BIM技術在城市地下綜合管廊機電施工中的應用

張 政

（中交一公局電氣化工程有限公司，北京 100024）

0 引言

綜合管廊是城市運營的重要基礎設施，也是“生命線”。由于綜合管廊結構復雜，開挖施工環境不確定，因此施工組織協調難度大，施工費用控制難度高。BIM技術由于其集成性、可視化、模擬性等優點[1]，已經在建筑設計、建造及管理等方面得到了初步應用[2]。因此，以BIM技術為基礎，對綜合管廊工程施工進行分析，并將其用于實際工程中，對其進行檢驗，具有一定的理論和現實意義。

1 案例背景及概況

本文選擇南京市一段城市地下綜合管廊作為實例，它位于南京市橫江大道旁。該項目采用的是一條平行于公路隧道的復合管廊，其施工安全級別為1，結構的設計壽命為100年，施工周期18個月，運行25年。綜合管廊工程（一期）標準斷面圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊工程（一期）標準斷面圖

2 機電管線工程模塊化設計及應用

2.1 結構建模

在工程實踐中，工程的結構建模是構建機電管線工程綜合BIM的重要依據，同時也可以確保各個管件的建模精度。本案例的架構模式的軟體以Revit架構為主，導入工程的構造圖，利用軸網、標高等進行構造建模。

2.2 模塊化支架模型優化

作為機電一體化的載體，支架的模塊化設計和優化是關鍵[3-4]。而在傳統的設計方法中，支架的設計和使用往往是一次性的，而且沒有一個確定的尺寸標準，這就導致了資源的浪費。該模塊化組合支撐架由T形梁、懸臂、橫臂、U形槽鋼、聯軸器、四孔直角聯軸器組成。在T形橫梁的上端焊有兩個連接套桿，T形橫梁由連接套桿與頂棚預埋構件相連接，連接套桿由螺母螺栓與頂棚預埋件相固定，吊桿和橫桿采用矩形截面的中空方管，在安裝管線時易于調整其大小。最優支架的側視圖和管綜合后的軸測圖如圖2所示。

圖2 支架優化軸測圖

本工程機電管道的設計是在廊道上進行的，因此對安全和BIM的設計也有很高的要求，在不同的管道中設置了不同的支架，既節約了空間，又節約了材料。在深入進行支架模塊化建模時，首先要在Revit軟件中構建一個家族庫，利用家族庫的信息對家族屬性進行參數化設定，然后將參數化的支架裝入已有模塊化的機電管道中，并按照管道布局原理自動布點；在此基礎上，完成整個模型的碰撞檢測。

2.3 孔洞預留預埋及優化

采用T形橫梁、懸臂、橫桿、U形槽鋼進行自動組裝，經優化后的機電管線整體模塊式支架按圖1所示立柱進行定位和加固；通過Revit軟件，準確地確定了機械管路和結構模型的沖突點，并在該區域內設置了孔洞的位置，便于優化設計及安裝各種尺寸和高度的管線。通過對預留孔的分析，在后期進行預埋，可以有效提高施工效率，減少因鉆孔位置的碰撞而導致的返工。在距橋架面1 000 mm處應預留相應的孔洞。基于Navisworks的碰撞檢測理論，通過分析墻體的應力狀態和預留孔洞及墻體內的鋼筋等預留預埋件的沖突位置，準確地確定了孔洞的位置、大小和數量。同時，運用魯班BIM works軟件，通過對已發現的孔洞進行檢驗及分析，得出最后的結論。經查證，在此案例中，有一次碰撞報告，發現新增了69個預留孔，保留孔11個。

2.4 機電管線模塊數字化預制加工

現場施工條件復雜，管線類型多樣，所以，按照常規的設計思路，往往需要按照CAD設計圖設計，然后通過3D軟件進行設計，最后才能得到設計圖，從而大大降低了工程的工作效率。同時，在機電管道的安裝中，經常采取現場放線、測量、切割、焊接等技術。而在大型工程中，現場施工很容易產生金屬粉塵、煙塵等大氣污染，而且還會有一定的安全隱患，這樣不僅效率低，還會出現誤差，已經不能滿足工程需要。將BIM技術應用于Revit，將BIM的可參數化特征應用到模塊化模型中，與設計、施工階段的信息進行整合，按照實際的設計要求，將設備生產、切割、運輸到工地進行組裝，既提高了工程的速度，又為現場施工提供了便利性和安全性。在對系統部件進行預成型前，需要仔細分解產品的圖紙，并將其劃分為不同的規范單元，然后按照產品的具體大小和工藝步驟進行裝配；使用TeklaBIM軟件，選用A325、D=19.5 mm的材料，根據菜單區域的建模，選擇斷面庫里的斷面，修改尺寸、連接方式等參數，并將其與CNC智能機床連接起來，完成下料、切割和編號的數字化過程。采用數字技術可以有效提高物料利用率，降低手工裁剪的費用，加速物料的預制生產。

