地鐵車站綜合管線?BIM?正向設(shè)計實施要點及模型價值分析

王曉丹

（福州軌道交通設(shè)計院有限公司，福建福州 350001）

1 引言

地鐵車站設(shè)備區(qū)走道空間狹小，卻是機電線路穿行的要道，多達(dá)10余種管線需要在其間上下排布，因此易出現(xiàn)施工順序交錯、檢修空間難以保證等情況。綜合支架安裝作為機電施工的第一道工序，卻是機電設(shè)計的最后一道工序，其對于時效性和準(zhǔn)確度的高要求給設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)二維設(shè)計已不能很好地解決跨專業(yè)、跨空間協(xié)調(diào)的問題，難以同時保障設(shè)計的進(jìn)度和質(zhì)量。

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是一種新興的數(shù)字信息技術(shù)，可集成建筑工程項目的各種相關(guān)信息，并對這些信息進(jìn)行詳盡的數(shù)字化表達(dá)，具有可視性、模擬性、協(xié)同性、連續(xù)性、集成性等特性。設(shè)計專業(yè)是地鐵建筑行業(yè)的上游專業(yè)，應(yīng)率先推進(jìn)并完成BIM技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)相關(guān)信息的參數(shù)化、三維可視化，以及管理的信息化[1]，從而解決設(shè)計協(xié)同和設(shè)計質(zhì)量的問題。但在推進(jìn)過程中，大多數(shù)工程項目采用二維設(shè)計完成后再翻BIM模型的應(yīng)用模式（即逆向設(shè)計模式），這種模式存在效率低、質(zhì)量難以保證等缺點[2]。與之相對的是正向設(shè)計模式，即工程項目從草圖設(shè)計至交付全部成果的整個流程均通過BIM三維模型完成。只有實施BIM正向設(shè)計，才能獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，推動模型數(shù)據(jù)在生產(chǎn)鏈上的閉環(huán)，從而實現(xiàn)質(zhì)量和效率的平衡，以及數(shù)據(jù)的延伸應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對BIM設(shè)計中的專業(yè)協(xié)同、正向設(shè)計方法開展了大量研究。Tauriainen等[3]結(jié)合流程再造理論提出BIM協(xié)同設(shè)計新模式；王巧雯等[4]構(gòu)建了BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的流程框架；徐洪亮等[5]研究了軌道交通BIM協(xié)同設(shè)計中的數(shù)據(jù)共享和分發(fā)；余元波[6]對地鐵車站通風(fēng)空調(diào)BIM正向設(shè)計方法要點進(jìn)行了闡述。這些研究主要集中在各專業(yè)協(xié)同設(shè)計、模型創(chuàng)建等方面，而未針對設(shè)計數(shù)據(jù)向造價、施工、運維階段的縱向傳遞以及模型出圖適配等問題展開討論。

本文聚焦于地鐵車站綜合管線的BIM正向設(shè)計，針對打通信息傳遞通道和實現(xiàn)正向設(shè)計制圖的若干關(guān)鍵節(jié)點[7]展開討論。

2 綜合管線 BIM 正向設(shè)計的難點

2.1 二三維信息割裂

在BIM正向設(shè)計中，各專業(yè)基于同一模型進(jìn)行設(shè)計，模型的每一處修改對各專業(yè)的反饋都是即時、同步、一致的，而且各專業(yè)可同時對同一個文件進(jìn)行操作，整個模型設(shè)計的過程即是專業(yè)協(xié)調(diào)的過程[8]。然而，目前各專業(yè)由于BIM設(shè)計水平不均衡，因此難以達(dá)成同時協(xié)同設(shè)計的目標(biāo)。對綜合管線進(jìn)行BIM正向設(shè)計時，可以通過模型平剖面的一致性實現(xiàn)平剖面標(biāo)高位置等信息的對應(yīng)，通過一個模型不同視圖的方式解決綜合管線與單專業(yè)信息對應(yīng)問題。但如果僅對綜合管線進(jìn)行BIM設(shè)計，而其余各專業(yè)仍采取二維設(shè)計的方式，就存在單專業(yè)二維信息與綜合管線模型三維信息如何傳遞及保證一致的問題。

2.2 軟件建模效率與生產(chǎn)進(jìn)度的適配

綜合管線設(shè)計通常與土建、風(fēng)、水、電專業(yè)同步出圖，設(shè)計周期中存在支架深化、構(gòu)造柱配合、風(fēng)閥檢修空間核對、專業(yè)協(xié)調(diào)等反復(fù)多次的繁瑣工作。相對于傳統(tǒng)二維模式，采用BIM正向設(shè)計還需要進(jìn)行額外的核對碰撞細(xì)節(jié)、調(diào)整參數(shù)信息等工作[9]，因此提高建模效率以適配生產(chǎn)進(jìn)度是一個難點。

