動車運(yùn)用所室外綜合管線BIM正向設(shè)計方法研究

林 耀,何 勇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司機(jī)械動力設(shè)計研究院,北京 100055)

1 概述

動車運(yùn)用所室外綜合管線是指所內(nèi)室外各個專業(yè)的管線、管溝、管槽、管廊等，它是動車運(yùn)用所基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著動車所內(nèi)能源輸送、信息傳輸以及污廢排放等功能。綜合管線設(shè)計是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它對減少用地規(guī)模、節(jié)約能源、降低工程投資、提高經(jīng)濟(jì)效益具有顯著作用，其目的就是在符合管線設(shè)計技術(shù)規(guī)范的前提下，將動車所室外的各類管線統(tǒng)籌安排，協(xié)調(diào)設(shè)計中存在的矛盾。由于管線種類多、交叉點(diǎn)數(shù)量龐大、多專業(yè)設(shè)計內(nèi)容又互為邊界條件，且動車所管線敷設(shè)空間有限，綜合管線設(shè)計一直是動車所工程的重難點(diǎn)[1]。國內(nèi)動車運(yùn)用所室外綜合管線設(shè)計基本都采用常規(guī)二維手段進(jìn)行設(shè)計，但具有局限性、不直觀，設(shè)計階段協(xié)調(diào)難度大，容易造成施工階段管線安裝工序不當(dāng)。

隨著BIM技術(shù)愈加普及，其三維空間展現(xiàn)能力[2-3]，為綜合管線設(shè)計提供了新的思路[4]。京張高鐵北京北動車所完成了各專業(yè)的管線建模，并完成室外綜合管線模型總裝，但其模型是基于二維施工圖翻模建立的，施工也仍依靠傳統(tǒng)二維管綜圖紙，故管線沖突、安裝空間不足等問題仍時有發(fā)生，造成一定的重復(fù)或廢棄工程，影響了工程造價和工程進(jìn)度。因此本文提出基于BIM的三維正向設(shè)計方法，通過研究協(xié)同設(shè)計、重要基準(zhǔn)導(dǎo)入、三維管線綜合排布方法、復(fù)雜交叉點(diǎn)優(yōu)化方法、管線碰撞檢查和調(diào)整方法等，立體展現(xiàn)綜合管線的空間排布位置，同時優(yōu)化三維模型轉(zhuǎn)二維施工圖出圖方法，合理規(guī)劃出圖內(nèi)容，確保圖紙表達(dá)完整。從而提高動車運(yùn)用所室外綜合管線設(shè)計的準(zhǔn)確性、設(shè)計效率，減少設(shè)計出錯率及施工返工、浪費(fèi)人力物力等現(xiàn)象，能夠有效解決綜合管線二維設(shè)計中存在的問題。

2 動車所室外綜合管線BIM正向設(shè)計方案

目前，主流的BIM軟件公司包括Bentley、Dassault和Autodesk等公司[5]。其中Bentley軟件平臺基于MicroStation開發(fā)，模型格式統(tǒng)一，對鐵路各專業(yè)支持度較好，符合鐵路設(shè)計習(xí)慣，故選取Bentley軟件平臺進(jìn)行本次研究。

2.1 室外綜合管線BIM正向設(shè)計流程

動車所室外綜合管線BIM正向設(shè)計是指利用BIM技術(shù)，以站場、房建、軌道等專業(yè)模型為基準(zhǔn)設(shè)計，按照設(shè)計流程依次進(jìn)行相關(guān)專業(yè)管線設(shè)計、室外管線總裝、室外管線綜合排布、碰撞檢查調(diào)整。設(shè)計流程和常規(guī)二維設(shè)計流程相似，規(guī)定了正向設(shè)計的前后順序，數(shù)據(jù)流則定義了BIM設(shè)計成果的傳遞方向[6-7]。綜合管線BIM正向設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 管線綜合BIM正向設(shè)計流程

