BIM 技術在地鐵車站綜合管線碰撞檢查中的應用

竇曉民

（濰坊昌大建設集團有限公司，山東 濰坊 261205）

BIM 技術在建筑行業中是一種創新的建筑設計、施工和管理方法。通過BIM 技術，可在計算機中構建虛擬建筑物，為該建筑物提供一個完整的邏輯架構信息數據庫[1]。在此數據庫中，不僅包含描述幾何形狀的視覺信息，而且還包含大量非幾何信息，例如材料的耐火等級和傳熱系數、零件成本、采購信息等。它使工程人員不再受制于如何使用傳統的2D 施工圖來表達3D 復雜的形狀空間，從而極大地擴展了工程人員的建筑形式表達能力。從另一個角度看，BIM 等同于一個數據庫，該數據庫記錄建筑物在不同階段的所有數據信息，包括建筑物的幾何、數量、時間等物理特性[2]。BIM 的本質是在生活中記錄這些數據項目的周期，方便在后期的項目建設和運營管理中發揮作用。

2003 年，BIM 技術開始用于中國建筑行業實際項目，并開展了相關研究工作。到目前為止，中國有很多業主、設計和建筑企業都在不同程度上使用了BIM技術[3]。特別是在2008 年之后，BIM 的應用程序有了一定的發展。它被用于越來越多的工程項目中，并已成為中國建筑業發展的寵兒。二維平面圖不能解決的問題都可以通過BIM 技術解決，在最初的設計階段，BIM 技術將為建設項目創建一個三維信息模型，這個三維信息模型在內部協調一致，這為不同的參與者管理項目提供了便捷。BIM 作為一種建模工具，也是一種協作的工作過程。在三維建模可視化的過程中，可以模擬工程項目的碰撞檢測、施工進度和分析工程性質。

地鐵站的建設規模較大，建筑結構復雜，在設計和施工階段存在許多困難和問題。在項目設計中引入BIM 技術將帶來巨大的經濟效益，同時又可以解決實際問題，也將為其他類似的建筑項目提供技術參考。

1 項目特點

本文選擇了由站臺和車站大廳組成的某換乘地鐵站。地鐵站有4 個入口，其中2 個通過地下通道連接到地鐵站。該項目面積較大，地下建筑面積約25 000 m2，涉及10 多個建筑單元。由于對技術和管理水平要求較高，施工周期較短，這給施工帶來了很大的困難。具體問題總結如下：①地鐵站附近的地面上有眾多建筑物，車流量大，建筑空間較小；②地鐵站內的管道很復雜，安裝困難；③構件數量巨大，組織協調工作困難重重。

此外，為確保項目按計劃完成，業主強調在施工階段不應進行太多較大的設計變更。這對項目設計人員和施工人員提出了更高的要求。如何提高決策的準確性和效率、減少浪費、提高管理效率等問題，已成為投資者、管理層和總承包商最關心的問題。BIM 的引入，為地鐵車站建設項目管理領域注入了新的活力，因此受到了業主越來越多的關注。

2 BIM 在工程項目中的應用

2.1 遵循原則

在工程項目中運用BIM 軟件進行建筑模型的設計時，應遵循一定的基本準則，具體如下。

三維建模平臺的一致性。建模必須遵循相同的規范，以便構建的平臺可以調用其他用戶的模型，或者被其他用戶調用，以達到精確設計和協作的目的。

結構模型的構建。其中最重要的一步就是按照總體方案的設計任務書，在整個模型中確定各個板塊的位置，并以此來確定基本結構模型。

確立特定的安裝坐標和組裝等。BIM 軟件的建模，不是單純地像二維繪圖一樣使用點、線、圓、弧等繪圖工具，而是采用了墻體、梁、柱等結構構件，和繪圖軟件有很大的區別。在工程結構設計中，建筑構件的設計指標是通過輸入參數來實現的。BIM 軟件能夠準確反映出整個建筑的各個單元，各個單元既獨立，又相互聯系。在設計師、結構工程師修改了某一單元的屬性后，可以實時對其進行更新，使各單元保持獨立性、相關性。利用BIM 軟件能展示平面圖、立面圖、剖面圖、詳細圖等，快速地將有關信息反映出來。在設計參數變化時，根據不同的參數，該模型也會相應地進行調整，以適應新的需求。

