基于建筑信息模型技術的城市軌道交通站后工程設計優(yōu)化應用研究*

段軍朝 賈銳奇

(1. 中建三局基礎設施建設投資有限公司， 430061， 武漢； 2. 中建三局軌道交通公司， 430061, 武漢； 3. 中建三局集團有限公司， 430064， 武漢; 4. 中建三局安裝工程有限公司， 430064， 武漢∥第一作者， 高級工程師)

城市軌道交通站后工程一般指除車站、區(qū)間、停車場和車輛段等土建工程以外的施工內容總稱。站后工程主要包括軌道、通信、供電、綜合監(jiān)控以及常規(guī)水電風等十幾個專業(yè)系統(tǒng)，具有施工工期緊、作業(yè)空間狹小、管線錯綜復雜、系統(tǒng)間接口數量大、統(tǒng)籌協調工作量大等特點。站后工程機電管線的綜合優(yōu)化設計對施工質量、系統(tǒng)調試和試運行有著至關重要的影響，其施工質量直接影響列車的行車安全。因此，采用BIM(建筑信息模型)技術對城市軌道交通站后工程施工圖設計進行優(yōu)化，對解決站后工程建設過程中的多專業(yè)協同設計困難、施工環(huán)境復雜多變、建設信息不流通等問題而言尤為重要。同時，BIM技術的實施可有效采集、加工、協同和存儲項目信息，對項目的規(guī)劃、建造和成本進行整體把控，可提高施工組織、技術創(chuàng)新、施工圖設計及施工管理水平，實現項目的“ 設計安全、建設安全、運營安全”[1]。本文依托成都軌道交通6號線三期工程，對BIM技術在站后工程設計優(yōu)化中的應用做了具體研究分析，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都軌道交通6號線三期工程全長23 km，均為地下敷設，設車站18座(含換乘站9座)、停車場1座。該線列車為8節(jié)編組A型車，線路等級速度為80 km/h，設計的最小行車間隔為2 min。

2 設計優(yōu)化體系建設

2.1 設計現狀

目前國內設計院進行工程設計時，往往只是根據設計規(guī)范和建筑功能需求對本專業(yè)的整體狀況和系統(tǒng)組成進行說明性設計，設計圖較為粗放，錯漏碰缺和不明確、不細致之處較多[2]。而城市軌道交通工程的設計過程中，建設單位會多次組織運營、設計、施工及供貨商等單位共同參加設計聯絡會，明確擬使用材料和設備的具體品牌、型號、規(guī)格等技術參數，并對材料樣品、設備樣機進行性能測試和檢查。驗證合格后，設計人員需將施工時所安裝的設備、材料的主要信息繪制于設計圖中，方可出具施工圖，從而導致各專業(yè)施工圖的設計周期較長。

2.2 設計優(yōu)化體系

在設計優(yōu)化體系建設中，應以設計信息的協同與交互為主。建設單位統(tǒng)籌建立設計優(yōu)化體系；設計監(jiān)理單位、設計總體院、總承包管理單位制定標準、建立審查機制、參與設計管理，并提供技術支持；各工點設計院和各標段施工單位進行具體模型的創(chuàng)建和優(yōu)化，出具施工圖紙，落實設計優(yōu)化工作。

2.3 模型標準

模型標準需規(guī)定模型中實體構件的幾何元素和非幾何信息的分類和命名規(guī)則，專業(yè)工作集拆分原則，模型的深度、精確度和完整度，文件大小、整合要求及交付標準等[3]。如表1為風管及其附件的部分實體幾何構件的命名規(guī)則，表2對給排水系統(tǒng)部分管道類型的非幾何信息進行了明確。統(tǒng)一構建信息分類和命名規(guī)則便于各專業(yè)設計人員間的協同和數據分析。

表1 風管及其附件部分實體幾何構件的命名規(guī)則

表2 給排水系統(tǒng)部分管道類型的非幾何信息命名規(guī)則

3 施工圖設計優(yōu)化

3.1 設計信息交互

根據初步設計圖紙、設備基本信息數據，可在Revit軟件中建立結構、建筑及機電等各系統(tǒng)的BIM模型。利用Navisworks軟件對項目模型信息進行整合后輕量化輸出，各專業(yè)設計人員查看設計效果，審查初步設計中的矛盾與錯誤。如圖1所示，車站結構風道設計在制冷機房的頂部，使得局部區(qū)域安裝空間不足，風管存在較大翻彎，風阻變大。通過綜合模型的可視化分析，設計人員及時修改了機電設計方案，確保系統(tǒng)負荷滿足要求。

