BIM技術在京張站房電氣設計中的應用研究

■張倩

中鐵工程設計咨詢集團有限公司建筑院

傳統的建筑電氣設計從“甩開圖板”到“電子繪圖”經歷了設計時代的一個巨大變遷，CAD輔助設計的應用比手動紙板繪圖極大的提高了設計質量和設計效率，但隨著對工程質量的要求不斷提高，二維圖紙已經無法滿足當前工程設計的要求，三維設計的重要性日益凸現：在空間設計中時時看到設計效果，與其他專業相配合，及時對碰撞設計進行修改。BIM技術的應運而生，能夠不斷的完善建筑各系統的模型，直觀的從3D角度實現工程設計的可視化，協同化，模擬性、優化性、可出圖性。

1 BIM的概念及在電氣設計中的應用

1.1 BIM的概念

BIM(Building Information Modeling)中文直譯為“建筑信息模型”，是結合工程實際參數，在計算機環境中，構建三維仿真數字模擬建筑模型，模型內容包含工程建設的規劃、設計、建造和運營等階段，模型有效使用期間可覆蓋工程建設的整個生命周期。微觀角度來看，BIM技術可集成并可視化工程的各專業(建筑、結構、給排水、暖通、電氣)，并仿真模擬各專業協同工作機制，宏觀上，在鐵路設計領域，BIM技術可以保證全線各專業均基于統一的線路里程進行工作，后期可以在總裝模型中直觀的查看全線任意建筑的里程點，確保全線各專業的可視化，協同性，給后期的運營帶來極大的便利。

1.2 BIM技術在電氣設計中的應用

BIM技術在電氣設計中的應用主要體現在以下幾個方面：變電所設計、動力配電系統、照明系統、火災自動報警系統、建筑設備監控系統及其他弱電系統的設計。電氣設計中，常用BIM技術的協同功能進行正向設計，設計資料向下序專業提資，并向上序專業傳遞，提資條件不同，配電系統各項參數將自動發生變化，避免二維設計中的手動修改帶來的修改不全，或者漏提資帶來的錯誤，此協同功能，大大的提高的設計的效率及圖紙的準確率。在照明系統中，可以預先根據規范要求，合理布置效用達標的燈具，該模型下，具備照度檢驗功能，同時可以選定相應區域生成照度計算曲線，偽色圖等。在火災自動報警系統中，軟件可以根據探測器的保護范圍自動確定每個區域的探頭數量，同時還可以反向根據探頭布置來計算是否滿足保護范圍的要求。在碰撞檢查中，首先可以先在電氣專業內部將強電、弱電、消防橋架進行碰撞檢查，根據三圍模型，對碰撞點進行調整，這些碰撞檢查，都是傳統二維繪圖中無法實現的。下面，結合實際項目詳細分析驗證BIM技術在電氣設計應用中的優越性及不足。

2 京張站房BIM電氣設計

2.1 項目概況

京張城際鐵路(京張高鐵)的道床材料為散粒碎石，抗高冷縮和抗大風沙能力較強，是世界上第一條有砟抗高寒和抗大風沙，且設計時速達到350km/h的鐵路。該工程正線共設10個車站，全線長約174公里，該項目預計2019年通車，設計目標:連接北京、延慶、張家口三地的交通網絡，縮短三地往來時間，完善以北京為樞紐的軌道交通網，并為2022年冬奧會的舉行提供有軌鐵路客貨運載保障，縮短北京到張家口時間，此外還可以將首都人力和資產資源的影響力向張家口方向延伸發揮地理樞紐對周邊地區經濟、科研、社會等的帶動性作用。

本文結合京張高鐵清河站，具體講述BIM技術在鐵路站房電氣設計中的實際應用。清河站包含鐵路站房、鐵路配套及地鐵換乘等，屬于交通樞紐，建筑規模14.5W平米。本次設計的最終成果，不僅需要建立包括建筑、結構、設備、電氣在內的全專業三維模型，還需要生成滿足施工需要深度的二維圖紙。三維模型需要滿足鐵總400的繪圖精度要求，在本次設計中，涉及電氣專業的工程活動主要是有變電所、照明、動力配線、弱電、消防等系統配置，以及對典型空間加載照度計算、渲染等，在管線排布設計方面，要根據建筑結構的情況，進行具體的綜合排布，展現出實際施工完成后的狀態，完成最終電氣設計模型

