基于 BIM 技術(shù)在管線預制與施工中的應用探討

田 華

（廣州新科佳都科技有限公司，廣東 廣州 510655）

0 引言

城市軌道交通機電安裝工程一般配備有變壓器室、高低壓室、環(huán)控機房、消防泵房、廢水泵房、環(huán)控電控室、照明配電室等設備房間，各類管線安裝以相應的設備機房為起點經(jīng)過車站公共區(qū)及設備區(qū)走廊貫通至對應設備末端。因地下空間狹窄、多專業(yè)交叉布局等因素，造成管線走向緊湊且交叉渡線，導致標準件的匹配適用難、管線的交叉重疊多、現(xiàn)場的二次加工多、返工現(xiàn)象等時有發(fā)生［1］。城市軌道交通地下車站風水電核心設備房間的進線與出線較多，雖已采取立體空間、異形管件、有效避讓等措施，但在實際下單采購、施工交底及管線安裝過程中，因各專業(yè)管線頻繁避讓所需的管線異形件及附件較多，同時因異形件及管道附件需實測實量后再排產(chǎn)，存在實地測量誤差、供貨周期較長、工序延誤及分段施工等現(xiàn)象。為有效地規(guī)避以上現(xiàn)象，無錫地鐵在機電施工及裝配式施工過程中，積極地引入 BIM 技術(shù)參與管線碰撞、異形件分析、機電安裝三維展示并進行階段性總結(jié)，設計出基于 BIM 系統(tǒng)的機電管線裝配式智能施工技術(shù)，該技術(shù)具有施工精度高、工序轉(zhuǎn)換合理、管線交叉科學合理、節(jié)省材料、銜接有序、施工安全、節(jié)約造價等特點，提高了裝配式管線的一次成型率、綜合利用率、生產(chǎn)周期率，對機電安裝裝配式施工等類似工程具有很高的參考價值。

1 機電管線施工現(xiàn)狀

城市軌道交通機電工程具有空間狹小、交叉施工多以及對專業(yè)技術(shù)要求高等特性，同時因設計提資不到位、設計套圖不全面、深化設計不徹底、施工誤差等因素的疊加，造成車站建筑結(jié)構(gòu)與機電管線設計藍圖不符、車站公共區(qū)風口被其他專業(yè)管線遮擋、車站環(huán)控機房設備檢修空間不足［2］、車站綜合支吊架間距設置不合理、車站機房管線安裝錯位等問題。自無錫地鐵三號線開始引進 BIM 技術(shù)指導深化設計和現(xiàn)場施工后，科學有效地協(xié)調(diào)解決機電設備管線內(nèi)部以及與其他專業(yè)管線碰撞的施工矛盾，為施工組織設計的優(yōu)化和各專業(yè)施工工藝的穩(wěn)步提升提供有利保障。通過多個案例應用和項目實踐中發(fā)現(xiàn)，BIM 技術(shù)的合理應用和模塊化施工的引入，通過數(shù)字信息和仿真模型，可以使城市軌道交通機電系統(tǒng)管線施工能夠有條不紊地開展，可以獲取施工過程中涉及的各項數(shù)據(jù)信息，由此可以合理利用施工空間，避免各個專業(yè)因溝通不及時而造成結(jié)構(gòu)及管線碰撞等問題［3］。我們發(fā)現(xiàn)由于初期經(jīng)驗不足及各專業(yè)現(xiàn)場施工配合不到位等，BIM 技術(shù)在實際應用中仍然存在不少返工或合規(guī)性較差等問題，為了能夠及時有效規(guī)避此類問題發(fā)生、及時進行現(xiàn)場糾偏，現(xiàn)對已發(fā)現(xiàn)的典型問題進行梳理和研究，提出相應的解決方案和建議，為后續(xù)設計施工與 BIM 技術(shù)的綜合運用提出合理化建議及相關(guān)展望，為行業(yè)發(fā)展提出可行性意見。

2 BIM 技術(shù)應用特點

基于地下車站現(xiàn)場測設尺寸進行 BIM 系統(tǒng)的建模，充分考慮現(xiàn)澆混凝土實體構(gòu)件尺寸、墻體砌筑尺寸以及轉(zhuǎn)角弧度等，按實際尺寸分析結(jié)構(gòu)凈高、設備房開間與進深尺寸，依據(jù)BIM模型中管線異形件及管線附件的實際尺寸進行工廠化預制，既提高了綜合管線的施工精度，又壓縮了交叉施工時的管線拼裝時間?；?BIM 機電管線裝配式智慧施工技術(shù)，有效解決了風管與二次砌體施工順序的制約問題，有效解決了因風管吊裝不到位制約下層強弱電橋架的施工，有效緩解了因強弱電橋架未貫通制約水管安裝等問題。同時，預制化加工管線時根據(jù) BIM 系統(tǒng)智慧化測設進行系統(tǒng)化編號，按照主干段與分支段、緊前段與緊后段進行管線區(qū)分編號，施工時按照不同系統(tǒng)、不同區(qū)域緊前與緊后工作進行科學施工。

