BIM 技術(shù)在地鐵車站綜合管線碰撞檢查中的應(yīng)用

竇曉民

（濰坊昌大建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261205）

BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)中是一種創(chuàng)新的建筑設(shè)計、施工和管理方法。通過BIM 技術(shù)，可在計算機(jī)中構(gòu)建虛擬建筑物，為該建筑物提供一個完整的邏輯架構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫[1]。在此數(shù)據(jù)庫中，不僅包含描述幾何形狀的視覺信息，而且還包含大量非幾何信息，例如材料的耐火等級和傳熱系數(shù)、零件成本、采購信息等。它使工程人員不再受制于如何使用傳統(tǒng)的2D 施工圖來表達(dá)3D 復(fù)雜的形狀空間，從而極大地擴(kuò)展了工程人員的建筑形式表達(dá)能力。從另一個角度看，BIM 等同于一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫記錄建筑物在不同階段的所有數(shù)據(jù)信息，包括建筑物的幾何、數(shù)量、時間等物理特性[2]。BIM 的本質(zhì)是在生活中記錄這些數(shù)據(jù)項目的周期，方便在后期的項目建設(shè)和運營管理中發(fā)揮作用。

2003 年，BIM 技術(shù)開始用于中國建筑行業(yè)實際項目，并開展了相關(guān)研究工作。到目前為止，中國有很多業(yè)主、設(shè)計和建筑企業(yè)都在不同程度上使用了BIM技術(shù)[3]。特別是在2008 年之后，BIM 的應(yīng)用程序有了一定的發(fā)展。它被用于越來越多的工程項目中，并已成為中國建筑業(yè)發(fā)展的寵兒。二維平面圖不能解決的問題都可以通過BIM 技術(shù)解決，在最初的設(shè)計階段，BIM 技術(shù)將為建設(shè)項目創(chuàng)建一個三維信息模型，這個三維信息模型在內(nèi)部協(xié)調(diào)一致，這為不同的參與者管理項目提供了便捷。BIM 作為一種建模工具，也是一種協(xié)作的工作過程。在三維建?？梢暬倪^程中，可以模擬工程項目的碰撞檢測、施工進(jìn)度和分析工程性質(zhì)。

地鐵站的建設(shè)規(guī)模較大，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計和施工階段存在許多困難和問題。在項目設(shè)計中引入BIM 技術(shù)將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時又可以解決實際問題，也將為其他類似的建筑項目提供技術(shù)參考。

1 項目特點

本文選擇了由站臺和車站大廳組成的某換乘地鐵站。地鐵站有4 個入口，其中2 個通過地下通道連接到地鐵站。該項目面積較大，地下建筑面積約25 000 m2，涉及10 多個建筑單元。由于對技術(shù)和管理水平要求較高，施工周期較短，這給施工帶來了很大的困難。具體問題總結(jié)如下：①地鐵站附近的地面上有眾多建筑物，車流量大，建筑空間較??；②地鐵站內(nèi)的管道很復(fù)雜，安裝困難；③構(gòu)件數(shù)量巨大，組織協(xié)調(diào)工作困難重重。

此外，為確保項目按計劃完成，業(yè)主強(qiáng)調(diào)在施工階段不應(yīng)進(jìn)行太多較大的設(shè)計變更。這對項目設(shè)計人員和施工人員提出了更高的要求。如何提高決策的準(zhǔn)確性和效率、減少浪費、提高管理效率等問題，已成為投資者、管理層和總承包商最關(guān)心的問題。BIM 的引入，為地鐵車站建設(shè)項目管理領(lǐng)域注入了新的活力，因此受到了業(yè)主越來越多的關(guān)注。

2 BIM 在工程項目中的應(yīng)用

2.1 遵循原則

在工程項目中運用BIM 軟件進(jìn)行建筑模型的設(shè)計時，應(yīng)遵循一定的基本準(zhǔn)則，具體如下。

三維建模平臺的一致性。建模必須遵循相同的規(guī)范，以便構(gòu)建的平臺可以調(diào)用其他用戶的模型，或者被其他用戶調(diào)用，以達(dá)到精確設(shè)計和協(xié)作的目的。

結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。其中最重要的一步就是按照總體方案的設(shè)計任務(wù)書，在整個模型中確定各個板塊的位置，并以此來確定基本結(jié)構(gòu)模型。

確立特定的安裝坐標(biāo)和組裝等。BIM 軟件的建模，不是單純地像二維繪圖一樣使用點、線、圓、弧等繪圖工具，而是采用了墻體、梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，和繪圖軟件有很大的區(qū)別。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑構(gòu)件的設(shè)計指標(biāo)是通過輸入?yún)?shù)來實現(xiàn)的。BIM 軟件能夠準(zhǔn)確反映出整個建筑的各個單元，各個單元既獨立，又相互聯(lián)系。在設(shè)計師、結(jié)構(gòu)工程師修改了某一單元的屬性后，可以實時對其進(jìn)行更新，使各單元保持獨立性、相關(guān)性。利用BIM 軟件能展示平面圖、立面圖、剖面圖、詳細(xì)圖等，快速地將有關(guān)信息反映出來。在設(shè)計參數(shù)變化時，根據(jù)不同的參數(shù)，該模型也會相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)新的需求。

