BIM技術在降低場段綜合管線碰撞率中的運用

王夢媛

中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京，102600

0 引言

近年來隨著我國城市化進程步伐的加快和交通基礎設施的不斷完善，城市軌道交通在交通行業占比逐年遞增。地鐵作為城市軌道交通的重要組成之一，以其高效、便捷、綠色環保等特點，逐步占據大中小城市規劃建設發展的重點位置。

隨著項目承攬數量的不斷增長，地鐵場段項目在鐵路工程設計項目中也成為我單位的主營業務之一。在其設計過程中，綜合管線設計涉及專業多、系統繁雜、管線密集、走向復雜，目前場段綜合管線的設計多采用Auto CAD進行二維平面表達，在施工階段再通過人工深化和現場配合施工的方式來解決管線碰撞問題。然而，該方法存在人工深化難度大、精度低、現場配合施工時間長、效率低等缺點，難以有效發現并解決管線碰撞問題，且對人力、物力、時間均有較高的要求[1]。

作為地鐵項目中機電系統設計水平的重要體現，綜合管線的高效設計不僅可以合理有效規劃各專業的施工工序從而降低失誤率避免工程返工，還能在一定程度上改善工程的施工質量并有效節約成本。因此，綜合管線設計的研究前景廣闊，能夠產生較好的經濟和社會效益。

1 BIM技術對降低場段綜合管線碰撞率的意義

BIM技術以電腦輔助設計，通過構建建筑、結構等工程的虛擬三維模型，同時將數字化技術與三維模型相結合，形成包含構件的幾何結構、專業屬性、狀態信息的完整信息庫，從而將工程項目設計的信息集成化、可視化，為工程項目的設計人員、監理、業主等提供了可供協同設計、設計成果共享交互的平臺。作為建筑工程、土木工程等設計行業的新工具，BIM技術也為管線碰撞優化提供了新思路、新方法，并為行業類似工程設計提供新的解決方案，具有重要推廣價值[2]。

在借助BIM技術構建的三維綜合模型中，各專業管線布置的空間關系一目了然，而Revit、Navisworks等軟件還提供碰撞檢測功能，為設計人員及時發現從而高效解決管線碰撞問題的有效手段。例如，傳統二維圖紙的管線綜合設計在進行給排水與電氣專業管線排布時，通常需要設計人員反復對比兩個專業的管線設計圖紙，然后依據空間想象能力在平面圖中通過移動線條來調整管線位置，并對管線標高進行標注，不僅需要設計人員投入巨大的時間精力，而且布置的結果往往不夠準確。BIM技術的引入可以在建立各專業三維模型的前提下，通過碰撞檢測功能輸出碰撞檢測報告，并在三維可視化的協助下對報告中的碰撞節點一一優化調整從而實現綜合管線科學排布。

在場段綜合管線設計中應用 BIM 技術還有利于提升各個專業間的工作協調性：根據二維圖紙在BIM軟件中分別建立建筑、結構、各專業管線等三維模型，然后將所有專業的模型鏈接整理，形成綜合的三維模型。這種將各專業設計工作有機整合的方式，在一定程度上提升設計的協同性、科學性、合理性。基于BIM的協同平臺，各專業的設計人員還能夠實時分享設計模型，從而提升各專業間的協調性，實現全面提升機電綜合管線從設計到施工安裝到成果交付全過程的合理性、科學性的目標[3]。

基于BIM技術實現綜合管線可視化三維設計、管理、展示，能夠及時發現并解決問題，減少返工從而提高施工質量、降低投入成本，極大提升地鐵場段項目管線綜合設計水平，提高設計效率，在實際工程中能夠方便施工管理，減少工程變更、縮短工期。其研究成果具有較好的社會及經濟效益。

2 BIM技術在場段綜合管線中的具體應用

2.1 項目背景

鑒湖停車場項目為上蓋開發停車場，上蓋設計為未來商業開發及住宅布局預留，因此各室外管線在布置時不僅需要考慮管線間的空間布局，還要考慮與建筑結構的柱、樁和地梁基礎等相互避讓，大大縮減了室外管線布置的可用空間，增大了室外管線布置難度，對管線排布提出了更高的要求。該項目的室外綜合管線涵蓋了供電、通信、信號、FAS/BAS、給排水、消防等多個專業的管線、水管等，涉及專業多、系統繁雜、管線密集、走向復雜。

2.2 管線綜合現狀分析

本文作者對已完成的天水有軌電車一期工程、海勒斯壕、徐州東動車所等項目的綜合管線設計及施工情況進行調查研究，發現其均采用Auto CAD進行二維設計，在實際施工過程中通過人工深化和現場配合施工的方式對場段綜合管線的碰撞問題進行調整優化，普遍存在人工深化難度大、精度低，現場配合施工時間長、效率低等問題，要求較多人力、物力、時間的投入。因此，人工深化和現場配合施工并不是解決綜合管線碰撞問題解決的最好方式[4]。

本文的研究對象鑒湖停車場綜合管線，在設計時也采用傳統的Auto CAD進行，設計人員依靠三維空間構圖意識、人工計算標高等方式在CAD圖紙中對相關專業的管線進行繪制調整。盡管已經進行層層復核檢查，但由于二維制圖的局限性，在利用Revit軟件進行初步三維模型建立后，發現了大量碰撞。碰撞問題不僅存在于管道之間的交叉碰撞、管線與建筑結構專業的碰撞，還存在于不同的管道系統間。經Navisworks軟件碰撞檢測，碰撞報告顯示人工深化前的原始圖紙碰撞問題有185個，經各級審核人工深化后碰撞問題有83個，即初始碰撞率為44.9%。本文研究目標為通過BIM手段建立綜合管線三維模型并消除碰撞，將碰撞率降低至0%。

