基于 BIM 技術在管線預制與施工中的應用探討

田 華

（廣州新科佳都科技有限公司，廣東 廣州 510655）

0 引言

城市軌道交通機電安裝工程一般配備有變壓器室、高低壓室、環控機房、消防泵房、廢水泵房、環控電控室、照明配電室等設備房間，各類管線安裝以相應的設備機房為起點經過車站公共區及設備區走廊貫通至對應設備末端。因地下空間狹窄、多專業交叉布局等因素，造成管線走向緊湊且交叉渡線，導致標準件的匹配適用難、管線的交叉重疊多、現場的二次加工多、返工現象等時有發生［1］。城市軌道交通地下車站風水電核心設備房間的進線與出線較多，雖已采取立體空間、異形管件、有效避讓等措施，但在實際下單采購、施工交底及管線安裝過程中，因各專業管線頻繁避讓所需的管線異形件及附件較多，同時因異形件及管道附件需實測實量后再排產，存在實地測量誤差、供貨周期較長、工序延誤及分段施工等現象。為有效地規避以上現象，無錫地鐵在機電施工及裝配式施工過程中，積極地引入 BIM 技術參與管線碰撞、異形件分析、機電安裝三維展示并進行階段性總結，設計出基于 BIM 系統的機電管線裝配式智能施工技術，該技術具有施工精度高、工序轉換合理、管線交叉科學合理、節省材料、銜接有序、施工安全、節約造價等特點，提高了裝配式管線的一次成型率、綜合利用率、生產周期率，對機電安裝裝配式施工等類似工程具有很高的參考價值。

1 機電管線施工現狀

城市軌道交通機電工程具有空間狹小、交叉施工多以及對專業技術要求高等特性，同時因設計提資不到位、設計套圖不全面、深化設計不徹底、施工誤差等因素的疊加，造成車站建筑結構與機電管線設計藍圖不符、車站公共區風口被其他專業管線遮擋、車站環控機房設備檢修空間不足［2］、車站綜合支吊架間距設置不合理、車站機房管線安裝錯位等問題。自無錫地鐵三號線開始引進 BIM 技術指導深化設計和現場施工后，科學有效地協調解決機電設備管線內部以及與其他專業管線碰撞的施工矛盾，為施工組織設計的優化和各專業施工工藝的穩步提升提供有利保障。通過多個案例應用和項目實踐中發現，BIM 技術的合理應用和模塊化施工的引入，通過數字信息和仿真模型，可以使城市軌道交通機電系統管線施工能夠有條不紊地開展，可以獲取施工過程中涉及的各項數據信息，由此可以合理利用施工空間，避免各個專業因溝通不及時而造成結構及管線碰撞等問題［3］。我們發現由于初期經驗不足及各專業現場施工配合不到位等，BIM 技術在實際應用中仍然存在不少返工或合規性較差等問題，為了能夠及時有效規避此類問題發生、及時進行現場糾偏，現對已發現的典型問題進行梳理和研究，提出相應的解決方案和建議，為后續設計施工與 BIM 技術的綜合運用提出合理化建議及相關展望，為行業發展提出可行性意見。

2 BIM 技術應用特點

基于地下車站現場測設尺寸進行 BIM 系統的建模，充分考慮現澆混凝土實體構件尺寸、墻體砌筑尺寸以及轉角弧度等，按實際尺寸分析結構凈高、設備房開間與進深尺寸，依據BIM模型中管線異形件及管線附件的實際尺寸進行工廠化預制，既提高了綜合管線的施工精度，又壓縮了交叉施工時的管線拼裝時間?；?BIM 機電管線裝配式智慧施工技術，有效解決了風管與二次砌體施工順序的制約問題，有效解決了因風管吊裝不到位制約下層強弱電橋架的施工，有效緩解了因強弱電橋架未貫通制約水管安裝等問題。同時，預制化加工管線時根據 BIM 系統智慧化測設進行系統化編號，按照主干段與分支段、緊前段與緊后段進行管線區分編號，施工時按照不同系統、不同區域緊前與緊后工作進行科學施工。

測試施工過程中，一是優先進行異形件連接區域的施工，二是通過與風閥連接的風管短節或標準段來控制預制管線的安裝誤差，三是在高差變化處通過支吊架二次測量控制安裝誤差。管線裝配式智慧化施工，解決了傳統施工中優先進行標準管段施工造成的異形件安裝難、施工誤差大等現狀，能提高管線裝配施工的一次成型率和利用率。優先進行異形件的施工，才能有效地降低管線沖突、尺寸不合適等異?，F象。以環控專業大系統碳鋼風管為例，其尺寸最大可達 2 000 mm×2 000 mm×1 240 mm，重量約 25.34 kg，此風管四通延伸的邊緣至少需要 1 名工人進行安裝操作，因此對工人的作業空間具有一定的約束要求。

3 BIM 技術應用機理

應用 BIM 技術輔助機電管線裝配式智慧施工時，采用 BIM 技術抓取大型管道和設備管路進行優化設計與處理，主要以機電安裝工程中風管、橋架、水管為優化對象，選取交叉施工時影響其他專業的大型風管為研究對象，統籌處理公共區、設備區緊前與緊后工序的邏輯先后問題，科學組織機電安裝工序的合理轉換、機電設備管線的合理避讓、合理利用建筑結構尺寸進行管線敷設等。