圖1 結構風道與空調風管設計沖突

3.2 綜合建模排布

利用Revit軟件建立各個專業(yè)的初步設計圖紙模型。為了保證系統(tǒng)的完整性，模型信息精度等級須達到LOD(精度標準)300[4]。表3為水泵模型按不同的精度等級逐步完善的信息列表。

表3 水泵模型的信息精度等級表

在完善模型信息后，按照區(qū)域凈空要求，充分考慮施工組織、支吊架設計、檢修操作所需空間，整體規(guī)劃機電管線的排布。車站站廳層設備區(qū)走廊綜合管線排布效果如圖2所示。未確定具體尺寸的設備和部件可按設計最優(yōu)原則初步預留安裝空間。

圖2 車站站廳層設備區(qū)走廊綜合管線排布圖

3.3 碰撞檢測分析

碰撞檢查后的施工圖調整如果缺乏各專業(yè)之間的協調溝通、同步調整，則會產生新的碰撞位置，導致設計效率低下[5]。首先應進行機電各專業(yè)與建筑結構專業(yè)的碰撞檢查，這個過程可能會出現誤判。人為進行碰撞點篩選后，根據碰撞檢測報告結果對原設計方案進行機電管線調整。根據文獻[6]對車站中碰撞點所屬專業(yè)系統(tǒng)分布數據進行對比，其中,通風空調專業(yè)中的風管是比較容易產生碰撞的點，對該系統(tǒng)相關的碰撞調整是設計優(yōu)化的重點工作。

3.4 設計聯絡分析

按照城市軌道交通項目機電設計的特點，在設計聯絡的同時，采用漫游的形式進行內部構件信息排布檢查，利用Fuzor軟件與Revit軟件雙向實時同步對模型進行修改[7]。在協同模式下，在Revit中修改風機的屬性信息，可在Fuzor中同步更改，從而可以采用可視化方式分析設備的合理性。在設計聯絡確認無誤后進行模型的二次優(yōu)化，確保在設計、采購、施工等不同階段模型信息的一致性，提高設計效率。

3.5 精細化調整

在綜合管線完成后，需對局部管線進行精細化調整及系統(tǒng)整體復核計算，在原設計標準上對管線尺寸進行優(yōu)化，在特殊區(qū)域進行非標構件接駁布置，以充分考慮運營階段的維保需求。如圖3所示，風閥執(zhí)行機構的控制線接駁位置與控制線路橋架位置相對應，多個執(zhí)行機構設置于同側；如圖4所示，多根并排消防水平管道上的閥門應錯位安裝。

圖3 風閥執(zhí)行機構與控制線路位置示意圖

圖4 閥門錯位安裝

3.6 支吊架優(yōu)化

根據綜合管線圖紙導出需要設置支吊架的剖面，用支吊架受力分析軟件進行支吊架的設計排布、材料選型、應力計算和承載力驗算。如圖5所示，某抗震支架的直角雙面桿件采用41/2.5/K槽鋼、21D/2.0/K雙拼槽鋼和62/2.5/K槽鋼，連接件采用直角雙面連接件。支座采用21-72槽鋼底座，分別在混凝土表面固定，支架間距為2 m。在設計載荷下，模擬分析得到各單元的拉應力、壓應力、剪應力如圖6所示，支架設計選型及優(yōu)化滿足荷載要求。

圖5 抗震支架示意圖

a) 拉應力(單位：MPa)

b) 壓應力(單位：MPa)

3.7 設計優(yōu)化出圖

在各職能部門的審批過程中，因不同部門對設計優(yōu)化圖紙資料的需求不同，缺乏統(tǒng)一交付標準[8]。此外，國內各家設計院的出圖標準均有所不同，導致設計單位與施工單位的設計優(yōu)化結果無法協同輸出。而依據統(tǒng)一的出圖標準，在模型中對各圖層的屬性進行規(guī)定，精細化調整優(yōu)化后的施工圖可直接出圖,如圖7為車站站廳層空調大系統(tǒng)的設計優(yōu)化圖，完成后的模型可直接將該圖導出。在施工生產中，利用該優(yōu)化模型，根據需求可生成任意位置的平、剖面圖用于指導施工，既可減少二維圖紙重復繪制，還可提高設計效率[9]。

圖7 車站站廳層空調大系統(tǒng)設計優(yōu)化圖

4 結語

1) 基于BIM技術的設計優(yōu)化可大幅度縮短設計周期，提高設計和設計聯絡的效率，節(jié)約設計成本，為城市軌道交通工程的協同設計提供有力支撐。

2) 基于BIM技術的設計優(yōu)化是對傳統(tǒng)施工圖設計的持續(xù)改進。利用模型信息共享和協同優(yōu)化，可提高設計生產效率，有效解決設計錯漏和不精細等問題，是工程精細化管理的依據，可實現建造品質的提升。