元祐七年（1092）三月，蘇東坡赴任揚(yáng)州知府。蘇東坡來，米芾走。本來在揚(yáng)州做官的米芾，奉調(diào)雍丘任縣令。蘇東坡于是做東，招待朋友，順便為米芾餞行。蘇東坡雖然官做得不是很大，但人緣極好。聽說蘇東坡請客，一時名士云集，高朋滿座。大家盡興而來，乘興而飲。米芾喝得有點高。他端著酒杯走到蘇東坡面前，問：“世人都說我是個癲子，今天我要當(dāng)面問一問蘇大哥，請您來評一評，我到底是不是癲子？”（“世人皆以芾為顛，愿質(zhì)之子瞻！”）

2.2 綜合管線優(yōu)化方式

機(jī)電設(shè)備一體化管道的深化設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是通過CAD 軟件不斷地對平面圖進(jìn)行修正，最終形成多個不同的管道平面圖。目前存在的問題有：①設(shè)計圖紙經(jīng)常更換、大范圍的改動，耗時耗力，造成大量的人力資源浪費；②各類專業(yè)資料繁雜，圖紙管理不規(guī)范；③常規(guī)的優(yōu)化方法不可避免地會出現(xiàn)錯誤、漏、差、碰等問題，導(dǎo)致工程質(zhì)量差、返工嚴(yán)重；④在工程建設(shè)中，下料計劃與實際需要有較大差異，從而造成了工程造價的困難。

目前，利用Revit 建立的BIM 綜合模型，按照設(shè)計圖紙和BIM 模型的有關(guān)規(guī)范，可以對各種可視參數(shù)進(jìn)行分析。利用Navisworks 軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的碰撞檢測與優(yōu)化，采用BIM 技術(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計，可以有效地彌補(bǔ)平面圖優(yōu)化方法的缺陷，縮短工程進(jìn)度，減少返工次數(shù)，提高工程質(zhì)量和工程建設(shè)的整體管理水平。

2.3 應(yīng)用程序

BIM 技術(shù)在該項目中的應(yīng)用主要涉及2 個方面[4]：①建立基于BIM 技術(shù)的地鐵站項目詳細(xì)模型。②檢查整個項目中專業(yè)人員之間的沖突；模擬整個項目，即4D 施工模擬，分別討論BIM 的應(yīng)用。綜合管線將單個專業(yè)工程模型合并為一個統(tǒng)一模型，可以真正反映專業(yè)管道的空間分布和相互關(guān)系。

2.3.1 3D 模型的構(gòu)建

從整個建筑的生命周期來看，三維模型是一個不斷改進(jìn)和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫。在地鐵建設(shè)過程中，三維建模的擴(kuò)展界面可以對工程進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等多個方面的信息進(jìn)行連接和整合，從而構(gòu)成一個整體的控制模型。因此，3D 建模是建立一體化控制模型的基礎(chǔ)。

在BIM 技術(shù)中，工程項目的信息集成是將相關(guān)的工程數(shù)據(jù)集中到一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中，而3D 模型作為構(gòu)建集成控制模型的基礎(chǔ)，需要具備三大特性：完整性、關(guān)聯(lián)性和一致性。3D 模型構(gòu)件的表達(dá)是集成控制模型的基礎(chǔ)，而圖元是實體3D 模型的基礎(chǔ)。圖元是繪圖的基本單位，是由特殊的圖形元素和特征組合而成的。模型圖元和注解符號圖元兩部分組成三維模型：模型圖元代表建筑的實際三維幾何，分為2 類，分別是建筑圖元與臨時圖元，BIM 模型主體的圖元是建筑圖元，隨著工程進(jìn)度而改變的其他實體是臨時圖元；注解符號圖元分為2 種，一種是標(biāo)記和解釋模式的圖元，另一種是建立非實體環(huán)境的參考圖元。

根據(jù)客戶提供的2D 圖紙，通過BIM 軟件建立3D模型，包括建筑、結(jié)構(gòu)、排水、HVAC、電力等模型。整體項目模型如圖1 所示。

圖1 整體項目模型

2.3.2 碰撞檢測

碰撞檢測主要包括以下3 個方面。

第一，建筑模型中的不合理碰撞，即建筑物和結(jié)構(gòu)之間布局的不合理。例如，根據(jù)2D 結(jié)構(gòu)圖利用BIM技術(shù)畫成3D 模型之后，光束的仰角太低而無法為通道留出足夠的凈空間。

第二，架構(gòu)和管道模型之間的沖突檢測，例如排水管與梁碰撞點示意，如圖2 所示。必須調(diào)整此類碰撞，工程師通常會調(diào)整管道的位置。但是，如果建筑物或構(gòu)筑物不合理，則也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 排水管與梁碰撞點示意