測試施工過程中，一是優(yōu)先進行異形件連接區(qū)域的施工，二是通過與風閥連接的風管短節(jié)或標準段來控制預制管線的安裝誤差，三是在高差變化處通過支吊架二次測量控制安裝誤差。管線裝配式智慧化施工，解決了傳統(tǒng)施工中優(yōu)先進行標準管段施工造成的異形件安裝難、施工誤差大等現(xiàn)狀，能提高管線裝配施工的一次成型率和利用率。優(yōu)先進行異形件的施工，才能有效地降低管線沖突、尺寸不合適等異?，F(xiàn)象。以環(huán)控專業(yè)大系統(tǒng)碳鋼風管為例，其尺寸最大可達 2 000 mm×2 000 mm×1 240 mm，重量約 25.34 kg，此風管四通延伸的邊緣至少需要 1 名工人進行安裝操作，因此對工人的作業(yè)空間具有一定的約束要求。

3 BIM 技術(shù)應用機理

應用 BIM 技術(shù)輔助機電管線裝配式智慧施工時，采用 BIM 技術(shù)抓取大型管道和設備管路進行優(yōu)化設計與處理，主要以機電安裝工程中風管、橋架、水管為優(yōu)化對象，選取交叉施工時影響其他專業(yè)的大型風管為研究對象，統(tǒng)籌處理公共區(qū)、設備區(qū)緊前與緊后工序的邏輯先后問題，科學組織機電安裝工序的合理轉(zhuǎn)換、機電設備管線的合理避讓、合理利用建筑結(jié)構(gòu)尺寸進行管線敷設等。

城市軌道交通車站內(nèi)通風空調(diào)專業(yè)分為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、室內(nèi)多聯(lián)機、空調(diào)水系統(tǒng)等。本節(jié)主要以通風空調(diào)各專業(yè)系統(tǒng)為研究對象，公共區(qū)、設備區(qū)走廊、設備房間為拆分區(qū)域，將風管系統(tǒng)按照 3 個區(qū)域進行拆分并編號，如圖 1、2 所示［4］。以相鄰兩跨支吊架為單元，合理優(yōu)化橋架、管線及水管走向，現(xiàn)場實例如圖 3、4 所示。

圖1 管線裝配式施工分段示意圖

圖2 風管裝配式施工 BIM 示意圖

圖3 管線裝配式施工實例

圖4 風管裝配式施工實例

4 施工工藝操作流程

4.1 現(xiàn)場實地勘測

建筑結(jié)構(gòu)及砌筑裝修施工完成后依次對公共區(qū)、設備機房、設備走廊的凈高與結(jié)構(gòu)尺寸進行實體測量，其中二次砌筑裝修專業(yè)測量放線完成后應再次通過墻線對房間開間、進深尺寸進行復測，以探清結(jié)構(gòu)及墻體對管線綜合的影響［5］。如采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)對送風道、排風道及活塞風道進行分隔時，應核對混凝土墻、夾層板土建預留孔洞的尺寸、位置與施工圖紙的偏差，確保防火閥實際安裝位置距離結(jié)構(gòu)板或墻體≤ 200 mm。

現(xiàn)場核對夾層板的層高、孔洞預留的尺寸及位置、下翻梁在機房內(nèi)的定位、風道內(nèi)設備基礎(chǔ)尺寸與機電專業(yè)圖紙是否有出入，將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)反饋到建筑結(jié)構(gòu) BIM 系統(tǒng)模型中，同時統(tǒng)籌規(guī)劃風機與消聲器的定位對后期管線路由與高差變化的影響。

4.2 管線預制化加工

通風空調(diào)、給排水、動力照明、FAS、BAS、AFC、TX、SIG 等專業(yè)建模前，需依據(jù)系統(tǒng)功能和設計圖完善疏漏的零部件、管線細節(jié)等，同時管線末端及系統(tǒng)設備應依據(jù)實際尺寸進行 BIM 放樣與模擬連接［6，7］，如圖 5、6 所示。管線附件按照實際尺寸進行建模，同時調(diào)整 BIM 軟件自帶連接方式，確保系統(tǒng)建模與施工現(xiàn)場一致，保證管線間距、尺寸、連接方式與進場設備一致，充分考慮空調(diào)機組風管送、回兩系統(tǒng)與靜壓箱的連接方式，提高后期預制化裝配率。BIM 建模中的設備與系統(tǒng)組合時，應使管線與設備連接形式簡潔、美觀，支架安裝與組合高效、合理。

