基于BIM技术的综合管线设计在地铁中的优化分析

李 伟, 黎芸含, 王晓初, 熊 龙

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

地铁车站管线安装与施工的过程,信息繁多、参与专业众多,能够体现项目质量水平[1],由于通风、电力、消防、暖通等十几个专业系统以及信号、通信、综合监控要在极为有限的空间内完成安装.如何高效地利用建筑内部空间,使得内部结构与管线间能够尽可能地减少相互碰撞、图纸返工等这些在施工过程中经常出现的情况已成为难题.二维图纸的非可视化表达造成的不能够系统、直观和完整反映管线安装及施工过程中的真实情况的问题,使得各专业之间的问题无法完全凸现出来.将建筑信息模型技术(BIM技术)的管线设计应用于地铁项目,有效地降低了地铁综合管线信息由传递速度过慢导致的时间消耗,可提高各专业施工的整体效率,节约各方的时间与资源投入,加强各方沟通及操作的协同性,具有深远的意义及广阔的前景[2].

1 BIM的三维建模技术

三维建模的实质是通过项目数据信息将二维平面图纸进行三维立体化.第一,可以将建筑物实体化,可以直接计算和分析出各个构件的详细信息.第二,施工周期的仿真模拟以及碰撞分析检测等都是基于三维数据模型开展的,因此二维图纸转换为三维模型是进行所有后续工作中最重要的一步.第三,模型精确程度决定了后期分析的精准性.

以往简单的绘图软件做出的图主要由点和直线等基本元素组成, 而BIM技术则是利用实体物构件集来绘制模型, 相比于二维图纸更立体化. 建筑物的整个设计过程是通过修改软件内部自带的建筑构件参数信息, 以快速和高效地绘制模型.BIM技术既有独立性, 又有相关性.当设计师更改了任何单元构件的属性后,整个建筑模型会立即按照修改后的属性做出调整. 在项目设计阶段,利用BIM技术可以实现迅速地查看各个部位的三面图及详图等[3]. 在使用BIM技术对建筑模型进行建模期间, 必须遵循3个基本原则和标准. ①三维建模必须在同一平台. 建模标准在保持统一的情况下,统一平台间的互相调用, 也能保证设计的精准性和协同性. ②建立统一的结构模型. 根据设计任务的总体规划,为了确定基本的结构模型, 应在设计的开始阶段就定下每一个板块在整体模型中的坐标定位. ③具体安装坐标的建立及装配.

2 BIM技术在地铁项目综合管线碰撞中的应用优势

BIM技术为各专业搭建了统一的信息技术平台,建筑项目的各类信息在平台中的传递过程都具有协同性和时效性.各专业之间的信息可以得到及时地沟通与协调,有效地减少了因各方沟通不及时导致的问题.运用BIM技术对管线进行碰撞检测分析,在设计阶段有效地避免了后期施工过程中出现的设计图纸更改情况[4].BIM技术作为一种信息集成化的建筑全寿命管理模式,大幅度地提高了建筑项目施工的工作效率,为建筑从业人员带来很大的便利.

根据以往地铁管线安装过程中的情况来看,设计人员一般都是根据管线的平面布置来绘制二维图纸的,这并不能准确地合理的布置各个管线,而会导致管线与管线之间或者管线与其他地方会发生碰撞交叉.BIM技术引入最新、最全的技术理念,包含构件、给排水以及管线等与建筑相关的全部专业都集成于同一建筑模型中,使得设计人员在设计阶段就可以利用该平台对管线进行碰撞检测并对有问题的部分进行优化协调.通过NAVISWORKS对管线分析时,首先应设置碰撞检查规则,然后选择检查范围,最后导出检查结果,根据所得到的碰撞检测结果对REVIT中存在的碰撞问题进行逐一调整和修改[5].避免地铁综合管线后期出现问题的核心技术就是BIM的三维碰撞检测技术,通过该技术可以全局调整和优化管线的布置,大大降低了设计错误率.研究指出,通过运用BIM技术,可以缩减4%～8%项目工期,缩短18%～20%专业间的沟通时间,加快施工速度[6].