2.5 單元模塊碰撞檢測

在BIM技術中，碰撞檢測主要包括靜態碰撞和動態碰撞，靜態碰撞檢測是靜止狀態下的碰撞檢測，而動態碰撞檢測則是對建筑施工中的運動狀態的碰撞檢測。從平面圖的設計到正向的三維建模，目前的工程應用主要是從CAD到3D的過渡，因此在平面設計中很難檢測出管道的碰撞，故一般采用BIM技術；管道模型的集成是由Navisworks完成的，并且使用ClashDetective函數。一般的檢測分為兩個階段，首先是機電管道的綜合碰撞檢測，然后是管道和部件的碰撞，最終得到碰撞檢驗報告，準確地發現問題所在，并通過BIM軟件進行線路規避和最優布局，使空間得到最大限度的利用。在設計階段，利用BIM技術可以提前處理工程建設中的各種問題。

3 工程應用效果評價

3.1 優化模型設計

以往的設計一般都是以CAD形式進行，然后將MEP系統上的專業設計圖交給設計師，這會讓設計師花費很多時間和精力去解決設計上的矛盾，從而造成設計錯誤。BIM技術的引進，使得設計過程具有整合性、可視化、參數化等特點；將建筑成本、進度、質量等信息與可視化方法相結合，使施工過程中出現的問題可以用視覺化的方式呈現。在設計階段，采用正向的立體視角進行模型的碰撞檢驗，并依據碰撞報告處理圖紙中的漏、碰、錯現象，優化凈空高度，確定最合理的管道布局，減少了由施工過程中的矛盾引起的設計變更；同時，對該項目的可行性進行了論證，對該項目建設質量的提高起到了一定的促進作用。

在此案例中，BIM技術的應用包括以下兩個部分：一是基于結構模型構建了機電管道工程設計與施工的集成模型，并通過碰撞檢測、協同深化設計，最終將其集成為一個標準化的單元，從而方便了以后系統模塊的數字化加工和組裝；二是基于模塊化模型進行建筑動態仿真，并結合工業化管理，將模塊化模型中的數據和信息進行系統整合，實現各專業間的交流。對建筑物進行碰撞探測與最優設計，能有效化解建筑布局矛盾，并利用可視化仿真技術，使參與方在設計過程中能夠更好地感知到建筑環境，能更直觀地理解設計意圖，節省時間、材料等成本，提高工作效率。本項目通過BIM技術減少了材料損耗15%左右，人工成本降低了30%左右。

3.2 施工技術指導

在傳統的技術指導下，往往是由專家按照圖紙進行堆疊，找出問題所在，而在平面上遇到的問題則很難用平面圖來處理。比如，在一些建筑條件較差、線路較多、場地較小的情況下，對場地的布局也有很高的要求。BIM工程師可以認真審核已有的集成模式，并與相關專家及時交流，從而大大提升技術交流的效率。同時，還可以利用三維動畫與施工組織相結合的方式，模擬出真實的施工環境和項目進度，運用BIM技術進行場地布置的最優設計，并在施工中模擬各種工藝，使得整個工程的施工過程更為直接和精確；可有效防止因空間、質量、安全等原因造成的返工。

在此案例中，建筑企業通過建立機電管道設計與施工一體化模型，為各施工班組提供了更加直觀的技術交底，如機電管道工程的機電管道、支架等模塊化；基于多專業裝備模塊化設計、組合預拼、工業化組裝施工等技術，提出了一種可組合組裝的一體化支架組合安裝方案。應用BIM模擬技術，確定了優化設計方案，有效解決了復雜作業環境導致的問題，加快了項目建設速度。

3.3 實現總控管理

本項目涉及的機電設備的施工，管道較多、施工困難、施工周期較短，技術和質量都有嚴格的規定，在工程組織與設計上，采取了“流水式”的方法，工作量較大。而BIM技術具有綜合性強、內部設施完善、自動化程度高等特點，且利用Revit軟件可以在BIM中推導出機電、暖通、給排水等施工工藝和施工數量，實現材料和機械資源的合理分配。在工程進度管理方面，采用建筑仿真和可視化交底，并與4D仿真相結合，減少了工程工期延誤的情況；以工程進度為基礎，對工程進度進行動態控制，實現了工程進度的最優化，最終，工程工期由原先的952天減少至877天。在品質管理方面，減少了對工程質量的不全面分析；在安全管理方面，可以有效地預報機電管線工程施工中的潛在風險。

4 結語

本文著重闡述了在機電管道工程中應用BIM技術實現模組施工的可行性，并通過設計階段模型的優化、施工階段技術的引導，確定出適用于預制管道、橋梁等的組裝方式，通過預制加工、現場組裝等模塊化方式實現成本、質量、進度、安全和其他方面的總控制。本文所述項目應用BIM技術，以信息整合為核心，在各階段強化多個學科之間的協作，對同類項目具有一定的參考意義。