圖5 管線裝配 BIM建模效果圖

圖6 冷水機組裝配施工實例

利用 BIM 建模進行精細化測算與部署，盡量降低設備與管線的連接偏差，在工廠預制加工時需重點關(guān)注風管的異形件、彎頭等連接件。綜合支吊架實際橫擔尺寸與連接件立桿應搭配清晰合理，同時根據(jù)空間尺寸和立體架構(gòu)對管線間距進行適當調(diào)整，確保 BIM 模型精度滿足施工要求，確保各類管道閥門操作方向與高度保持一致，儀器儀表整齊成線或成面，各類機組、水泵檢修空間≥ 700 mm，消防泵房模型示意與施工實例如圖 7、8 所示。

圖7 消防泵房 BIM建模效果圖

風管外包防火板需考慮支架承載力要求。通風空調(diào)專業(yè)中風管截面任一邊長≥1.25 m 時，支架間距需≤1.4 m（間距超過 1.4 m 的支架需核算承載力）；風管截面任一邊長＜1.25 m 時，支架間距需≤2 m（間距超過 2 m 的支架需核算承載力）。

圖8 消防泵房施工實例

5 綜合支吊架安裝工藝

測量放線時充分考慮設備房間墻體砌筑尺寸，通過與管線垂直相交的墻體位置線確定風閥位置，并據(jù)此反推支吊架整體施工區(qū)域和優(yōu)先施工支吊架底座的區(qū)域。施工作業(yè)時采用先風管后墻體施工時，垂直墻面的管線與路由如遇到不同高差時應優(yōu)先施工較大截面的管線。為控制預留段兩側(cè)綜合支吊架同層管線高程差，可通過支吊架立桿進行二次測量與控制線調(diào)整，同時在支吊架立桿上畫控制線與定位線。

環(huán)控機房是管線密集的集中區(qū)域，易存在支吊架沖突、管線沖突、支吊架與吊裝葫蘆沖突等情況，施工作業(yè)時應優(yōu)先大跨度區(qū)域，管線施工時優(yōu)先大風管、緊后小風管、然后橋架、緊后水管。通風空調(diào)專業(yè)風管受混凝土與墻體砌體工程的制約較大，應將設備區(qū)走廊作為施工管理的關(guān)鍵路線，設備區(qū)垂直管線的墻體作為次要路線，統(tǒng)籌進行施工作業(yè)工序安排與部署。完成綜合支吊架安裝后，通過水平儀控制兩側(cè)支架橫擔及墻體預埋套管的高程差，使施工誤差控制在安裝允許范圍內(nèi)，同時在支架立桿上進行標高控制點的標識。管線密集區(qū)域優(yōu)先施工最上層管線，采用先附件與異形件、后平直與標準段工序，在距離異形件 1 200 mm 內(nèi)的標準風管、2 000 mm 內(nèi)標準橋架需保留平直段，用以調(diào)整生產(chǎn)制造與施工作業(yè)中的誤差。

設備機房內(nèi)風機設備定位應優(yōu)于異形件與管道附件施工，通過實測風機高程對各系統(tǒng)管線進行走向排列。橋架預制加工與通風專業(yè)略有不同，橋架與橋架的拼縫應避開下引漏斗，以免出現(xiàn)不均勻高低差拼縫現(xiàn)象。上層風管裝配式施工完畢后，下層橋架的水管根據(jù)風管預留段、調(diào)整段進行深化設計與調(diào)整，使水管、配電管線與風管裝配施工一致，達到排列有序、整體美觀的效果，如圖 9、10 所示。

圖9 BIM 管線綜合模型

圖10 裝配式管線預制施工效果圖

6 施工管理措施

預制管線裝配式施工時應與施工計劃橫道圖相結(jié)合，協(xié)調(diào)各專業(yè)施工工序，及時調(diào)整各專業(yè)間制約因素。管線裝配施工時充分利用 BIM 模型的立體性、直觀性和協(xié)調(diào)性，厘清各專業(yè)錯綜復雜的相互關(guān)系，利于工程建設動態(tài)的進度控制。管線裝配式施工通過 BIM 模型實現(xiàn)施工現(xiàn)場與管線模型的綜合聯(lián)動，可體現(xiàn)機電安裝工程中影響工期的關(guān)鍵工作和關(guān)鍵路線，利于抓住主要矛盾，可有效反映出工作路徑具有的機動時間，以便進行更為合理的組織保障與管理指揮。