2.2 協(xié)同設(shè)計管理

動車所室外管線種類繁多，涉及電力、通信、信號、給排水、站場等數(shù)個專業(yè)，多專業(yè)設(shè)計內(nèi)容又互為邊界條件，設(shè)計階段伴隨著方案調(diào)整、節(jié)點(diǎn)控制等問題，協(xié)調(diào)難度大。要有序地開展如此復(fù)雜的設(shè)計工作必須要進(jìn)行協(xié)同設(shè)計管理。在BIM設(shè)計中，協(xié)同設(shè)計管理不僅可以使各專業(yè)基于同一可視三維空間開展工作，也能夠同步跨區(qū)域的數(shù)據(jù)，并有效追蹤和管理BIM協(xié)同設(shè)計中的數(shù)據(jù)流。

采用Bentley ProjectWise協(xié)同設(shè)計管理平臺[8]，創(chuàng)建項(xiàng)目和專業(yè)配置，設(shè)定統(tǒng)一格式、坐標(biāo)等，賦予不同專業(yè)設(shè)計人員不同的權(quán)限。設(shè)計人員利用ProjectWise平臺在設(shè)計過程中獲取統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、完成BIM資料互提，同時平臺也會對專業(yè)間的參考關(guān)系和文件版本進(jìn)行記錄和管理。使設(shè)計人員突破空間限制跨區(qū)域進(jìn)行協(xié)同設(shè)計[9]。

2.3 室外綜合管線模型建立

2.3.1 相關(guān)專業(yè)管線設(shè)計

各專業(yè)的室外管線設(shè)計應(yīng)以站場專業(yè)設(shè)計成果為基礎(chǔ)，導(dǎo)入房建、接觸網(wǎng)、軌道等專業(yè)模型作為重要基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計人員應(yīng)在協(xié)同設(shè)計平臺下根據(jù)本專業(yè)設(shè)計要求排布室外管線，應(yīng)考慮避開重要基準(zhǔn)，包括房屋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)柱墩、承臺、軌道、道砟、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、既有管線等，并調(diào)整與其他設(shè)施間的凈距。

同時，室外管線的BIM設(shè)計為固定形式斷面沿一定路徑進(jìn)行拉伸和組合，故使用Bentley Mechanical Building Designer軟件進(jìn)行管線設(shè)計，能夠快速根據(jù)管線類型和尺寸進(jìn)行線性拉伸，其還包含各類專業(yè)管線族[10](圖2)，滿足管線BIM建模中的轉(zhuǎn)彎變徑、管線連通、閥門設(shè)置等需求。

圖2 專業(yè)管線族

2.3.2 管線綜合排布

將各專業(yè)室外管線在統(tǒng)一坐標(biāo)下總裝，進(jìn)行室外管線綜合調(diào)整、排布。在動車所室外綜合管線的排布過程中，由于各類管線在性質(zhì)和使用上各有不同，故不同系統(tǒng)的室外管線有其自身的排布要求和設(shè)計原則，應(yīng)盡量保持各專業(yè)的提資位置。如管線需調(diào)整應(yīng)既能滿足各專業(yè)系統(tǒng)管線間距埋深等硬性的需求，也要設(shè)計美觀實(shí)用，方便施工作業(yè)及后期運(yùn)營維護(hù)。故提出綜合管線三維排布優(yōu)化方法，如下所述。

在室外管線綜合排布的過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮重力流管線的排布。根據(jù)承壓情況，有重力流管線和壓力管線，壓力管線應(yīng)避讓重力自流管線，特別是埋設(shè)較深的污水及雨水管道，其他管線應(yīng)盡量避讓或上跨的形式穿過它，使污水及雨水管道走管路徑順暢少阻礙，從而滿足坡度和順直要求。重力流管線應(yīng)根據(jù)提資中管線高程、流向、坡度等信息進(jìn)行調(diào)整、排布，避免盲目開展設(shè)計，后期如發(fā)現(xiàn)重力流管線高程沖突，將造成大面積管線調(diào)整的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)計進(jìn)度。同時強(qiáng)電井或管廊埋設(shè)也較深，故針對與重力流管線交叉沖突處應(yīng)優(yōu)先做局部調(diào)整，若無法改變交叉沖突，則與專業(yè)溝通后根據(jù)平面周邊井室的布置情況，將沖突位置處的管溝調(diào)整為包封排管敷設(shè)。