元祐七年（1092）三月，蘇東坡赴任揚州知府。蘇東坡來，米芾走。本來在揚州做官的米芾，奉調雍丘任縣令。蘇東坡于是做東，招待朋友，順便為米芾餞行。蘇東坡雖然官做得不是很大，但人緣極好。聽說蘇東坡請客，一時名士云集，高朋滿座。大家盡興而來，乘興而飲。米芾喝得有點高。他端著酒杯走到蘇東坡面前，問：“世人都說我是個癲子，今天我要當面問一問蘇大哥，請您來評一評，我到底是不是癲子？”（“世人皆以芾為顛，愿質之子瞻！”）

2.2 綜合管線優化方式

機電設備一體化管道的深化設計是一個復雜的過程，傳統的優化方法是通過CAD 軟件不斷地對平面圖進行修正，最終形成多個不同的管道平面圖。目前存在的問題有：①設計圖紙經常更換、大范圍的改動，耗時耗力，造成大量的人力資源浪費；②各類專業資料繁雜，圖紙管理不規范；③常規的優化方法不可避免地會出現錯誤、漏、差、碰等問題，導致工程質量差、返工嚴重；④在工程建設中，下料計劃與實際需要有較大差異，從而造成了工程造價的困難。

目前，利用Revit 建立的BIM 綜合模型，按照設計圖紙和BIM 模型的有關規范，可以對各種可視參數進行分析。利用Navisworks 軟件進行機械設備的碰撞檢測與優化，采用BIM 技術進行最優設計，可以有效地彌補平面圖優化方法的缺陷，縮短工程進度，減少返工次數，提高工程質量和工程建設的整體管理水平。

2.3 應用程序

BIM 技術在該項目中的應用主要涉及2 個方面[4]：①建立基于BIM 技術的地鐵站項目詳細模型。②檢查整個項目中專業人員之間的沖突；模擬整個項目，即4D 施工模擬，分別討論BIM 的應用。綜合管線將單個專業工程模型合并為一個統一模型，可以真正反映專業管道的空間分布和相互關系。

2.3.1 3D 模型的構建

從整個建筑的生命周期來看，三維模型是一個不斷改進和擴展的數據庫。在地鐵建設過程中，三維建模的擴展界面可以對工程進度、成本、質量、安全等多個方面的信息進行連接和整合，從而構成一個整體的控制模型。因此，3D 建模是建立一體化控制模型的基礎。

在BIM 技術中，工程項目的信息集成是將相關的工程數據集中到一個統一的標準數據庫中，而3D 模型作為構建集成控制模型的基礎，需要具備三大特性：完整性、關聯性和一致性。3D 模型構件的表達是集成控制模型的基礎，而圖元是實體3D 模型的基礎。圖元是繪圖的基本單位，是由特殊的圖形元素和特征組合而成的。模型圖元和注解符號圖元兩部分組成三維模型：模型圖元代表建筑的實際三維幾何，分為2 類，分別是建筑圖元與臨時圖元，BIM 模型主體的圖元是建筑圖元，隨著工程進度而改變的其他實體是臨時圖元；注解符號圖元分為2 種，一種是標記和解釋模式的圖元，另一種是建立非實體環境的參考圖元。

根據客戶提供的2D 圖紙，通過BIM 軟件建立3D模型，包括建筑、結構、排水、HVAC、電力等模型。整體項目模型如圖1 所示。

圖1 整體項目模型

2.3.2 碰撞檢測

碰撞檢測主要包括以下3 個方面。

第一，建筑模型中的不合理碰撞，即建筑物和結構之間布局的不合理。例如，根據2D 結構圖利用BIM技術畫成3D 模型之后，光束的仰角太低而無法為通道留出足夠的凈空間。

