BIM技術(shù)在降低場(chǎng)段綜合管線碰撞率中的運(yùn)用

王夢(mèng)媛

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京，102600

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程步伐的加快和交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，城市軌道交通在交通行業(yè)占比逐年遞增。地鐵作為城市軌道交通的重要組成之一，以其高效、便捷、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，逐步占據(jù)大中小城市規(guī)劃建設(shè)發(fā)展的重點(diǎn)位置。

隨著項(xiàng)目承攬數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，地鐵場(chǎng)段項(xiàng)目在鐵路工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中也成為我單位的主營(yíng)業(yè)務(wù)之一。在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合管線設(shè)計(jì)涉及專業(yè)多、系統(tǒng)繁雜、管線密集、走向復(fù)雜，目前場(chǎng)段綜合管線的設(shè)計(jì)多采用Auto CAD進(jìn)行二維平面表達(dá)，在施工階段再通過(guò)人工深化和現(xiàn)場(chǎng)配合施工的方式來(lái)解決管線碰撞問(wèn)題。然而，該方法存在人工深化難度大、精度低、現(xiàn)場(chǎng)配合施工時(shí)間長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)，難以有效發(fā)現(xiàn)并解決管線碰撞問(wèn)題，且對(duì)人力、物力、時(shí)間均有較高的要求[1]。

作為地鐵項(xiàng)目中機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)，綜合管線的高效設(shè)計(jì)不僅可以合理有效規(guī)劃各專業(yè)的施工工序從而降低失誤率避免工程返工，還能在一定程度上改善工程的施工質(zhì)量并有效節(jié)約成本。因此，綜合管線設(shè)計(jì)的研究前景廣闊，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 BIM技術(shù)對(duì)降低場(chǎng)段綜合管線碰撞率的意義

BIM技術(shù)以電腦輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)建建筑、結(jié)構(gòu)等工程的虛擬三維模型，同時(shí)將數(shù)字化技術(shù)與三維模型相結(jié)合，形成包含構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息的完整信息庫(kù)，從而將工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的信息集成化、可視化，為工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員、監(jiān)理、業(yè)主等提供了可供協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)成果共享交互的平臺(tái)。作為建筑工程、土木工程等設(shè)計(jì)行業(yè)的新工具，BIM技術(shù)也為管線碰撞優(yōu)化提供了新思路、新方法，并為行業(yè)類似工程設(shè)計(jì)提供新的解決方案，具有重要推廣價(jià)值[2]。

在借助BIM技術(shù)構(gòu)建的三維綜合模型中，各專業(yè)管線布置的空間關(guān)系一目了然，而Revit、Navisworks等軟件還提供碰撞檢測(cè)功能，為設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)從而高效解決管線碰撞問(wèn)題的有效手段。例如，傳統(tǒng)二維圖紙的管線綜合設(shè)計(jì)在進(jìn)行給排水與電氣專業(yè)管線排布時(shí)，通常需要設(shè)計(jì)人員反復(fù)對(duì)比兩個(gè)專業(yè)的管線設(shè)計(jì)圖紙，然后依據(jù)空間想象能力在平面圖中通過(guò)移動(dòng)線條來(lái)調(diào)整管線位置，并對(duì)管線標(biāo)高進(jìn)行標(biāo)注，不僅需要設(shè)計(jì)人員投入巨大的時(shí)間精力，而且布置的結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。BIM技術(shù)的引入可以在建立各專業(yè)三維模型的前提下，通過(guò)碰撞檢測(cè)功能輸出碰撞檢測(cè)報(bào)告，并在三維可視化的協(xié)助下對(duì)報(bào)告中的碰撞節(jié)點(diǎn)一一優(yōu)化調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)綜合管線科學(xué)排布。

在場(chǎng)段綜合管線設(shè)計(jì)中應(yīng)用 BIM 技術(shù)還有利于提升各個(gè)專業(yè)間的工作協(xié)調(diào)性：根據(jù)二維圖紙?jiān)贐IM軟件中分別建立建筑、結(jié)構(gòu)、各專業(yè)管線等三維模型，然后將所有專業(yè)的模型鏈接整理，形成綜合的三維模型。這種將各專業(yè)設(shè)計(jì)工作有機(jī)整合的方式，在一定程度上提升設(shè)計(jì)的協(xié)同性、科學(xué)性、合理性。基于BIM的協(xié)同平臺(tái)，各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員還能夠?qū)崟r(shí)分享設(shè)計(jì)模型，從而提升各專業(yè)間的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)全面提升機(jī)電綜合管線從設(shè)計(jì)到施工安裝到成果交付全過(guò)程的合理性、科學(xué)性的目標(biāo)[3]。

基于BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合管線可視化三維設(shè)計(jì)、管理、展示，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，減少返工從而提高施工質(zhì)量、降低投入成本，極大提升地鐵場(chǎng)段項(xiàng)目管線綜合設(shè)計(jì)水平，提高設(shè)計(jì)效率，在實(shí)際工程中能夠方便施工管理，減少工程變更、縮短工期。其研究成果具有較好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

