探索BIM技術在福州地鐵機電工程中的應用

黃道營

(福州市地鐵建設工程質量安全監督站 福建福州 350011)

0 引言

地鐵機電工程不同于傳統的建筑工程，它不僅包括建筑工程中的水電、暖通、電氣等工程，同時還包括鐵路工程中的通信、信號、軌道等，系統多且復雜。在機電設備安裝過程中，往往存在設備多、系統復雜、設備材料運輸安裝工程量大、工藝要求高、管線綜合布置難度大、送電調試工期緊等[1]，造成多個專業協調難度大，施工困難，整體質量、安全難以保障，在施工中出現的問題比較多。BIM技術出現為解決這些問題提供了很好的幫助。

1 BIM簡介

1.1 涵義

BIM，即建筑信息模型，BIM施工技術顧名思義建筑信息模型與施工相結合，即建筑信息模型在建筑施工過程中的應用。把BIM技術引入到建筑工程，對提升施工現場質量安全管理、優化變更成本及減少錯漏、提高生產率、加快工程進度、構建綠色建筑等均具有積極的意義。

1.2 優點和潛力

BIM技術作為建筑施工管理的一種輔助手段，可全過程地運用于建筑管理的各個環節，能夠更好地對建筑全壽命過程進行管理，對質量、安全、進度、造價等進行智能控制，對多專業工序、工種進行協同管理，提高工作效率，增加經濟效益。

1.3 國內外發展情況

BIM實踐最初主要由北歐的芬蘭、挪威及新加坡等國家所主導，美國等一些發達國家緊隨其后。經過長期的醞釀及實踐，BIM在美國逐漸成為主流，并對包括中國在內的其他國家BIM實踐產生影響。如今，BIM應用在國外已經相當普及[2]，其中英國政府更是發文要求截至2016年，全面協同3D-BIM強制使用BIM。

我國BIM發展目前還處于起步階段，潛力巨大。國家和地方政府均重視BIM的發展，其中住建部《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中談到“十三五時期，全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力” “普及項目管理信息系統，開展施工階段的BIM基礎應用。有條件的企業應研究BIM應用條件下的施工管理模式和協同工作機制，建立基于BIM的項目管理信息系統”[2]。上海市作為全國首個發布BIM政策的省級政府，至2014年開始先后發布包括《關于在本市推進BIM技術應用的指導意見》等多個BIM技術推廣政策。其他如北京、天津、浙江、黑龍江、深圳、成都、濟南等省市地方政府也不同程度推出相關政策，推進BIM技術在地方區域的發展。如表1所示。

表1 部分推行BIM技術的政策匯總

2 工程概述

根據《福州市城市總體規劃(2017-2035年)》，福州市軌道交通線網將由14條地鐵線路組成，其中地鐵2號線西起閩侯縣蘇洋村，東至晉安區鼓山鎮，整體呈東西走向，線路全長30.167km，均為地下敷設。全線共設車站22座，1個停車場，1個車輛段，其中換乘車站5座，如圖1所示。目前，2號線主體已大部分完工，進入機電(安裝)施工階段。項目的機電工程主要包括通風空調、給排水與消防、動力照明、信號、通信、BAS、FAS等。

圖1 福州地鐵2號線示意圖

因基于傳統二維圖紙的機電安裝工程中，由于安裝空間狹窄或管線過于密集等方面原因，施工現場存在著大量的“錯漏碰缺”現象，不同專業的管線交叉碰撞嚴重，導致安裝空間嚴重不足或安裝效果極差，給機電工程項目管理造成了很大困擾。同時，由于采用二維尺寸圖，圖紙繁且復雜，尺寸多變，容易造成安裝偏差，造成既影響使用功能又影響感官質量，此種情況下，為有效解決上述難點，減少現場協調、管理壓力，2號線部分站點采用BIM技術以走出遇到的管理困境。采用Revit、Rebro等軟件進行BIM建模，主要實現BIM的工廠化預制，并指導工程施工，能夠在施工前提前發現設計矛盾，優化管線布設，降低后期施工返工率，節省變更費用。通過方案設計、擴初和深化施工圖設計，利用Revit、Rebro等軟件對管線布置進行BIM建模，模擬機電設備的安裝順序，模擬不同專業安裝可能存在的碰撞問題，在實現工廠化預制化的同時，提高機電工程安裝準確度，降低工程成本，提升施工現場標準化水平。

3 BIM應用過程

3.1 BIM實施步驟

第一，收集結構、建筑、機電安裝等各專業CAD圖紙，在完成結構及建筑模型的基礎上，依據二維圖紙進行BIM管線建模。

第二，根據管線綜合圖紙，對管線模型進行優化排布，消除碰撞，生成管綜模型。

第三，在管線綜合模型的基礎上對風管三通、彎頭等異形件進行進一步優化，對水管構件、橋架、支吊架按照工廠化加工要求添加標準族庫構件，保證管件、閥門等構件與實物一致，使模型能夠達到工廠化加工水平。

第四，由業主組織各參建方及專家組對BIM模型進行審查，審查修改完成后，對BIM模型圖進行會簽、封模。

最后，對管線模型進行定長分割、編碼，并發工廠進行預制化加工，如圖2所示。

圖2 BIM技術實施流程

3.2 主要應用范圍

在機電項目施工過程中，BIM技術主要運用以下5個方面：

(1)機電管線綜合排布、風水電設備機房深化設計;

(2)墻體孔洞的精確預留、預埋件的精準布設;

(3)水管、風管、橋架、綜合支吊架等工廠化預制；消防泵房，環控機房裝配式安裝;