第二，架構和管道模型之間的沖突檢測，例如排水管與梁碰撞點示意，如圖2 所示。必須調整此類碰撞，工程師通常會調整管道的位置。但是，如果建筑物或構筑物不合理，則也應進行調整。

圖2 排水管與梁碰撞點示意

第三，電力、排水、HVAC 設備之間的管道碰撞檢測，例如給水管與送風管碰撞點示意，如圖3 所示。使用Revit 繪制Composite3D 管道屬于精細設計。可以通過Revit 軟件的自動檢測功能來檢測管道模型中的碰撞，特別是在管道很多的地方。然后，具有豐富施工經驗的工程師會從檢測的碰撞中選擇需要調整的碰撞。最后，采取報告并將其發送給項目部門以作出最終決定。管道的碰撞檢查對于滿足某些工程嚴格的高度位置要求非常重要。

圖3 給水管與送風管碰撞點示意

2.3.3 施工模擬

施工過程和每個組件的進度由4D 施工模擬反映。它以三維形式表示每個時間點的項目狀態[5]。在設計的早期階段，4D 施工模擬可幫助工程師發現在實際施工階段中遇到的各種問題。在早期處理各種問題，能為施工后的活動順利進行打下堅實的基礎。施工模擬視頻可以在以后的構建中用作實踐指導。根據施工模擬，項目部可以提供合理的施工方案、勞動力和資源配置等，在最大范圍內實現對資源的正確使用[6]。

3 BIM 應用程序的價值

通過碰撞檢測和管線優化，可以發現設計圖紙中可能存在的碰撞問題，并提出合理的解決方案。因此，它可以有效減少施工階段的設計變更或修改次數，盡量減少施工過程中可能存在的返工和浪費，進而節約投資，縮短時間[7]；能夠讓各個專業在設計過程中更加及時、高效地銜接，并在設計時對各個專業的設計進行同步的更新和優化。碰撞檢驗在多學科協作設計中起到制衡和制約作用，使得多學科設計“求同存異”，并定期進行多學科設計的協調評審，以解決設計中的矛盾，使設計更加完善和精確。

在此地鐵站工程中，應用BIM 技術來構建整個專業模型。將構建好的BIM 模型導入Navisworks 后，檢測到部分問題，如表1 所示。

表1 碰撞的類型和數量

上面提到的大多數檢測到的碰撞在施工過程中無法調整。BIM 工程師根據這些錯誤的特征來調整，并結合特定的構造技術優化模型。這為實際施工提供了準確可靠的依據，并提升了項目的實施可行性[8]。通過碰撞檢查，可以發現并解決設計圖紙中需要修改的問題，減少施工過程中進行大量更改的可能性，避免大量返工，并確保項目質量。

通過4D 施工模擬，根據施工進度表模擬了施工過程。土木工程行業、安裝工程行業的施工進度的4D 可視化已經實現。施工模擬這一技術為管理人員提供了基于進度的更直觀的控制基礎[9]。它為施工現場提供了可視化的施工過程模擬，避免了施工過程中的交叉問題，優化了進度并縮短了工期。它為項目投資的控制人員按階段和工作量提供了統計依據。這將有助于科學的準備工作，并及時分析項目的投資完成情況[10]。例如，施工仿真可以相對準確地預測在地鐵站中各個階段的實施之前地鐵站的建設所需的物料購買量。通過預測物料購買量可以提高下一階段的存儲空間利用率，解決施工過程中施工場地狹小的問題。

4 結論

機電設備的安裝，包括許多系統，如給排水系統、中水系統、雨水系統、消防噴淋系統、暖通系統以及強弱電系統。利用BIM 技術構建的三維模型，可以有效地克服傳統CAD 中二維圖形指導施工的缺陷，并能較好地解決多個專業的一體化管理問題。在復雜的建筑結構和設備管道的地鐵站，使用BIM 技術可以發現并糾正大多數設計錯誤，避免施工過程中的大量變更。4D 施工模擬改變了傳統的項目管理和施工模式，在一定程度上可以提高項目的質量，并可縮短建設周期。與傳統模式相比，BIM 技術為工程項目帶來了巨大的收益，同時也得到了業主和其他參與方的認可。