2 BIM技術(shù)在場(chǎng)段綜合管線中的具體應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目背景

鑒湖停車場(chǎng)項(xiàng)目為上蓋開(kāi)發(fā)停車場(chǎng)，上蓋設(shè)計(jì)為未來(lái)商業(yè)開(kāi)發(fā)及住宅布局預(yù)留，因此各室外管線在布置時(shí)不僅需要考慮管線間的空間布局，還要考慮與建筑結(jié)構(gòu)的柱、樁和地梁基礎(chǔ)等相互避讓，大大縮減了室外管線布置的可用空間，增大了室外管線布置難度，對(duì)管線排布提出了更高的要求。該項(xiàng)目的室外綜合管線涵蓋了供電、通信、信號(hào)、FAS/BAS、給排水、消防等多個(gè)專業(yè)的管線、水管等，涉及專業(yè)多、系統(tǒng)繁雜、管線密集、走向復(fù)雜。

2.2 管線綜合現(xiàn)狀分析

本文作者對(duì)已完成的天水有軌電車一期工程、海勒斯壕、徐州東動(dòng)車所等項(xiàng)目的綜合管線設(shè)計(jì)及施工情況進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)其均采用Auto CAD進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，在實(shí)際施工過(guò)程中通過(guò)人工深化和現(xiàn)場(chǎng)配合施工的方式對(duì)場(chǎng)段綜合管線的碰撞問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，普遍存在人工深化難度大、精度低，現(xiàn)場(chǎng)配合施工時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題，要求較多人力、物力、時(shí)間的投入。因此，人工深化和現(xiàn)場(chǎng)配合施工并不是解決綜合管線碰撞問(wèn)題解決的最好方式[4]。

本文的研究對(duì)象鑒湖停車場(chǎng)綜合管線，在設(shè)計(jì)時(shí)也采用傳統(tǒng)的Auto CAD進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員依靠三維空間構(gòu)圖意識(shí)、人工計(jì)算標(biāo)高等方式在CAD圖紙中對(duì)相關(guān)專業(yè)的管線進(jìn)行繪制調(diào)整。盡管已經(jīng)進(jìn)行層層復(fù)核檢查，但由于二維制圖的局限性，在利用Revit軟件進(jìn)行初步三維模型建立后，發(fā)現(xiàn)了大量碰撞。碰撞問(wèn)題不僅存在于管道之間的交叉碰撞、管線與建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的碰撞，還存在于不同的管道系統(tǒng)間。經(jīng)Navisworks軟件碰撞檢測(cè)，碰撞報(bào)告顯示人工深化前的原始圖紙碰撞問(wèn)題有185個(gè)，經(jīng)各級(jí)審核人工深化后碰撞問(wèn)題有83個(gè)，即初始碰撞率為44.9%。本文研究目標(biāo)為通過(guò)BIM手段建立綜合管線三維模型并消除碰撞，將碰撞率降低至0%。

2.3 BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

綜合考慮技術(shù)可操作性和經(jīng)濟(jì)性因素，本文引入Revit、Navisworks軟件實(shí)現(xiàn)綜合管線三維設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)二維圖紙進(jìn)行三維實(shí)體建模、碰撞檢測(cè)、進(jìn)而消除碰撞優(yōu)化管線布局。

首先，在Revit軟件中鏈接CAD二維圖紙，調(diào)整比例后對(duì)建筑專業(yè)的軸網(wǎng)、標(biāo)高、墻、柱、梁、基礎(chǔ)、門窗等進(jìn)行繪制，并根據(jù)實(shí)際需要建立專業(yè)族，建立建筑結(jié)構(gòu)模型。在建立管線模型時(shí)，需要先設(shè)置各專業(yè)管線的顏色、名稱、規(guī)格、管線材料等參數(shù)，然后根據(jù)鏈接的二維圖紙中管線的位置，初步繪制各專業(yè)管線。各專業(yè)設(shè)計(jì)人員繪制好各自的模型后，以同一基點(diǎn)導(dǎo)入并整合成包含各專業(yè)的三維綜合模型（圖1）。

圖1 鑒湖停車場(chǎng)三維綜合模型

建立好的模型可以直觀展示管線的碰撞情況。也可以通過(guò)Navisworks的漫游檢查方式，通過(guò)第三人視角檢查碰撞情況，軟件會(huì)在存在碰撞的第三人所到之處發(fā)出警告，設(shè)計(jì)人員可以依此進(jìn)行修改。由鑒湖停車場(chǎng)局部管線碰撞圖（圖2）可以看出，設(shè)計(jì)人員通過(guò)二維圖紙繪制的綜合管線圖紙僅在其中一個(gè)局部小節(jié)點(diǎn)就存在著多達(dá)7處不同程度的肉眼可見(jiàn)的管線交叉碰撞。依次對(duì)各個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行管線調(diào)整，初步優(yōu)化管線布局。