初步穩(wěn)定重力流管線和強(qiáng)電井的布置后，進(jìn)而對其他管線進(jìn)行排布，其余綜合管線排布遵循下列原則即可：臨時管線避讓永久管線；小管線避讓大管線，而大口徑的管線一般施工周期較長，在設(shè)計中應(yīng)著重考慮工序因素；可彎曲管線避讓不可彎曲管線，如地下纜線、給水管等與其他管線發(fā)生沖突時，應(yīng)在滿足埋深要求和與其他管線間距要求的情況下避讓其他不可彎曲管線；道路兩側(cè)優(yōu)先布置強(qiáng)弱電管線管溝，其次是壓力流管線，其他管線如在道路兩側(cè)布置不下則調(diào)整至道路下敷設(shè)[11-12]。

2.4 碰撞檢查

碰撞檢查[13-14]的主要目的是基于動車所室外綜合管線自動檢測管線之間、管線與建構(gòu)筑物之間在空間位置上是否有重疊發(fā)生，還可設(shè)置閾值檢查管線的空間位置是否滿足檢修要求，從而完成項(xiàng)目模型內(nèi)各種管線、構(gòu)筑物三維協(xié)同設(shè)計工作，以避免空間沖突[15]，消除管線之間的碰撞，從而避免設(shè)計錯誤影響施工。碰撞檢查用的是Bentley 軟件提供模型硬碰撞的檢測、查看和管理功能。碰撞檢查可以按檢查規(guī)則対三維模型中的管線、管件、設(shè)備、墻體、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、軌道等三維模實(shí)體進(jìn)行碰撞檢查。同時，軟件將自動生成檢查結(jié)果，并顯示碰撞位置，以便設(shè)計人員能夠快速查找到碰撞點(diǎn)，進(jìn)行管線調(diào)整。碰撞檢查步驟如下所述。

(1)檢查的對象和范圍可以在碰撞檢查工具中進(jìn)行設(shè)定。在室外綜合管線碰撞檢查時，通常將管線、管件、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、墻、柱、軌道等模型勾選，設(shè)定為檢測碰撞的內(nèi)容。

(2)碰撞報告輸出

碰撞檢查完畢后會將碰撞的模型以及模型種類屬性注釋一并記錄下來。選中報告中的碰撞點(diǎn)會切換到碰撞位置的具體視圖，碰撞實(shí)體模型按照事先定義好的顏色進(jìn)行標(biāo)記，與其他管線構(gòu)件相區(qū)別。調(diào)取碰撞檢查結(jié)果，可以對每個碰撞項(xiàng)進(jìn)行選擇和原因分析，從而確認(rèn)其是否為有效碰撞，確認(rèn)后則進(jìn)行調(diào)整和修改。

應(yīng)著重對復(fù)雜交叉點(diǎn)進(jìn)行碰撞檢查，根據(jù)碰撞檢查報告進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對調(diào)整后的管線進(jìn)行二次碰撞檢查，反復(fù)多次直至確認(rèn)管線無碰撞沖突。

3 二維圖紙生成及圖紙內(nèi)容規(guī)劃

在現(xiàn)行的鐵路工程設(shè)計環(huán)境下，還處于二維圖紙向三維建模設(shè)計的過渡階段，二維圖紙仍然是設(shè)計院的主要設(shè)計成果，因此由三維BIM模型轉(zhuǎn)為二維圖紙也是當(dāng)下必要的需求?？稍贐entley 軟件中完成對模型的尺寸標(biāo)注、注釋說明、標(biāo)準(zhǔn)圖框創(chuàng)建、整體布局之后再導(dǎo)出DWG格式圖紙[16-17]。

在出二維圖紙前，應(yīng)對圖紙內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，考慮如何充分利用三維模型的空間立體屬性、選取哪些內(nèi)容可以將室外綜合管線在二維圖紙上表達(dá)清楚。首先，最重要的是室外管線綜合總平面圖，包含動車運(yùn)用所全部管線的平面布置，管線之間的水平間距，管線的縱向高程，以及到道路邊沿或構(gòu)(建)筑物的距離。其次，對復(fù)雜交叉點(diǎn)內(nèi)所有管線交叉點(diǎn)進(jìn)行管線數(shù)據(jù)信息列表，對每一個管線交叉點(diǎn)進(jìn)行編號并列表，在表格內(nèi)記錄交叉管線的信息，包含交叉管線的種類、管線敷設(shè)的數(shù)量、管徑尺寸、兩管線的絕對高程和相互間的垂直間距，其中垂直間距利用Excel表格根據(jù)絕對高程和管徑列公式計算，見圖3。利用這種列表形式可以清楚地表達(dá)出每一處管線的絕對高程信息和交叉管線，并在列表上方布置三維模型圖和交叉點(diǎn)平面布置圖，見圖4，使圖紙更加直觀，更能理清復(fù)雜交叉點(diǎn)內(nèi)各個管線直接的相互關(guān)系，方便施工單位理解，減少施工問題。其余交叉管線較少，不復(fù)雜的位置僅在設(shè)計說明中提供設(shè)計原則和規(guī)范。