2.2 BIM設計的前期準備工作

BIM核心軟件主要是包括:①Revit系列軟件(Autodesk公司)；②Bentley系列軟件(Bentley公司)；③ArchiCAD軟件(Graphisoft公司);④DigitalProject軟件(Dassault公司)。本文以Bentley公司的Bentley系列軟件為例，研究了BIM技術在應用于京張站房電氣設計的程序、特點、優缺點，由分析該技術設計的前期準備工作、設計技巧與要點、管線碰撞等來實現。

2.2.1 工作方式的選擇

本項目各專業單獨建立設計模型，通過互相參照的方式來達到協同設計，此種方式，要比為各專業分別獨立建立相關模型，最后統協比照，對計算機配置和網絡環境的要求較低，本次模型設計的工作模式采用本專業中心文件+參照其它專業中心文件來進行。由于現階段鐵總的結構拆分標準中，對站房的電力專業沒有明確的拆分標準，本次設計按電氣系統進行工作結構的拆分，電氣專業劃分為變電所、動力配電、照明、火災自動報警、建筑設備監控等幾部分。結構相當于工作集，作為Bentley軟件中的一個新生的權限概念，他可以實現多個具備資格的人共同在同一模型內工作，設定一人為管理員，對整個電力系統進行管理和設定，其他人僅可以對自己有權限的工作進行操作，避免隨意操作對項目產生破壞的影響，當有必要更改指令或調校參數時，可借用管理員權限，或是模擬建立新的結構單元。電氣專業的工作集協同示意圖如圖1所示。

2.2.2 統一命名規則

設計前應統一命名規則、統一建模規則。電氣元素參數規則應滿足分類編碼標準。

設計前，編制統一的IFD編碼，約束電氣元素的參數、編碼，幾何屬性、非集合屬性等，不同的設計人均應使用統一的編碼，便于模型的輸出。

2.2.3 構件庫的準備

構件庫的準備工作作為項目構成的基礎，是Bentley軟件運行的基礎活動之一，但Bentley軟件中的電氣構件的標準參數為美標，與國內制圖所用的標準參數存在差異，再加上該軟件構件庫式樣種類較少，無法全面支持本項目所需，因而在項目開始前，要先制作符合本次項目要求的電氣構件庫文件。電氣構建庫構件有電氣設備、電氣橋架、電管、導線、標注等，各構件表征在平面圖中要符合我國制圖標準，應用于三維模型中，要緊貼實際工程樣貌，且具備尺寸、性能、負荷類型、光源參數等參數設定。本次模型搭建中所需使用的構件類型數量較多，參數設定貫徹到模型搭建和應用的整個生命周期，例如電氣計算、系統創建、模型效果的渲染等，因而應做好充分的準備工作。站房中使用到的部分異形燈具的曲面，還需要運用編程來實現3D建模。

2.3 京張鐵路站房BIM設計

京張鐵路清河站中的電氣專業應用:①變電所;②動力配電系統;③照明系統;④火災自動報警系統;⑤建筑設備監控系統等。

圖1 工作集示意圖

2.3.1 變電所

應用Substation變電所軟件進行變電所設備的布置，繪制供電簡圖，運用軟件進行短路電流計算，快速創建主接線原理接線圖，創建3D變電所設備布置圖。二維原理圖上的設備參數和三維布置圖的參數實時共享，并可以相互導航。如果二維原理圖的設計發生了更改，則可以刷新數據庫信息，三維布置圖自動進行更改。變電所布置圖如圖2所示。

圖2 變電所設備布置圖

在項目的應用中發現軟件自帶的電纜工程量統計，只包含電纜的接頭損耗，并不含電纜在橋架中的彎曲度，實際應用中還應該考慮此問題。

2.3.2 動力及照明系統

應用Bentley Building Electrical Systems（簡稱ABD Electrical）進行照明等系統的設計工作。

系統可快速布置燈具。可導入建筑房間信息進行照度計算，并根據計算結果自動布置燈具；也可手動布置燈具，可以根據房間的尺寸、形狀選擇利用點布置方式、陣列方式、沿門開關等多種方式布置燈具。在一些設備用房，根據設備的位置、高度，可以設定燈具吊桿的長度。

ABD ELECTRICAL可將房間信息導入到主流的照度計算軟件Dialux ，Relux 中進行逐點照度計算，可計算眩光值，可統計材料，可輸出計算結果，并返回到ABD ELECTRICAL進行燈具布置。同事可以進行照度計算、生成照度曲線圖，偽色圖等，可對燈具布置進行反驗算。

2.3.3 火災自動報警系統

應用上述軟件可方便快捷的進行火災、報警布置，可計算煙感、溫感探測范圍；也可根據煙感、溫感探測范圍自動布置；可自動生成火災、報警系統圖，也可進行材料統計。但生成的報警系統圖不符合標準的出圖深度，需要增加標注等內容。