圖2 鑒湖停車場(chǎng)局部管線碰撞圖

在管線調(diào)整時(shí)必須遵循以下管線避讓的原則：

（1）壓力管應(yīng)讓自流管；

（2）管徑小的管線應(yīng)讓管徑大的管線；

（3）易彎曲的管線應(yīng)讓不易彎曲的管線；

（4）臨時(shí)性的管線應(yīng)讓永久性的管線；

（5）施工工程量小的管線應(yīng)讓工程量大的管線；

（6）新建的管線應(yīng)讓現(xiàn)有的管線；

（7）施工及檢修方便的或次數(shù)少的管線應(yīng)讓施工檢修不方便的或次數(shù)多的管線。

經(jīng)過(guò)以上初步優(yōu)化后，BIM模型基本消除了肉眼可見(jiàn)的碰撞。將BIM模型導(dǎo)入Navisworks軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的碰撞檢查，形成并導(dǎo)出相應(yīng)的碰撞檢測(cè)報(bào)告。根據(jù)碰撞檢測(cè)報(bào)告結(jié)果繼續(xù)排查首次人工調(diào)整中遺漏的交叉碰撞點(diǎn)，依據(jù)管線布置原則繼續(xù)合理調(diào)整標(biāo)高及管徑，消除檢測(cè)報(bào)告中所有的管線交叉碰撞[5]。

考慮到實(shí)際施工及后期運(yùn)維需要，綜合管線的布置在滿足基本的設(shè)計(jì)與施工要求的同時(shí)，還需要考慮預(yù)留一定的空間以滿足施工時(shí)安裝及維護(hù)檢修的需要。因此需要對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行施工過(guò)程模擬，在Navisworks軟件中，創(chuàng)建包含各專業(yè)施工節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間，施工順序等數(shù)據(jù)在內(nèi)的施工進(jìn)度表，對(duì)各專業(yè)的施工情況進(jìn)行模擬，進(jìn)一步優(yōu)化管線布置位置，調(diào)整預(yù)留空間，最終得到符合要求的“無(wú)碰撞”模型（圖3）。

圖3 優(yōu)化調(diào)整碰撞后的局部模型

3 BIM技術(shù)在降低場(chǎng)段綜合管線中應(yīng)用的效果

經(jīng)BIM手段優(yōu)化，項(xiàng)目案例的碰撞個(gè)數(shù)由原來(lái)的83個(gè)減少至0個(gè)，碰撞率由44.9%降低至0%，取得了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。避免了施工過(guò)程中由各專業(yè)管線碰撞引起的設(shè)計(jì)變更、工程返工等問(wèn)題，減少了項(xiàng)目投資，對(duì)控制成本有重要意義[6]。

Revit軟件自帶的協(xié)同平臺(tái)支持各專業(yè)協(xié)同工作，讓各專業(yè)能夠及時(shí)共享設(shè)計(jì)資料，及時(shí)調(diào)整等設(shè)計(jì)方案，減少了傳統(tǒng)上下序互提時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)效性差的問(wèn)題，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

為了方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，將調(diào)整后的模型按照管線綜合施工圖精度進(jìn)行平面圖紙深化，根據(jù)三維管線調(diào)整結(jié)果在原CAD圖紙中增加關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)剖面圖，并將深化后的二維CAD圖紙交付于施工現(xiàn)場(chǎng)，讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員施工過(guò)程中在處理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)有據(jù)可依。

考慮到業(yè)主等非專業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)專業(yè)圖紙可能不夠了解，通過(guò) Navisworks等軟件進(jìn)行模型漫游模擬展示，制作并導(dǎo)出視頻動(dòng)畫進(jìn)行施工交底，讓非專業(yè)技術(shù)人員也能夠直觀全面地了解項(xiàng)目情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文引進(jìn)Revit軟件、Navisworks軟件通過(guò)三維實(shí)體建模、碰撞檢測(cè)手段對(duì)場(chǎng)段綜合管線布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了降低場(chǎng)段綜合管線碰撞率的預(yù)定目標(biāo)。通過(guò)本次研究，我們發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了管線碰撞率，而且Revit模型具有可視化、參數(shù)化程度高的特點(diǎn)，在一定程度上代替了傳統(tǒng)人工計(jì)算標(biāo)高的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)更加便于各級(jí)圖紙審核和修改設(shè)計(jì)方案，大大提高了設(shè)計(jì)效率，漫游模擬、動(dòng)畫展示的施工交底方式也為業(yè)主等非專業(yè)人員了解項(xiàng)目情況提供了便利。由此可見(jiàn)，BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的研究能產(chǎn)生技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多方面效益，應(yīng)用前景廣闊。未來(lái)我們將針對(duì)BIM平臺(tái)提供的開(kāi)發(fā)接口，研究個(gè)性化二次開(kāi)發(fā)的可行性，以便在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更加高效智能的BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用。