(4)利用3D掃描技術，通過虛實對比查漏補缺，實現3D掃描技術與BIM模型相結合，保證模型與實體一致;

(5)三維建模，確保尺寸精確，施工看圖過程簡單明了，減少誤差操作，減少后期變更及養護成本。

管綜建模如圖3所示。

圖3 BIM技術管綜建模

4 BIM技術應用效益

4.1 技術效益

地鐵項目機電工程往往具有工程量大、工作環境復雜等特點，在以往施工中，經常會遇到材料運輸管理困難、多專業交叉施工溝通協調難度大、工人野蠻施工現象多、質量安全隱患大等一系列問題，運用BIM技術進行三維可視管理，可以最大限度地降低施工管理過程中一些不確定因素產生：

(1)能夠對原材進行統籌管理，通過歸集材料耗量等，建立主要材料數據庫；

(2)通過對工程材料的工廠化加工和模塊化安裝，實現了機電項目的標準化施工作業；

(3)能夠精準按照設計要求，對機電工程孔洞、管線布置等進行綜合優化，在提升工效的同時降低了反復拆裝造成的材料、人員、時間浪費；

(4)實現了對工程現場的可視化監控，使工程進度管理更加科學，有效解決機電項目中多專業交叉施工問題；

(5)能夠有效減少中間變更手續，提升施工現場生產水平；

(6)在地鐵機電施工領域形成了標準化模式，對優化項目資源配置，提升工程質量安全具有重要意義。

現場實景照片如圖4～圖6所示。

圖4 某站點現場墻體孔洞預留

圖5 現場成品工廠化預制

圖6 現場管線綜合排布

4.2 經濟效益

實施BIM意味著企業前期要增加投入，包括購買軟硬件、聘請專業人才等，但根據研究發現，在實施BIM后期，“隨著相應生產效率的提高，BIM產生的質量、經濟效益將逐步顯現，并對企業產生長期的影響”[3]。美國斯坦福大學整合設施工程中心(CIFE)根據32個項目總結使用BIM技術產生的效果：“能夠消除40%預算外變更，能夠把造價估算控制在3%精確度范圍內；造價估算耗費的時間縮短80%；通過發現和解決沖突，將合同價格降低10%；項目時限縮短7%，及早實現投資回報”。地鐵2號線共設22站，經測算，節約的成本也相當可觀。

4.2.1可節約的成本

(1)風管

每個站大約7000m2，人工制作需要3個大工，3個小工，4個月完成一個車站

單個車站人力成本：(3×260+3×200)×30×4=16.5萬元

22個車站：16.5×22=364.5萬元

機械加工每天800m2，每個站大約9d完成，成本：(3×260+3×200)×9=12.4萬元

22個車站：12.4×22=27.3萬元

節約成本：364.5-27.3=337.2萬元

(2)橋架

每個站大約20萬元，使用BIM后材料成本節約率約為12%(通過優化路徑和科學下料節約)

節約成本 20×12%×22=52.8萬元

(3)水管

每個站大約110萬元，使用BIM后材料成本節約率約為8%(通過優化路徑和科學下料節約)

節約成本：110×8%×22=193.6萬元

(4)采用BIM后實現了孔洞精準預留

使用傳統的綜合管線藍圖孔洞預留準確率為70%,采用BIM孔洞預留準確率為96%，準確率提高了26%，避免了孔洞預留不準確導致后期重新施工成本，每個站節約6萬元

節約成本：22×6=132萬元

(5)使用BIM后提高的施工效率

使用BIM前每個站的施工周期約為7個月，使用BIM每個站的施工周期縮短了1.5個月，節省了人力成本。每個站總計施工成本為300萬元。

1個站節約成本 300/(7-1.5)=54.5萬元

節約成本：54.5×22=1199萬元

4.2.2需增加投入

(1)購置風管加工廠設備總計150萬元，設備折舊率為每年20%，最終殘值為50萬元。2號線生產風管需要1年，折舊費：

(150-50)×20%=20萬元

(2)風管運輸費

由加工廠送至現場，每個站需運送風管25趟，每趟產生成本500元。

累計成本：500×25×22=27.5萬元

(3)BIM技術團隊投入

采用BIM，技術團隊預計投入30號人，每人工資每年15萬元計，產生費用。

30×15=450萬元

(4)軟硬件購買及更新維護

購買各項軟硬件及后期維護預計投入100萬元。

4.2.3累計產生的經濟效益

22個站累計約節約成本：337.2+52.8+193.6 +132+1199-20-27.5-450-100=1317.1萬元。

4.3 安全及社會效益

采用BIM后，施工材料采用工廠化預制、現場裝配式施工，大大降低了現場的噪音及使用加工機具帶來的安全隱患，極大改善了現場的施工環境。

同時，由于地鐵工程等均為民生工程，投資大、工期緊、社會關注度高，采用BIM技術，能夠有效加強各方面管理，對減少工程損耗、節約投資、加快進度及確保施工現場質量、安全、文明均具有重大的意義。

5 結語

BIM技術的最大魅力在于做好前期工作，后期即可產生不可估量的技術、經濟及社會效益。福州地鐵BIM技術的應用尚處于探索階段，深度及潛力還有待挖掘，從目前運用部分來看,其作為一種新興技術和工具，優勢明顯且潛力巨大，具有很大的推廣價值。

參考文獻

[1] 熊賢樹，曲嘯.BIM技術在城市軌道交通中的施工前景分析[J].科技致富向導，2015.

[2] 住房和城鄉建設部.2016-2020年建筑業信息化發展綱要[Z].2016.

[3] 張錫坤.BIM的應用價值及經濟效益分析[J].中國電子商務，2013.