2.3 BIM技術的具體應用

綜合考慮技術可操作性和經濟性因素，本文引入Revit、Navisworks軟件實現綜合管線三維設計。通過對二維圖紙進行三維實體建模、碰撞檢測、進而消除碰撞優化管線布局。

首先，在Revit軟件中鏈接CAD二維圖紙，調整比例后對建筑專業的軸網、標高、墻、柱、梁、基礎、門窗等進行繪制，并根據實際需要建立專業族，建立建筑結構模型。在建立管線模型時，需要先設置各專業管線的顏色、名稱、規格、管線材料等參數，然后根據鏈接的二維圖紙中管線的位置，初步繪制各專業管線。各專業設計人員繪制好各自的模型后，以同一基點導入并整合成包含各專業的三維綜合模型（圖1）。

圖1 鑒湖停車場三維綜合模型

建立好的模型可以直觀展示管線的碰撞情況。也可以通過Navisworks的漫游檢查方式，通過第三人視角檢查碰撞情況，軟件會在存在碰撞的第三人所到之處發出警告，設計人員可以依此進行修改。由鑒湖停車場局部管線碰撞圖（圖2）可以看出，設計人員通過二維圖紙繪制的綜合管線圖紙僅在其中一個局部小節點就存在著多達7處不同程度的肉眼可見的管線交叉碰撞。依次對各個碰撞點進行管線調整，初步優化管線布局。

圖2 鑒湖停車場局部管線碰撞圖

在管線調整時必須遵循以下管線避讓的原則：

（1）壓力管應讓自流管；

（2）管徑小的管線應讓管徑大的管線；

（3）易彎曲的管線應讓不易彎曲的管線；

（4）臨時性的管線應讓永久性的管線；

（5）施工工程量小的管線應讓工程量大的管線；

（6）新建的管線應讓現有的管線；

（7）施工及檢修方便的或次數少的管線應讓施工檢修不方便的或次數多的管線。

經過以上初步優化后，BIM模型基本消除了肉眼可見的碰撞。將BIM模型導入Navisworks軟件中進行進一步的碰撞檢查，形成并導出相應的碰撞檢測報告。根據碰撞檢測報告結果繼續排查首次人工調整中遺漏的交叉碰撞點，依據管線布置原則繼續合理調整標高及管徑，消除檢測報告中所有的管線交叉碰撞[5]。

考慮到實際施工及后期運維需要，綜合管線的布置在滿足基本的設計與施工要求的同時，還需要考慮預留一定的空間以滿足施工時安裝及維護檢修的需要。因此需要對優化后的模型進行施工過程模擬，在Navisworks軟件中，創建包含各專業施工節點所需時間，施工順序等數據在內的施工進度表，對各專業的施工情況進行模擬，進一步優化管線布置位置，調整預留空間，最終得到符合要求的“無碰撞”模型（圖3）。

圖3 優化調整碰撞后的局部模型

3 BIM技術在降低場段綜合管線中應用的效果

經BIM手段優化，項目案例的碰撞個數由原來的83個減少至0個，碰撞率由44.9%降低至0%，取得了預期效果，實現了預定目標。避免了施工過程中由各專業管線碰撞引起的設計變更、工程返工等問題，減少了項目投資，對控制成本有重要意義[6]。

Revit軟件自帶的協同平臺支持各專業協同工作，讓各專業能夠及時共享設計資料，及時調整等設計方案，減少了傳統上下序互提時間長、時效性差的問題，大大提高了設計效率。

為了方便現場施工人員和指導現場施工，將調整后的模型按照管線綜合施工圖精度進行平面圖紙深化，根據三維管線調整結果在原CAD圖紙中增加關鍵節點剖面圖，并將深化后的二維CAD圖紙交付于施工現場，讓現場施工人員施工過程中在處理關鍵節點時有據可依。

考慮到業主等非專業設計人員對專業圖紙可能不夠了解，通過 Navisworks等軟件進行模型漫游模擬展示，制作并導出視頻動畫進行施工交底，讓非專業技術人員也能夠直觀全面地了解項目情況。

4 結語

本文引進Revit軟件、Navisworks軟件通過三維實體建模、碰撞檢測手段對場段綜合管線布局進行優化調整，實現了降低場段綜合管線碰撞率的預定目標。通過本次研究，我們發現BIM技術的應用不僅降低了管線碰撞率，而且Revit模型具有可視化、參數化程度高的特點，在一定程度上代替了傳統人工計算標高的設計方式，同時更加便于各級圖紙審核和修改設計方案，大大提高了設計效率，漫游模擬、動畫展示的施工交底方式也為業主等非專業人員了解項目情況提供了便利。由此可見，BIM技術在工程項目設計中的研究能產生技術、經濟、社會等多方面效益，應用前景廣闊。未來我們將針對BIM平臺提供的開發接口，研究個性化二次開發的可行性，以便在項目設計、施工全過程中實現更加高效智能的BIM技術的廣泛應用。