圖3 管線數(shù)據(jù)信息列表表達(dá)形式

圖4 三維模型圖和交叉點(diǎn)平面布置圖表達(dá)形式

通過一張室外綜合管線總平面布置圖，搭配部分復(fù)雜交叉點(diǎn)平面圖，并補(bǔ)充信息列表、三維模型圖的出圖形式，克服傳統(tǒng)二維設(shè)計圖紙看圖困難、表達(dá)信息不清晰、管線內(nèi)容遺漏的問題，提高了動車所室外管線綜合的設(shè)計準(zhǔn)確性，減少施工錯誤和返工現(xiàn)象。

4 建議與展望

4.1 室外綜合管線BIM正向設(shè)計建議

(1)動車運(yùn)用所室外綜合管線BIM正向設(shè)計不宜脫離上序?qū)I(yè)獨(dú)立研究，專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互是正向設(shè)計的關(guān)鍵[18]。開展BIM正向設(shè)計工作應(yīng)建立協(xié)同設(shè)計管理機(jī)制，統(tǒng)一設(shè)計數(shù)據(jù)格式，以便互為邊界的專業(yè)間數(shù)據(jù)互通、協(xié)同設(shè)計。

(2)建議加速推進(jìn)鐵路工程設(shè)計由二維邁向三維BIM正向設(shè)計[19]，將三維BIM模型成為設(shè)計院的主要設(shè)計成果，節(jié)省三維模型導(dǎo)出二維圖紙的不必要時間，施工單位依據(jù)三維BIM模型進(jìn)行施工指導(dǎo)將更直觀清晰，簡化讀圖難度，提高施工準(zhǔn)確度，減少返工現(xiàn)象。

(3)BIM具有一個全壽命周期的特征[20]，建議設(shè)計人員對室外綜合管線進(jìn)行詳細(xì)的非幾何屬性賦值，為日后動車所運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持，提高運(yùn)營階段對前期工程信息的利用率。

4.2 展望

BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠覆蓋建筑的全生命周期，它將是鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展方向，也為動車所的運(yùn)維提供了新的思路。以動車所竣工后交付的室外綜合管線模型和建筑設(shè)施模型為載體，將管線及其他設(shè)施的信息數(shù)據(jù)集成，進(jìn)一步引入建筑的日常運(yùn)維管理功能[21]，利用BIM模型的可視化3D空間展現(xiàn)能力，建立三維視角下的動車所運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)動車所智能化運(yùn)維管理，提高信息化管理、運(yùn)維高效直觀、信息數(shù)據(jù)充分利用，為鐵路從數(shù)字化向智慧化發(fā)展進(jìn)而形成新一代技術(shù)體系邁出堅實(shí)的一步。

5 結(jié)語

通過研究應(yīng)用BIM技術(shù)，以Bentley ProjectWise為協(xié)同設(shè)計管理平臺，結(jié)合站場、房建、接觸網(wǎng)、軌道等專業(yè)模型，電力、通信、給排水等相關(guān)專業(yè)協(xié)同設(shè)計本專業(yè)管線，通過管線總裝模型的綜合排布，優(yōu)化復(fù)雜交叉點(diǎn)，碰撞檢查調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動車所室外綜合管線正向設(shè)計。同時根據(jù)現(xiàn)行的鐵路工程設(shè)計環(huán)境，研究三維模型轉(zhuǎn)二維圖紙的出圖方法及圖紙內(nèi)容規(guī)劃，提高設(shè)計準(zhǔn)確性，減少施工錯誤和返工現(xiàn)象。本次方法研究為后續(xù)開展室外綜合管線正向設(shè)計提供指導(dǎo)，對推廣全專業(yè)開展BIM正向設(shè)計具有一定的借鑒意義。