BIM技术在某高铁站机电系统应用研究

蔺玉璞,孙 威,张 波

(1.山东省建筑设计研究院有限公司,山东 济南 250002;2.同圆设计集团有限公司,山东 济南 250002)

0 引 言

近年来,BIM技术已广泛应用于建筑行业。高铁站中应用BIM技术,利于协助项目方案设计和工程可行性前期分析,通过BIM数字化、可视化的特点,对机电系统进行建模及碰撞检查。目前,我国机电系统的设计和施工图仍由CAD设计,电气、设备等专业各自为政进行,缺少统一的组织及模型整合。机电系统的设备管道种类繁多,若管道之间、管道与建筑构件之间相互冲突,其无法作为具体施工图纸使用,必须进行二次现场深化设计[1-3]。

本文结合BIM技术并以某高铁站为例,旨在解决工程项目中机电系统管线桥架路由碰撞、设备布置空间不足等问题,提高项目机电系统中的建模效率,避免施工返工不利影响。

1 项目概况及工程难点

某高铁站位于某市东北部,规模为2台4线,总建筑面积为9 996 m2,共3层,地上2层,地下1层,-2F为候车厅,-1F为候车室以及停车场;采用高站台乘降列车,线侧候车、线上进站、线下出站。项目主体全部采用钢结构桁架形式,为一级负荷用电单位,并设置柴油发电机。具体机房设置:-1F 设置10/0.4 kV变电室、柴油发电机房、水泵房;1F设置电信接入间、消防控制中心、空调机房、新风机房;2F设置联合机房;2F屋顶设置消防水箱。气体灭火系统设置在变电所、电信室、控制室等场所。

该工程难点有如下方面[4-7]。

(1)工程量大,安装难度高。高铁站比一般公共建筑更注重屋面和外形的设计,对整体效果和空间设计要求较高,结构形式复杂。满足机电系统功能的基础上,还注重美观性,大大增加设计和施工的难度。该工程安装面积大,工期紧张,需要保证施工质量。

(2)管线系统复杂,变更频繁。该工程包含系统较多,各类管线数量繁多,大空间空调、通风、排烟系统的风管尺寸非常大,同时其他专业设备管线层叠交叉,保证净高困难。二维图纸审核存在较大困难,且设计变更频繁,施工图版本较多,须借助三维BM模型,对管线布置进行优化。

2 BIM模型链接与机电系统创建

2.1 BIM模型链接

对于建筑、结构模型,为避免模型数据变大并降低模型的风险管理度,一般采用链接方法,在电气模型中插入链接好的建筑、结构模型底图,倘若对模型进行更新,链接方式也将同步更新以实现协同。

(1)建筑、结构模型链接。将土建专业链接到电气样板中,辅助施以电气专业模型的建立。考虑到机电系统中电气专业的电缆桥架及管道的高度,以及各设备机房的管道出口确定,需要建筑专业配合留余足够的空间高度,或者结构专业在墙体上预留洞口,以解决空间净高度不足的问题。

某高铁站局部平面图如图1所示。

(2)设备模型链接。为实现机电系统更完善的设计,需要Revit链接设备专业图纸,以与电气桥架等装置检查碰撞和冲突。该项目-1F包含配电室、柴油发电机房、消防水泵房、空调机房等房间,机电系统设备机房成为项目深化的难点。在高铁站过程设计中,传统CAD流程是各专业单独设计二维平面图纸,缺乏层次感和立体感,不能清晰地表达综合模型各专业的空间分布情况,极可能会导致设计安装碰撞等问题产生。利用BIM三维模型能够清楚地显示各专业间的空间分布情况,方便及时调整管线位置与标高,避免返工减少浪费。机电系统局部BIM模型如图2所示。

图2 机电系统局部BIM模型

对于暖通系统,考虑高铁站内办票大厅、候车大厅等空间最大高度大,为了能最大限度的降低能耗,在空调系统方案选择时需要考虑其特殊性,均采取全空气、分层空调系统加上外排风的措施。

对于给排水系统,为达到各方对用水量、压力及水质需求,水系统分开设置并计量,包括生活水和消防水系统,组成独立、安全可靠的供水系统。高铁站室外给水系统为生活、消防合用给水系统,由2根DN500给水管沿干道在航站区红线范围内由南向北贯穿高铁站敷设,保证供水的可靠性。高铁站内各单体建筑物生活、消防用水分别由室外给水管网上接出支管供给并各自设置水表单独计量。