城市軌道交通車站內通風空調專業分為大系統、小系統、室內多聯機、空調水系統等。本節主要以通風空調各專業系統為研究對象，公共區、設備區走廊、設備房間為拆分區域，將風管系統按照 3 個區域進行拆分并編號，如圖 1、2 所示［4］。以相鄰兩跨支吊架為單元，合理優化橋架、管線及水管走向，現場實例如圖 3、4 所示。

圖1 管線裝配式施工分段示意圖

圖2 風管裝配式施工 BIM 示意圖

圖3 管線裝配式施工實例

圖4 風管裝配式施工實例

4 施工工藝操作流程

4.1 現場實地勘測

建筑結構及砌筑裝修施工完成后依次對公共區、設備機房、設備走廊的凈高與結構尺寸進行實體測量，其中二次砌筑裝修專業測量放線完成后應再次通過墻線對房間開間、進深尺寸進行復測，以探清結構及墻體對管線綜合的影響［5］。如采用混凝土剪力墻結構對送風道、排風道及活塞風道進行分隔時，應核對混凝土墻、夾層板土建預留孔洞的尺寸、位置與施工圖紙的偏差，確保防火閥實際安裝位置距離結構板或墻體≤ 200 mm。

現場核對夾層板的層高、孔洞預留的尺寸及位置、下翻梁在機房內的定位、風道內設備基礎尺寸與機電專業圖紙是否有出入，將現場測量數據反饋到建筑結構 BIM 系統模型中，同時統籌規劃風機與消聲器的定位對后期管線路由與高差變化的影響。

4.2 管線預制化加工

通風空調、給排水、動力照明、FAS、BAS、AFC、TX、SIG 等專業建模前，需依據系統功能和設計圖完善疏漏的零部件、管線細節等，同時管線末端及系統設備應依據實際尺寸進行 BIM 放樣與模擬連接［6，7］，如圖 5、6 所示。管線附件按照實際尺寸進行建模，同時調整 BIM 軟件自帶連接方式，確保系統建模與施工現場一致，保證管線間距、尺寸、連接方式與進場設備一致，充分考慮空調機組風管送、回兩系統與靜壓箱的連接方式，提高后期預制化裝配率。BIM 建模中的設備與系統組合時，應使管線與設備連接形式簡潔、美觀，支架安裝與組合高效、合理。

圖5 管線裝配 BIM建模效果圖

圖6 冷水機組裝配施工實例

利用 BIM 建模進行精細化測算與部署，盡量降低設備與管線的連接偏差，在工廠預制加工時需重點關注風管的異形件、彎頭等連接件。綜合支吊架實際橫擔尺寸與連接件立桿應搭配清晰合理，同時根據空間尺寸和立體架構對管線間距進行適當調整，確保 BIM 模型精度滿足施工要求，確保各類管道閥門操作方向與高度保持一致，儀器儀表整齊成線或成面，各類機組、水泵檢修空間≥ 700 mm，消防泵房模型示意與施工實例如圖 7、8 所示。

圖7 消防泵房 BIM建模效果圖

風管外包防火板需考慮支架承載力要求。通風空調專業中風管截面任一邊長≥1.25 m 時，支架間距需≤1.4 m（間距超過 1.4 m 的支架需核算承載力）；風管截面任一邊長＜1.25 m 時，支架間距需≤2 m（間距超過 2 m 的支架需核算承載力）。

圖8 消防泵房施工實例

5 綜合支吊架安裝工藝

測量放線時充分考慮設備房間墻體砌筑尺寸，通過與管線垂直相交的墻體位置線確定風閥位置，并據此反推支吊架整體施工區域和優先施工支吊架底座的區域。施工作業時采用先風管后墻體施工時，垂直墻面的管線與路由如遇到不同高差時應優先施工較大截面的管線。為控制預留段兩側綜合支吊架同層管線高程差，可通過支吊架立桿進行二次測量與控制線調整，同時在支吊架立桿上畫控制線與定位線。

環控機房是管線密集的集中區域，易存在支吊架沖突、管線沖突、支吊架與吊裝葫蘆沖突等情況，施工作業時應優先大跨度區域，管線施工時優先大風管、緊后小風管、然后橋架、緊后水管。通風空調專業風管受混凝土與墻體砌體工程的制約較大，應將設備區走廊作為施工管理的關鍵路線，設備區垂直管線的墻體作為次要路線，統籌進行施工作業工序安排與部署。完成綜合支吊架安裝后，通過水平儀控制兩側支架橫擔及墻體預埋套管的高程差，使施工誤差控制在安裝允許范圍內，同時在支架立桿上進行標高控制點的標識。管線密集區域優先施工最上層管線，采用先附件與異形件、后平直與標準段工序，在距離異形件 1 200 mm 內的標準風管、2 000 mm 內標準橋架需保留平直段，用以調整生產制造與施工作業中的誤差。