2.3 模型導(dǎo)出的二維圖面與傳統(tǒng)二維圖面的適配

由模型驅(qū)動生成的平剖二維圖，因軟件自身及建模深度的原因，存在諸如水管彎頭表達(dá)與傳統(tǒng)二維制圖表達(dá)不同、支架及上下層橋架的平面表達(dá)不如二維制圖簡潔（圖1、圖2）、剖面圖中橋架圖例需要在CAD軟件中添加線纜符號（圖3）等圖面表達(dá)問題。

圖1 2種二維平面圖對水管及支架表達(dá)的對比

圖2 2種二維平面圖對上下層橋架表達(dá)的對比

圖3 2種二維剖面圖對橋架表達(dá)的對比

2.4 對模型的最大化利用

傳統(tǒng)建造過程是先由設(shè)計者將抽象的三維事物轉(zhuǎn)化為二維圖紙，再由施工者對二維圖紙進(jìn)行思維解讀并根據(jù)其建成三維實體的過程，因此如果三維設(shè)計與三維實體建造之間能夠?qū)崿F(xiàn)直接的信息傳遞，則可使信息丟失最少化。然而，目前因為審圖、提資等場景的需求，仍然主要以二維圖紙作為傳遞信息的載體。如何發(fā)揮出BIM正向設(shè)計的最大優(yōu)勢，讓設(shè)計成果不只是模型導(dǎo)出的圖紙，是制定BIM正向設(shè)計路線時需要考慮的問題。

3 綜合管線BIM正向設(shè)計實施要點

3.1 重構(gòu)工程各階段信息流應(yīng)用

BIM正向設(shè)計表面上是對設(shè)計端的改變，其實是對建設(shè)全流程離散數(shù)據(jù)的整合。輕量化BIM平臺以及BIM模型中圖紙、三維視圖、明細(xì)表、共享參數(shù)均是模型數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)形式，它突破了二維圖紙所能承載的信息邊界。如果基于“統(tǒng)一源頭、數(shù)據(jù)共享、完整準(zhǔn)確、滿足業(yè)務(wù)”思路對BIM設(shè)計內(nèi)容、對應(yīng)交付成果、模型構(gòu)件編碼進(jìn)行體系規(guī)劃，促使設(shè)計、施工、運維階段信息流相融合，則BIM模型作為計算機可讀取的生產(chǎn)要素可發(fā)揮數(shù)據(jù)快速更新的優(yōu)勢，在更新模型設(shè)計信息的同時，帶動構(gòu)件生產(chǎn)、施工進(jìn)度、運維管理信息的自動更新，從而提高各參與方信息共享的及時性及工作的協(xié)同性。

3.1.1 工程各階段應(yīng)用目標(biāo)分析

BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用目標(biāo)是在滿足功能需求、裝飾空間要求的前提下，盡可能優(yōu)化管線線路以壓縮層高，并且保證模型平剖面一致、收資提資數(shù)據(jù)流順暢，以避免發(fā)生錯誤引起施工拆改；在施工階段的應(yīng)用目標(biāo)是使BIM模型信息便于識別、設(shè)計方案便于下料施工，從而提高施工效率、減少拆改；在運維階段的應(yīng)用目標(biāo)是在將圖紙信息合模并使其立體可視化的同時，將部分設(shè)計參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，便于查詢及數(shù)據(jù)提取。

3.1.2 工程各階段模型成果要求

為重構(gòu)工程各階段信息流應(yīng)用，使BIM模型的構(gòu)建和完善既滿足工程進(jìn)度要求，又符合各階段應(yīng)用目標(biāo)的需要，應(yīng)根據(jù)各階段既定的時間進(jìn)度，提出對于各階段BIM設(shè)計內(nèi)容、出圖成果等的要求（表1），執(zhí)行“一個模型、逐級深入”的思路。