2.2 机电系统创建

BIM技术应用于高铁站机电系统,可以解决传统二维平面设计中的一些固有问题,如桥架选择路由的布置,变配电室机柜机房的合理排布,灯具插座墙体上安装方式等,有效地将模型建立规范化。

机电系统模型建立的大体思路是:熟悉CAD图纸,了解工程项目概况;在Revit环境中建立项目模板以及建筑、结构BIM模型;电气专业建模,包括照明及桥架路由的设计;完成机电系统建模,进行碰撞检查,优化模型。

2.2.1 创建电气项目样板

项目样板主要包含视图划分、可见性设置、视图的深度设置以及过滤器设置等。在电气专业中,在同一个视图内根据子系统可划分为动力子系统、照明子系统、弱电子系统、消防子系统4大系统,需要相应建立4种视图模型。

电气样板创建过程:① 选择鸿业BIM,以Revit 2016位平台,建立电气项目模板,并添加链接建筑、结构模型;② 设置电气模板,添加修整视图样板、过滤器,以及电气专业的子系统分配与框架;③ 添加族构件,建立族构件的属性信息,并添加或修改族构件相关的信息;④ 编辑项目浏览器,合理组织项目浏览器;⑤ 创建过滤器,促进多专业协同工作和更深化的设计与绘图。

(1)视图样板划分。建立“楼板平面”,设计平面视图。轴网等信息以底图的形式呈现,待轴网建好,再细分电气专业内容。

(2)过滤器设置。BIM技术人员依照某高铁站建模要求构建电气专业过滤器,以解决Revit默认过滤器不足的问题。正常情形下,使用过滤作用建立的过滤器包含供水和排水的市政供水,不同分区的供水和回水,污水和废水流等信息;暖通空调系统包含冷凝水、冷冻水等,必要时使用过滤器操作处理空调系统的供水和回水等内容;电气专业的相关设备主要是强、弱电桥架。电气专业建模时,可以有选择地过滤隐藏其他专业。

2.2.2 电气专业建模

(1)照明设计。使用Revit建模软件进行照明布置时,通过链接各专业模型建立吊顶、天花板等的楼层高度,然后应用BIM电气建模确定灯具和开关插座详细位置。用Revit设计照明设备时,首先确定布置的安装面,具体操作方法如下:插入—族—照明设备(插座)等。确定天花板布置吸顶灯,安装墙壁以确定插座开关等,并防止与其他专业设计发生冲突和碰撞。通过不断地切换二维及三维视图,保证吸顶灯或吊灯装置位于合理位置。

在高铁站的办公室等场所采用T5荧光灯,走廊等位置采用节能灯,大厅和办公范围等经过室内精装的房间照度均须符合GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的相关技术要求,其各项指标均应符合设定值:办公室3 00 lx,变配电室2 00 lx,泵房、空调机房100 lx,走廊等处50～100 lx等。

(2)电缆桥架设计。利用BIM技术进行电气电缆桥架设计,每个子系统的电缆桥架都以相同方式绘制。具体以配电室桥架的绘制方法为例:选择配电室桥架大小为“400×200”直接拖动到工作面板上寻找位置即可,若电气专业走梁下,查看其内部图,主梁为1 m,桥架可以走距地4 m位置。弱电桥架绘制方法相同,以-1F桥架敷设为例,桥架安装均符合GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》相关章节规定。某高铁站强、弱电电缆桥架三维模型如3所示。

图3 某高铁站强、弱电电缆桥架三维模型

(3)电气机房设计。机房建模主要关注高低压柜、变压器柜及弱电机柜的模型实体与建筑空间的尺度关系,利用Revit软件或插件里面的族和图库直接建立柜体模型,若施工图设计是非标柜体,则需要查实准确尺寸,并通过“插入—族—电气设备—XX柜”命令建立柜体模型,并按照二维图纸方案内容进行设备排布,选择“GCS型低压配电柜-MCC柜”,建模过程及类型属性。安放设备模型时需要注意设备与设备之间、设备与土建围护结构之间的位置及距离,具体要求参照GB 51348—2019《民用建筑电气标准》。