其他系統的設計與上述系統類似，再此不一一贅述。

2.3.4 系統圖

強弱電干線系統圖、配電箱系統圖等的繪制，使用二維平面繪制相較于Benley軟件構建的三維立體模型，更具示意性，Benley軟件暫時不支持該類示意性圖紙繪制。Benley軟件的配電箱系統（包括強電和弱電）是用配電盤明細表來表示的。雖然配電盤明細表，可以進行三相平衡計等，可以描述配電盤的個體信息、進行復核計算等，但配電盤明細表不符合二維圖紙的出圖要求，不方便現場施工，故電氣設計的系統圖仍需要人工手動深化調整。

2.3.5 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術中關于各組成單元協同工作的沖突性檢查，能有效的檢驗各專業或不同專業間的協同性。在電氣專業中的管線沖突檢查中，可以憑依該系統的碰撞檢查功能，對兩個設備間的管線進行測試檢查，以期對管線沖突位置進行發現和顯示，最終解決問題。碰撞檢查的覆蓋范圍可分為兩種，即模型內檢查和多模型綜合檢查，前者可使用Benley軟件自帶的碰撞檢查功能，而多模型綜合檢查較為復雜，一般是針對工程較大，且計算機配置較低，需要多模建立來反應工程實際的情況，如清河站，因為建筑體量很大，將整個建筑拆分為三部分進行建模，檢查方式可使用Project wise Navigator軟件(BIM碰撞檢查專用軟件)。碰撞檢查調整前如圖3所示，碰撞檢測調整后如圖4所示。

圖 3 碰撞檢查調整前

圖 4 碰撞檢查調整后

3 BIM技術在鐵路站房電氣設計中的優勢

通過結合京張站房清河站的設計實例，BIM技術與傳統二維電氣設計相比，有以下的優勢。

3.1 BIM技術與傳統二維電氣設計在鐵路站房項目中應用流程的區別

3.1.1 鐵路站房項目傳統電氣設計流程

鐵路站房項目的傳統電氣設計流程圖，如圖5所示。電氣設計需要依托于建筑提資，按照計表逐步開展設計，建筑方案評審階段，電氣專業將本專業所需設備用房，管線路徑提資給建筑建筑；建筑專業開放平面后，設備、通信、信息、廣告、商業等各專業給電專業提資，電氣專業開始進行二維圖紙的設計，在設計的過程中，電氣專業還會給建筑、結構等專業進行預埋，開洞等反提資。二維圖紙設計完成后，進行復核，審定，圖紙送審等相關工作。

從上述設計流程圖可以看出，傳統電氣設計大致包括設計準備、設計、審核、交付、歸檔等幾個大的階段。電氣專業與其他專業的配合主要在設計準備、設計兩個主要階段，這兩個階段主要通過互相提資的方式來將相關信息傳遞給下序專業，保障模型搭建的邏輯過程中，信息的全面、可靠、詳實。

資料互提方式是定期按照計表節點，通過互提資料單，完成數據、參數等信息的傳遞，這種傳統的提資方式不具備實時性，容易造成各專業圖紙表達不一致的問題。

圖5 鐵路站房項目傳統電氣設計流程

通過對傳統電氣設計設計流程的分析，可以看出傳統電氣設計存在以下不足：

（1）二維圖紙在表征各專業時，存在數據關聯性不強的特點，因而在平面設計時，易出現數據、參數等信息不對稱現象，這會導致各專業之間的圖紙不一致，甚至彼此之間的建筑平面也有不一致的可能性，施工過程中，需要與施工方不斷的進行施工配合。

（2）各專業在互提資料后，進行獨立的專業設計，各專業之間缺乏聯系，及容易造成各專業之間的碰撞沖突問題。

3.1.2 基于BIM的鐵路站房電氣設計流程

在應用BIM的設計模式下，工作流程和數據傳遞方面會有明顯的變化，從工作流程上看，電氣設計流程分為六個環節，如圖6所示。

與傳統站房電氣設計相比，BIM的設計從流程上有以下優勢：

（1）電氣專業與各專業的協調工作貫穿了整個設計過程，而不僅僅是在特定的某一個階段，各專業可以實現實時協調，避免了各專業單獨作業，彼此之間缺乏協調性的問題。

（2）增加了二維圖紙生成和調整的過程。在建模的結束后，可以由模型生成二維視圖，但現階段由模型直接生成的二維圖紙，與建設部要求的二維圖紙設計深度不符，還需要將生成的二維圖紙進行深化調整。