表1 工程各階段BIM模型成果要求

3.2 提高上下游二三維數(shù)據(jù)傳遞效率

目前，地鐵車站綜合管線BIM設(shè)計過程是先將上游的二維提資圖轉(zhuǎn)為三維土建及機電模型，再進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計，最終由三維綜合管線模型導(dǎo)出二維綜合管線圖及二維提資圖的過程。由于BIM模型數(shù)模信息一致，可以按不同專業(yè)、不同功能（建模、出圖、提資等）制作不同的視圖，因此三維到二維的數(shù)據(jù)傳遞整體順暢，提高數(shù)據(jù)傳遞效率的關(guān)鍵在于理順二維到三維提資傳遞、多次提資協(xié)調(diào)、會簽綜合管線模型及各專業(yè)二維圖的工作流。在實踐中，通過對二維提資圖的制圖格式進(jìn)行規(guī)范，可利用插件將建筑圖中的墻體、房間信息及機電專業(yè)圖中的管道直徑、風(fēng)管管徑標(biāo)高信息直接通過數(shù)據(jù)傳遞的方式轉(zhuǎn)換為三維模型，再利用CAD軟件對比工具核查歷次提資變化，進(jìn)行模型修正，最后通過開發(fā)的BIM平臺審模功能將由綜合管線模型導(dǎo)出的各專業(yè)二維提資圖與各專業(yè)上傳的施工圖進(jìn)行疊圖智能對比，以判斷管線的大致路由及尺寸信息的一致性。這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，形成提資、設(shè)計、出圖、會簽環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)閉環(huán)的方式，可以大幅縮短模型的創(chuàng)建時間，提高模型的準(zhǔn)確性。但在協(xié)調(diào)過程中需要多次復(fù)核二維提資，而且提資發(fā)生變化的部分還需要人工進(jìn)行修正，因此要徹底解決這些問題，必須帶動上下游專業(yè)共同采用BIM正向設(shè)計。

3.3 利用標(biāo)準(zhǔn)化及二次開發(fā)提高建模效率

BIM正向設(shè)計需要將設(shè)計要素轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可讀取的生產(chǎn)要素，因此提高建模效率的關(guān)鍵是如何將生產(chǎn)要素標(biāo)準(zhǔn)化、單元化，以充分發(fā)揮計算機高效處理的優(yōu)勢。在實踐中，應(yīng)根據(jù)提資、出圖、BIM平臺等各種應(yīng)用場景，創(chuàng)建統(tǒng)一的構(gòu)件族庫、樣板文件、共享參數(shù)、模型編碼，對參數(shù)的命名和調(diào)用進(jìn)行規(guī)范，同時按照車站設(shè)備區(qū)走道橋架布置的不同分類，建立標(biāo)準(zhǔn)模塊組以備調(diào)用。這一系列的標(biāo)準(zhǔn)化措施不僅可提高建模效率，也便于后期施工管理。此外，通過采用二次開發(fā)插件，可快速生成管線剖面、添加標(biāo)注、布置綜合支架等，對比傳統(tǒng)二維設(shè)計，可將設(shè)計時間壓縮50%，打破了質(zhì)量和進(jìn)度不能同時保證的魔咒。

3.4 優(yōu)化模型出圖的圖面表達(dá)

模型出圖的圖面表達(dá)問題主要有2方面，即圖層、線型與傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不適配，以及族的圖例表達(dá)與傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不適配。對于第一個問題，可通過從Revit軟件導(dǎo)出圖紙中設(shè)置的方法，解決大部分的圖層映射問題，不同系統(tǒng)橋架可通過在CAD軟件中進(jìn)行二次開發(fā)以自動識別橋架過濾器顏色，實現(xiàn)圖層映射。對于第二個問題，可通過在Revit軟件中修改閥門、風(fēng)閥、彎頭等族的二維顯示效果（圖4），并配置不同的視圖樣板，實現(xiàn)在建模過程中用精細(xì)模式表達(dá)空間尺寸、在出圖過程中用粗略模式表達(dá)簡化二維樣式的目標(biāo)（圖5）；其余無法通過修改族來實現(xiàn)的圖例適配，如橋架剖面加電纜、支架平面改為粗PLINE線等，采用在CAD軟件中進(jìn)行二次開發(fā)的方式解決。

圖4 彎頭族導(dǎo)出視圖樣式對比

圖5 建模及出圖工作中視圖的不同表達(dá)對比

4 BIM 正向設(shè)計的模型價值分析

4.1 成果的可視化

BIM技術(shù)提供的三維可視化建模環(huán)境包含更豐富的幾何信息與屬性信息[10]，可增強信息的表達(dá)，減少設(shè)計的錯漏、調(diào)整，在設(shè)計階段為建筑師提供更直觀、更方便、更合理的設(shè)計環(huán)境[11]。在后期向施工單位、運維單位傳遞時，通過將模型構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)與進(jìn)度數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、造價數(shù)據(jù)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不僅能夠使設(shè)計成果便于查詢，也可將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為以圖形方式展示的可視化表達(dá)。