如低压配电柜前面的操作通道最小净宽,固定柜1.5 m,抽屉柜1.8 m;双排面对面布置时,固定柜2.0 m,抽屉柜2.3 m;弱电机柜单排安装时,柜前最小净空1.0 m,多排安装时,列间距不小于1.2 m。

电气专业系统设备繁杂,Revit软件不能够完全代替CAD出具施工图,由于Revit自带电气族类型很少,建模中的大多数电气族通过载入族的方式添加,现实中存在设备族不全的问题。而对于防雷接地图和系统图等,则需要CAD补充出具二维图纸。

某高铁站电气机房三维设备图如图4所示。

图4 某高铁站电气机房三维设备图

3 BIM模型碰撞检查及深化分析

3.1 碰撞检查过程及方法

各专业建模完成之后,需要对其专业内和专业间进行综合性的冲突检查,寻找模型中存在的冲突点。具体来讲在检查的过程中,主要从以下3方面进行冲突检测。

(1)进行建筑、结构专业间的合理性冲突测试。例如某结构专业梁的底部太低,并且距下方楼板仅1 100 mm,明显存在专业间碰撞,不符合建筑设计规范的要求。

(2)进行专业管线与土建专业的冲突测试,若出现专业管线布置与建筑结构发生碰撞时,就需要通过绕弯等处理手法消除这些碰撞,如果条件允许,可以相应调整土建专业内容来配合。

(3)专业管道之间的冲突测试需要对所有管道进行全面的冲突检查,如暖通、给水和排水以及设备管道排布。相比CAD二维图,由于不能直接对各专业管道进行空间排布定位,只能叠加各专业管线到一张图纸内,存在各专业管线交叉的情况。如果不对其进行协调,就会对机电系统工程的施工产生多方面的不利影响。

3.2 碰撞检测结果及优化

冲突检查的信息量过大,分为分区检测和构件选择两种检测方式。利用Navisworks软件进行冲突检测,检测完成生成碰撞报告。取两处碰撞为例,碰撞测试结果如图5所示。

图5 碰撞测试结果

报告显示碰撞名称、位置及碰撞点,并且每个碰撞位置都自动附带碰撞图像。技术人员根据碰撞报告,查阅冲突的位置,返回到Revit软件中,精确且高效地查找到碰撞位置点,更正其碰撞点管线、桥架等设备的碰撞位置点。

在优化分析阶段,建模人员对电气专业设备管线进行布置,考虑机房及走廊有限空间内安装、检修空间的预留。按原图纸建模后发现给水管位于电缆桥架上方,且给水管为了躲避上方喷淋支管,在很短的距离内两次煨弯,不利于给水系统正常运行。依照建筑设计规范,桥架不宜敷设在水管道的下方。故对管线进行修改和调整,变更桥架安装位置,具体操作方法:将电缆桥架上翻,利用Revit中“拆分图元”的方法,打断桥架拉伸,然后将拆分后的部分上翻300 mm,将偏移量调制4.3 m,最后进行连接。将电缆桥架、线槽高位安装,移至水管上面,水管相应减少一个弯头,同时将桥架在保证安全间距前提下,平行消防水管布置,安装在通风管道的低位。通过组织施工管线的模拟分析,解决了众多复杂管道带来的复杂排布问题,使建筑工程进展更加顺利,避免了返工。综合管线优化的结果不仅符合规范要求,而且更加节省建筑空间。

4 结 语

BIM技术作为三维信息化建模深化设计的工具,较好地解决了在实际施工之前对机电系统管线综合和碰撞检查。高铁站项目结构复杂,参与设计施工方众多,传统的设计方式各专业只注重自身专业设计,空间位置易产生冲突,二维图纸很难找出冲突部分。利用BIM技术,使各专业模型可视化,可以很直观地看出各专业构件间位置关系,进行碰撞检查,及早发现设计中不合理地方,避免返工。同时链接土建、设备专业和CAD模型,并着重对电气专业建立样板,照明、电缆桥架及电气机房建模设计。BIM技术在机电系统设计方面极大地提高了建筑电气设计的质量和效率,进一步提高建筑业的发展空间。