)。在設(shè)計階段，采用正向的立體視角進行模型的碰撞檢驗，并依據(jù)碰撞報告處理圖紙中的漏、碰、錯現(xiàn)象，優(yōu)化凈空高度，確定最合理的管道布局，減少了由施工過程中的矛盾引起的設(shè)計變更；同時，對該項目的可行性進行了論證，對該項目建設(shè)質(zhì)量的提高起到了一定的促進作用。

在此案例中，BIM技術(shù)的應(yīng)用包括以下兩個部分：一是基于結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建了機電管道工程設(shè)計與施工的集成模型，并通過碰撞檢測、協(xié)同深化設(shè)計，最終將其集成為一個標準化的單元，從而方便了以后系統(tǒng)模塊的數(shù)字化加工和組裝；二是基于模塊化模型進行建筑動態(tài)仿真，并結(jié)合工業(yè)化管理，將模塊化模型中的數(shù)據(jù)和信息進行系統(tǒng)整合，實現(xiàn)各專業(yè)間的交流。對建筑物進行碰撞探測與最優(yōu)設(shè)計，能有效化解建筑布局矛盾，并利用可視化仿真技術(shù)，使參與方在設(shè)計過程中能夠更好地感知到建筑環(huán)境，能更直觀地理解設(shè)計意圖，節(jié)省時間、材料等成本，提高工作效率。本項目通過BIM技術(shù)減少了材料損耗15%左右，人工成本降低了30%左右。

3.2 施工技術(shù)指導(dǎo)

在傳統(tǒng)的技術(shù)指導(dǎo)下，往往是由專家按照圖紙進行堆疊，找出問題所在，而在平面上遇到的問題則很難用平面圖來處理。比如，在一些建筑條件較差、線路較多、場地較小的情況下，對場地的布局也有很高的要求。BIM工程師可以認真審核已有的集成模式，并與相關(guān)專家及時交流，從而大大提升技術(shù)交流的效率。同時，還可以利用三維動畫與施工組織相結(jié)合的方式，模擬出真實的施工環(huán)境和項目進度，運用BIM技術(shù)進行場地布置的最優(yōu)設(shè)計，并在施工中模擬各種工藝，使得整個工程的施工過程更為直接和精確；可有效防止因空間、質(zhì)量、安全等原因造成的返工。

在此案例中，建筑企業(yè)通過建立機電管道設(shè)計與施工一體化模型，為各施工班組提供了更加直觀的技術(shù)交底，如機電管道工程的機電管道、支架等模塊化；基于多專業(yè)裝備模塊化設(shè)計、組合預(yù)拼、工業(yè)化組裝施工等技術(shù)，提出了一種可組合組裝的一體化支架組合安裝方案。應(yīng)用BIM模擬技術(shù)，確定了優(yōu)化設(shè)計方案，有效解決了復(fù)雜作業(yè)環(huán)境導(dǎo)致的問題，加快了項目建設(shè)速度。

3.3 實現(xiàn)總控管理

本項目涉及的機電設(shè)備的施工，管道較多、施工困難、施工周期較短，技術(shù)和質(zhì)量都有嚴格的規(guī)定，在工程組織與設(shè)計上，采取了“流水式”的方法，工作量較大。而BIM技術(shù)具有綜合性強、內(nèi)部設(shè)施完善、自動化程度高等特點，且利用Revit軟件可以在BIM中推導(dǎo)出機電、暖通、給排水等施工工藝和施工數(shù)量，實現(xiàn)材料和機械資源的合理分配。在工程進度管理方面，采用建筑仿真和可視化交底，并與4D仿真相結(jié)合，減少了工程工期延誤的情況；以工程進度為基礎(chǔ)，對工程進度進行動態(tài)控制，實現(xiàn)了工程進度的最優(yōu)化，最終，工程工期由原先的952天減少至877天。在品質(zhì)管理方面，減少了對工程質(zhì)量的不全面分析；在安全管理方面，可以有效地預(yù)報機電管線工程施工中的潛在風險。

4 結(jié)語

本文著重闡述了在機電管道工程中應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)模組施工的可行性，并通過設(shè)計階段模型的優(yōu)化、施工階段技術(shù)的引導(dǎo)，確定出適用于預(yù)制管道、橋梁等的組裝方式，通過預(yù)制加工、現(xiàn)場組裝等模塊化方式實現(xiàn)成本、質(zhì)量、進度、安全和其他方面的總控制。本文所述項目應(yīng)用BIM技術(shù)，以信息整合為核心，在各階段強化多個學(xué)科之間的協(xié)作，對同類項目具有一定的參考意義。