設備機房內風機設備定位應優于異形件與管道附件施工，通過實測風機高程對各系統管線進行走向排列。橋架預制加工與通風專業略有不同，橋架與橋架的拼縫應避開下引漏斗，以免出現不均勻高低差拼縫現象。上層風管裝配式施工完畢后，下層橋架的水管根據風管預留段、調整段進行深化設計與調整，使水管、配電管線與風管裝配施工一致，達到排列有序、整體美觀的效果，如圖 9、10 所示。

圖9 BIM 管線綜合模型

圖10 裝配式管線預制施工效果圖

6 施工管理措施

預制管線裝配式施工時應與施工計劃橫道圖相結合，協調各專業施工工序，及時調整各專業間制約因素。管線裝配施工時充分利用 BIM 模型的立體性、直觀性和協調性，厘清各專業錯綜復雜的相互關系，利于工程建設動態的進度控制。管線裝配式施工通過 BIM 模型實現施工現場與管線模型的綜合聯動，可體現機電安裝工程中影響工期的關鍵工作和關鍵路線，利于抓住主要矛盾，可有效反映出工作路徑具有的機動時間，以便進行更為合理的組織保障與管理指揮。

墻體砌筑與粉刷完成后，將風閥與標準管段連接，管段吊裝放置后進行局部調整性施工，調整節尺寸按照 BIM 模型進行生產，管線裝配施工效果如圖 11 所示。BIM 技術與施工現場的有效融合，可將拆分的管線模塊化，同時預留標準段與調整節以滿足現場施工的臨時調整，確保上下層的梯形排列。同時橋架異形件、三通、四通在 BIM 模型中應單獨生成族文件，將線槽調整節設置在直線段，保證異形件處因電纜堆積造成的橋架高低差錯位。

圖11 設備機房裝配施工成品效果圖

7 本技術的創新性

BIM 技術結合現場勘察與測量，既保證了圖紙的準確性、合理性、優化性，又能及時發現圖紙中的管線碰撞、交叉、錯位等問題，實現綜合管線整體的合理性、包容性、美觀性。采用常規性的綜合管線施工方法，因無法有效地完成異性件、附件的準確放樣，宜造成施工現場的誤差和錯位等。

施工現場引入 BI M 模型的應用，積極采用族文件細化連接方式，實現異形件的尺寸穩定與準確放樣，確保預制件加工的準確性。BIM 模型中高低差 1 000 mm 的橋架默認生成的是 90°垂直連接件，如采用自建族文件設置連接方式，把 90°連接件換成 45°～60°緩坡進行放樣，就能有效保障預制件尺寸形狀與現場施工的一致性。傳統工藝的異形連接件生產周期為 15～20 d，引入 BIM 模型后可將生產周期縮短至 5 d。

BIM 模型中應對預制管線進行分段編碼、分機房編碼，能有效區分管線位置與用途，能有效區分材料領用與使用部署，能有效統計施工現場的材料使用狀況和作業進展。利用 BIM 模型進行機電管線的工廠化預制，不僅加快了機電管線的生產制造進度，又能減少施工現場的二次加工與切割量，更是利于施工現場的安全文明管理。

8 經濟效益

基于 BIM 模型的機電管線裝配式智能施工技術具有精度施工、工序科學、材料節省、施工安全、節約造價的特點［8］?，F以無錫地鐵三號線五湖大道站為例，具體分析本工法在節約造價方面的經濟效益情況。無錫地鐵四號線五湖大道站為地下 2 層島式車站，車站外包總長 184 m，標準段寬度為 19.7 m，車站有效站臺中心里程處基坑深度為 15.79 m，覆土 3 m。原管綜設計方案為正常工序施工，新方案采用 BIM 模型科學調整管綜施工工序，優先施工管道異形件與附件，達到動態施工、智慧施工的效果?，F將原方案與新方案的主要材料設備單價和數量情況進行對比，該數據來源于本工程的投標報價及變更工程的審定單價［9］，如表 1 所示。

表1 主要材料設備造價對比表

從表 1 對比分析可以看出，應用 BIM 模型進行管線綜合裝配式方案相比于常規管線綜合施工方案節約材料成本造價 455 131.9 元。若考慮到施工機械投入減少、人工作業效率提升、施工安全性能提升等方面，經濟效益將更加顯著。

9 結語

基于 BIM 機電管線裝配式智能施工技術，具有施工精度高、工序轉換科學、合理節省材料、施工安全可靠、成本節約明顯等特點，提高了裝配式管線的一次成型率和材料的損耗率，減少管線碰撞和后期拆改工作，且減少現場加工更具有節能環保特性。積極地引入 BIM 技術參與管線碰撞、異形件分析、機電安裝三維展示，提高了裝配式管線的一次成型率、綜合利用率、生產周期率，對機電安裝裝配式施工等類似工程具有很高的參考價值。

基于 BIM 模型的機電管線裝配式智慧施工技術，更是得到了當地市質檢站、建設單位、監理單位及設計單位的一致認可，在項目實施過程中不僅縮短了整體工期，更是提升了施工安全性，更為運營單位的檢修與維護創造了便捷的條件。Q