第三，電力、排水、HVAC 設(shè)備之間的管道碰撞檢測，例如給水管與送風(fēng)管碰撞點示意，如圖3 所示。使用Revit 繪制Composite3D 管道屬于精細(xì)設(shè)計?？梢酝ㄟ^Revit 軟件的自動檢測功能來檢測管道模型中的碰撞，特別是在管道很多的地方。然后，具有豐富施工經(jīng)驗的工程師會從檢測的碰撞中選擇需要調(diào)整的碰撞。最后，采取報告并將其發(fā)送給項目部門以作出最終決定。管道的碰撞檢查對于滿足某些工程嚴(yán)格的高度位置要求非常重要。

圖3 給水管與送風(fēng)管碰撞點示意

2.3.3 施工模擬

施工過程和每個組件的進(jìn)度由4D 施工模擬反映。它以三維形式表示每個時間點的項目狀態(tài)[5]。在設(shè)計的早期階段，4D 施工模擬可幫助工程師發(fā)現(xiàn)在實際施工階段中遇到的各種問題。在早期處理各種問題，能為施工后的活動順利進(jìn)行打下堅實的基礎(chǔ)。施工模擬視頻可以在以后的構(gòu)建中用作實踐指導(dǎo)。根據(jù)施工模擬，項目部可以提供合理的施工方案、勞動力和資源配置等，在最大范圍內(nèi)實現(xiàn)對資源的正確使用[6]。

3 BIM 應(yīng)用程序的價值

通過碰撞檢測和管線優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙中可能存在的碰撞問題，并提出合理的解決方案。因此，它可以有效減少施工階段的設(shè)計變更或修改次數(shù)，盡量減少施工過程中可能存在的返工和浪費，進(jìn)而節(jié)約投資，縮短時間[7]；能夠讓各個專業(yè)在設(shè)計過程中更加及時、高效地銜接，并在設(shè)計時對各個專業(yè)的設(shè)計進(jìn)行同步的更新和優(yōu)化。碰撞檢驗在多學(xué)科協(xié)作設(shè)計中起到制衡和制約作用，使得多學(xué)科設(shè)計“求同存異”，并定期進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計的協(xié)調(diào)評審，以解決設(shè)計中的矛盾，使設(shè)計更加完善和精確。

在此地鐵站工程中，應(yīng)用BIM 技術(shù)來構(gòu)建整個專業(yè)模型。將構(gòu)建好的BIM 模型導(dǎo)入Navisworks 后，檢測到部分問題，如表1 所示。

表1 碰撞的類型和數(shù)量

上面提到的大多數(shù)檢測到的碰撞在施工過程中無法調(diào)整。BIM 工程師根據(jù)這些錯誤的特征來調(diào)整，并結(jié)合特定的構(gòu)造技術(shù)優(yōu)化模型。這為實際施工提供了準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，并提升了項目的實施可行性[8]。通過碰撞檢查，可以發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計圖紙中需要修改的問題，減少施工過程中進(jìn)行大量更改的可能性，避免大量返工，并確保項目質(zhì)量。

通過4D 施工模擬，根據(jù)施工進(jìn)度表模擬了施工過程。土木工程行業(yè)、安裝工程行業(yè)的施工進(jìn)度的4D 可視化已經(jīng)實現(xiàn)。施工模擬這一技術(shù)為管理人員提供了基于進(jìn)度的更直觀的控制基礎(chǔ)[9]。它為施工現(xiàn)場提供了可視化的施工過程模擬，避免了施工過程中的交叉問題，優(yōu)化了進(jìn)度并縮短了工期。它為項目投資的控制人員按階段和工作量提供了統(tǒng)計依據(jù)。這將有助于科學(xué)的準(zhǔn)備工作，并及時分析項目的投資完成情況[10]。例如，施工仿真可以相對準(zhǔn)確地預(yù)測在地鐵站中各個階段的實施之前地鐵站的建設(shè)所需的物料購買量。通過預(yù)測物料購買量可以提高下一階段的存儲空間利用率，解決施工過程中施工場地狹小的問題。

4 結(jié)論

機(jī)電設(shè)備的安裝，包括許多系統(tǒng)，如給排水系統(tǒng)、中水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)以及強(qiáng)弱電系統(tǒng)。利用BIM 技術(shù)構(gòu)建的三維模型，可以有效地克服傳統(tǒng)CAD 中二維圖形指導(dǎo)施工的缺陷，并能較好地解決多個專業(yè)的一體化管理問題。在復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備管道的地鐵站，使用BIM 技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)并糾正大多數(shù)設(shè)計錯誤，避免施工過程中的大量變更。4D 施工模擬改變了傳統(tǒng)的項目管理和施工模式，在一定程度上可以提高項目的質(zhì)量，并可縮短建設(shè)周期。與傳統(tǒng)模式相比，BIM 技術(shù)為工程項目帶來了巨大的收益，同時也得到了業(yè)主和其他參與方的認(rèn)可。