应用BIM技术对地铁综合管线碰撞检查时主要的优势体现在:①与传统二维设计相比,BIM技术所创建的是三维立体化模型,创建的模型比例都是按照建筑的实际尺寸缩放而得,有很高的精准度.以往不能用二维图纸所表达出来的详细部位都能以BIM技术呈现出来,并能更加直观地发现隐藏问题;②BIM技术能够检测不同专业中与不同各专业间管线存在的问题,根据导出的检测结果清单对各问题逐一优化和调整,在设计阶段就能提前解决后期在管线施工过程中会出现的所有问题,能够大幅度地节约时间和成本;③项目中各专业在模型中的任何位置,都可以用三切面图以及三维图来全面、详细地查看此处各设备、管线的具体安装位置,有利于施工人员的安装.以往传统的方式都是通过肉眼和施工人员的专业技能去识别和想象二维图纸的管线布置空间状态,这难免会出现判断失误的状况,但通过利用BIM技术对管线碰撞进行整体智能检测,避免因管线碰撞导致的图纸返工修改而造成的施工进度延误,从而提高施工效率[7].

3 基于BIM技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用实例

3.1 项目概况

该地铁车站周边的建筑十分密集,道路交通复杂,车流量大.该地铁地下2层,采用9 m无柱岛式站台.全长38.4 km,共设有车站25座,平均站间距1.5 km.采用地下及高架线的铺设方式,高架线10.8 km,地下线27.6 km.车站主体标准段宽18.6 m、埋深18.6 m,采用盖挖逆作方案施工.

鉴于车站周边复杂的建筑环境给车站结构设计带来了一定的限制,主要体现在车站结构的施工环境受限,综合管线施工空间狭小,综合管线的设计和施工安装都面临巨大的挑战.复杂的工程环境导致该地铁各专业间协调困难、施工难度高.根据地铁建设的总体目标,该工程采用BIM技术对地铁综合管线创建模型,把各专业模型统一合并后再开始三维碰撞检测,提前排查设计失误.优化了安装过程中资源配置,减少了设计变更,降低了建设投入资金.

3.2 地铁管线模型的构建

该地铁管线的建模阶段采用分专业建模的方法,主要包含给排水、电气、暖通3个专业.三维给排水系统模型、三维电气系统模型、三维暖通模型分别如图1～图3所示.

图1 地铁三维给排水系统模型Fig.1 Subway 3D water supply and drainage system model

图2 地铁三维电气系统模型Fig.2 Subway 3D electrical system model

NAVISWORKS是一个具有施工模拟以及碰撞检测功能的软件,同时还可以和REVIT有着良好的交互.由于地铁综合管线模型包括3个专业,因此,综合管线模型设计图由3个不同专业部门共同完成.首先应将3个专业的管线模型在NAVISWORKS软件内统一整合,然后再开始碰撞检测.在模型的统一整合过程中必须将模型参数调整到一致,以此确保各专业模型能够顺利整合.经过将3个专业管线模型进行统一整合后整体三维模型见图4.

图3 地铁三维暖通模型
Fig.3 Subway 3D HVAC model

图4 地铁的综合管线整体三维模型
Fig.4 Overall 3D model of integrated pipeline of subway

管线安装期间会出现的碰撞大致包括专业间、专业内和具体某一处的碰撞.地铁管线碰撞检测一般是安装期间出现的管线硬碰撞,根据创建完成的数据模型,通过NAVISWORKS将各个专业管线模型进行统一合并,同时还应逐一对管线安装时专业内和各专业间的碰撞进行检测分析.本文利用NAVISWORKS对地铁管线模型开展碰撞分析,查找模型原设计与其他部位存在碰撞的准确位置并对其实施调整与优化.