（3）從數據傳遞的角度看，BIM設計實現了各專業之間數據的隨時傳遞與更新，避免了上序專業數據、參數調整沒有及時反饋給下序專業的問題。減少了設計中的差、錯、碰、漏等問題。

圖6 鐵路站房項目傳統電氣設計流程

3.2 基于BIM的電氣設計在協同性方面的優勢

在傳統電氣設計中，各專業的協同是一個費事繁瑣的工作，協同性的問題往往會在施工過程中帶來諸多問題，后期施配需要耗費大量的時間與經歷。依托于BIM技術的電氣設計，其電氣專業與其他專業的統協合作周期覆蓋整個設計活動，甚至于全生命周期。整個項目的全專業設計均采用統一共享的建筑信息模型，因而，可借助BIM技術中的碰撞檢查軟件準確發現各專業統協工作中的問題，之后電氣設計師可以準確的查找到存在的問題并進行修改。

在設計過程中，電氣專業的設備布置、溝槽孔洞可以實時的傳遞給建筑、結構專業，專業之間相互配合，減少各專業間信息互通時間，同樣降低了各專業協同合作的故障率。

4 小結

經過一段時間的使用，筆者對BIM這一技術中有了更加深入的認識。

4.1 Bentley電氣軟件與CAD的比較

相對于CAD，Bentley能繪制除防雷接地平面圖以外的其他平面，但不能繪制強弱電干線系統圖及配電箱系統圖，在繪制過程中生成的如變電所接線圖，火災自動報警系統圖等，不完全滿足施工圖的出圖要求，還需要后期進行標注等調整工作。

在作圖時間方面的比較，Bentley前期電氣族庫的建立是一個比較費時的過程，這個過程將導致BIM的工作周期相對于傳統的CAD來說較長。

4.2 存在問題

4.2.1 對硬件設備的要求

Bentley軟件對計算機的硬件配置及網絡環境的要求高于傳統的CAD，特別是在清河站房的應用中，非常明顯，隨著模型的不斷完善，電腦設備已出現明顯的延遲現象。

4.2.2 軟件不足

Bentley軟件目前在國內的建筑BIM設計中，沒有Revit軟件應用的廣泛，但隨著項目的進程，筆者發現，不管是Bentley還是Revit，其涉及電氣專業的部分，均存在一些不足，主要有:

（1）關于電氣構件庫，依托Bentley軟件設計的模型中的圖像，是以各個構件為設計基礎，而整個最終模型也是由各個構件以某種方式組合而來，目前電氣構件庫存在種類少和標準不統一的缺陷。使用該類軟件時，要在準備工作中，制作適宜工程需要的構件，部分設備也缺少精準尺寸，不同的廠家尺寸規格又不盡相同，導致BIM中部分設備僅為占位符號，不具備絕對的可視化。電氣構建庫的統一和標準化，可促進更加標準和更加規范的BIM模型的設計。

（2）關于電氣橋架、電管，模型中的電氣橋架、電管無系統連接功能，僅導線有此功能，這也就是說模型內電氣設備要具有自動化創建功能，就需要將各個設備用導線連接，在綜合主要區域內的機電管線時，需要復制該區域的電氣橋架和電管布置，重新構建該區域電氣線路，無法原模進行。

（3）關于防雷和接地平面，設計不支持，由于該類構件制作復雜，且有一些均為邏輯性示意性，尚處于軟件開發的范疇。

（4）關于強弱電干線系統圖的繪制軟件尚不支持。

4.2.3 精度提高，時間增加

在BIM設計中，所有末端和管線放置的繪圖和構建精度較高，可降低各單元合作的沖突率，但與此同時，由于較高精度要求，在設計階段，就要不斷的考慮到施工時可能存在的問題，因而在參照和調整自身模型時，任務量增加，相應付出的時間也有所增加。

4.2.4 缺少BIM標準

我國BIM標準尚不統一，需待完善，與之相反的歐美國家的BIM標準較為統一規范。

5 結論

BIM技術作為新時代信息技術的產物，不僅僅是工程類仿真模擬工具的升級，同時，也顛覆了傳統設計模式理念。將BIM技術應用于京張站房電氣專業中，優點是，在設計完成度、全專業協同、建筑整體分析等方面較具先進性;缺點是BIM標準不統一，電氣構件種類少，對模型搭建產生工作質量和工作時間上的阻礙。就BIM技術中存在的有關問題，仍需要改進和完善，若能得到解決和升級，其將對不同規模和不同結構類型的工程具備高效應對性，工程仿真模型的搭建效率將大幅度提高。

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