墻體砌筑與粉刷完成后，將風閥與標準管段連接，管段吊裝放置后進行局部調(diào)整性施工，調(diào)整節(jié)尺寸按照 BIM 模型進行生產(chǎn)，管線裝配施工效果如圖 11 所示。BIM 技術(shù)與施工現(xiàn)場的有效融合，可將拆分的管線模塊化，同時預留標準段與調(diào)整節(jié)以滿足現(xiàn)場施工的臨時調(diào)整，確保上下層的梯形排列。同時橋架異形件、三通、四通在 BIM 模型中應單獨生成族文件，將線槽調(diào)整節(jié)設置在直線段，保證異形件處因電纜堆積造成的橋架高低差錯位。

圖11 設備機房裝配施工成品效果圖

7 本技術(shù)的創(chuàng)新性

BIM 技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場勘察與測量，既保證了圖紙的準確性、合理性、優(yōu)化性，又能及時發(fā)現(xiàn)圖紙中的管線碰撞、交叉、錯位等問題，實現(xiàn)綜合管線整體的合理性、包容性、美觀性。采用常規(guī)性的綜合管線施工方法，因無法有效地完成異性件、附件的準確放樣，宜造成施工現(xiàn)場的誤差和錯位等。

施工現(xiàn)場引入 BI M 模型的應用，積極采用族文件細化連接方式，實現(xiàn)異形件的尺寸穩(wěn)定與準確放樣，確保預制件加工的準確性。BIM 模型中高低差 1 000 mm 的橋架默認生成的是 90°垂直連接件，如采用自建族文件設置連接方式，把 90°連接件換成 45°～60°緩坡進行放樣，就能有效保障預制件尺寸形狀與現(xiàn)場施工的一致性。傳統(tǒng)工藝的異形連接件生產(chǎn)周期為 15～20 d，引入 BIM 模型后可將生產(chǎn)周期縮短至 5 d。

BIM 模型中應對預制管線進行分段編碼、分機房編碼，能有效區(qū)分管線位置與用途，能有效區(qū)分材料領(lǐng)用與使用部署，能有效統(tǒng)計施工現(xiàn)場的材料使用狀況和作業(yè)進展。利用 BIM 模型進行機電管線的工廠化預制，不僅加快了機電管線的生產(chǎn)制造進度，又能減少施工現(xiàn)場的二次加工與切割量，更是利于施工現(xiàn)場的安全文明管理。

8 經(jīng)濟效益

基于 BIM 模型的機電管線裝配式智能施工技術(shù)具有精度施工、工序科學、材料節(jié)省、施工安全、節(jié)約造價的特點［8］?，F(xiàn)以無錫地鐵三號線五湖大道站為例，具體分析本工法在節(jié)約造價方面的經(jīng)濟效益情況。無錫地鐵四號線五湖大道站為地下 2 層島式車站，車站外包總長 184 m，標準段寬度為 19.7 m，車站有效站臺中心里程處基坑深度為 15.79 m，覆土 3 m。原管綜設計方案為正常工序施工，新方案采用 BIM 模型科學調(diào)整管綜施工工序，優(yōu)先施工管道異形件與附件，達到動態(tài)施工、智慧施工的效果?，F(xiàn)將原方案與新方案的主要材料設備單價和數(shù)量情況進行對比，該數(shù)據(jù)來源于本工程的投標報價及變更工程的審定單價［9］，如表 1 所示。

表1 主要材料設備造價對比表

從表 1 對比分析可以看出，應用 BIM 模型進行管線綜合裝配式方案相比于常規(guī)管線綜合施工方案節(jié)約材料成本造價 455 131.9 元。若考慮到施工機械投入減少、人工作業(yè)效率提升、施工安全性能提升等方面，經(jīng)濟效益將更加顯著。

9 結(jié)語

基于 BIM 機電管線裝配式智能施工技術(shù)，具有施工精度高、工序轉(zhuǎn)換科學、合理節(jié)省材料、施工安全可靠、成本節(jié)約明顯等特點，提高了裝配式管線的一次成型率和材料的損耗率，減少管線碰撞和后期拆改工作，且減少現(xiàn)場加工更具有節(jié)能環(huán)保特性。積極地引入 BIM 技術(shù)參與管線碰撞、異形件分析、機電安裝三維展示，提高了裝配式管線的一次成型率、綜合利用率、生產(chǎn)周期率，對機電安裝裝配式施工等類似工程具有很高的參考價值。

基于 BIM 模型的機電管線裝配式智慧施工技術(shù)，更是得到了當?shù)厥匈|(zhì)檢站、建設單位、監(jiān)理單位及設計單位的一致認可，在項目實施過程中不僅縮短了整體工期，更是提升了施工安全性，更為運營單位的檢修與維護創(chuàng)造了便捷的條件。Q