4.2 數(shù)據(jù)協(xié)同一致

BIM技術(shù)的優(yōu)勢是能夠自動實現(xiàn)模型視圖、工程圖紙、明細(xì)表、剖面圖和平面圖的變更[12]。可看到的成果是模型，聯(lián)動的是數(shù)據(jù)，模型為信息服務(wù)，從而解決了傳統(tǒng)設(shè)計方式依靠圖紙，文件傳遞時因數(shù)據(jù)未協(xié)同而產(chǎn)生圖紙中平面、說明、原理圖、材料表之間數(shù)據(jù)沖突，以及圖紙與現(xiàn)場信息脫節(jié)等問題。

4.3 快速準(zhǔn)確提量

工程計價三要素為量、價、費，其中工程量計量是工程計價及造價管理的基礎(chǔ)工作。有數(shù)據(jù)表明，工程預(yù)算編制中，該項耗用的工作量約占全部預(yù)算編制工作量的60%～70%[13]。例如，采用清單計價模式的支架計量通常只能通過手算每幅支架配件的重量進(jìn)行統(tǒng)計，工作量大且易錯，而且在后期施工中，分批采購下料也需要統(tǒng)計分幅的工程量。而在BIM正向設(shè)計的制作支架族階段，若根據(jù)后期下料顆粒度規(guī)劃族類型，并以共享參數(shù)的形式記錄單重，設(shè)計明細(xì)表樣板，則可在三維模型設(shè)計過程中自動完成工程量的計量，在保證工程量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時，加速了數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)（圖6）。

圖6 模型支架材料明細(xì)及剖面

4.4 加快數(shù)據(jù)提取、識別、流轉(zhuǎn)的效率

在設(shè)計環(huán)節(jié)，采用BIM正向設(shè)計，設(shè)計信息可轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，被計算機讀取分析，這使采用機器輔助審圖、會簽成為可能。傳統(tǒng)的審圖、會簽核查工作大多依賴人工進(jìn)行，二維綜合管線圖平面細(xì)節(jié)繁多、平剖面信息不能確保一致等問題影響了審圖及會簽的效率。通過開發(fā)針對綜合管線審圖、會簽場景需求的凈高核查、檢修空間核查、限界核查等軟件工具，可以實現(xiàn)高效核查。在施工建造環(huán)節(jié)，可以通過給設(shè)計模型添加進(jìn)度屬性，實現(xiàn)分階段下料信息的自動歸集；利用模型生成預(yù)埋件圖、孔洞定位圖等施工深化圖，可保證原設(shè)計信息的繼承及一致。

4.5 通過模型進(jìn)行信息集成及共享

工程建設(shè)領(lǐng)域各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其相互關(guān)聯(lián)，但現(xiàn)實中卻孤立分散，并且具有流動性和突發(fā)性，因此造成物資、合同、成本、設(shè)備、安全、質(zhì)量等工程管理各方面的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、不可沿用、難以重復(fù)提取。BIM技術(shù)的理念是通過快速收集和傳輸信息、集中存儲和共享信息，實現(xiàn)信息的高效傳輸和協(xié)同管理，提高各方的信息處理效率與管理水平[14]。將BIM模型作為載體，使其中信息流轉(zhuǎn)于設(shè)計-建造-運營各階段，關(guān)聯(lián)概算-預(yù)算-結(jié)算等各環(huán)節(jié)，記錄從設(shè)計聯(lián)絡(luò)到移交驗收的數(shù)據(jù)演變過程，則可發(fā)揮BIM技術(shù)信息集成及共享的最大價值。

5 結(jié)語

地鐵車站綜合管線設(shè)計不是簡單的疊加，而是在遵循總體設(shè)計原則的基礎(chǔ)上、滿足各專業(yè)技術(shù)要求的前提下，不斷協(xié)調(diào)、不斷優(yōu)化的結(jié)果[15]。BIM技術(shù)具有可視化、圖模一致、數(shù)據(jù)聯(lián)動的特點，BIM正向設(shè)計可使設(shè)計要素轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可讀取的生產(chǎn)要素，發(fā)揮計算機高效計算的特點，通過從模型中自動統(tǒng)計工程量表、標(biāo)記設(shè)計屬性、跟隨設(shè)計屬性改變幾何形體等，提升設(shè)計協(xié)同效率、精細(xì)化程度及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率。隨著設(shè)計-建設(shè)?-運營管理之間聯(lián)系的日益緊密，工程設(shè)計服務(wù)也慢慢從傳統(tǒng)的純粹工程設(shè)計向全過程設(shè)計咨詢轉(zhuǎn)變，BIM技術(shù)作為串聯(lián)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)鏈、形成場景化應(yīng)用的利器，將發(fā)揮越來越重要的價值。