碰撞分析之前应对目标模型进行定义,并对碰撞类型等参数进行逐一设置.可以通过检测某个项目集而并非针对整体模型检测来定义碰撞选项.在开始进行检测之前,对于碰撞选择框见图5,选项中包括多种类型的碰撞检测分析,但一般选择的是硬碰撞,这类碰撞也是在实际安装过程中出现较多的碰撞.

图5 综合管线碰撞检测的对象选择

Fig.5 Selection of objects for comprehensive pipeline collision detection

通过初步的检测,检测出地铁管线一共有467处碰撞点位.其中包括结构与管道,各管道相互之间的碰撞点位,碰撞报告根据后续优化所需要的信息,生成详细的碰撞报告如表1所示.

表1 地铁综合管线碰撞报告Table 1 Comprehensive pipeline collision report of subway

本项目以BIM的综合管线设计优化为基础,有针对性地解决管线碰撞以及管线空间布局问题.碰撞分析结果详细地给出了各个碰撞问题的具体信息,为设计人员和施工人员提供了具体的变更修改和施工方案,为后期的施工和施工质量提供了有效的保障.综合管线碰撞报告中一共包括467个冲突报告,冲突部位详细报告467份.所得到的报告中包含的单专业冲突分析81处,专业间冲突分析386处.各处报告清晰的列出了碰撞的序号、模样、模型内位置、详细分析及优化.本文有针对性地选取2处关系碰撞实例以此来展开详细地优化描述.

1) 实例1: 暖通与电气的碰撞.

地铁站B负一层机电箱E14和给暖通管道DN85出现交叉碰撞,详见图6(a).碰撞位置在距离负一层地面3.2 m处,在模型系统中的具体位置为x=9.57、y=10.62、z=3.20.

解决方案:由于暖通管道已经位于靠近顶层楼板的最下方,不能再向上做出位置改变,因此解决方案是暖通管道的位置不变,在不影响其他系统的前提下,将平行于E轴的机电箱部分向下平移350 mm,以此合理地避开与暖通管道的碰撞,优化后的结果详见图6(b).

图6 暖通与电气的碰撞实例优化前后Fig.6 Before and after optimization of HVAC and electrical pipelines collision example

2) 实例2: 给排水与暖通的碰撞.

地铁站B负一层暖通管道DN37和地漏水管De110出现交叉碰撞,详见图7(a).碰撞位置在距离负一层地面3.5 m处,在模型系统中的具体位置为x=5.27、y=11.30、z=3.50.

解决方案:由于暖通管道DN37所处位置的管线较多,如果将该管道进行x轴平移,将导致管道前墙体的预留孔洞的位置会发生改变,影响整体布置,管道后部会与其他管线发生碰撞的可能性增加,因此解决方案是暖通管道的位置不变,在不影响其他系统的前提下,将平行于D轴的地漏水管De110部分向左平移100 mm,以此合理地避开与暖通管道的碰撞,优化后的结果详见图7(b).

图7 给排水与暖通的碰撞实例优化前后Fig.7 Before and after optimization of water supply and drainage and HVAC collision example

通过软件分析, 可以逐一得到存在的全部碰撞结果. 将碰撞结果导出并生成报告. 因为涉及到各类型碰撞点很多, 我们一般采用在各处碰撞点批注来协助该点的检测并生成具体的优化报告.

4 结 语

结合BIM技术在地铁站综合管线上的应用,以REVIT所创建出的三维立体模型为基础,利用NAVISWORKS对各专业管线模型整合并进行碰撞检测分析.应用BIM技术的碰撞检测技术可以预先排查在设计阶段存在的隐患,避免因设计失误造成的不必要损失,从而提高设计质量,节约资源.通过分析管线碰撞检测报告,可以在设计阶段调整和优化管线的施工安装问题,解决了在后期项目建设过程中各专业协调难度大的难题.通过采取改进措施实现模型优化,有效提高施工质量,节约资源.