地鐵車站綜合管線?BIM?正向設計實施要點及模型價值分析

王曉丹

（福州軌道交通設計院有限公司，福建福州 350001）

1 引言

地鐵車站設備區走道空間狹小，卻是機電線路穿行的要道，多達10余種管線需要在其間上下排布，因此易出現施工順序交錯、檢修空間難以保證等情況。綜合支架安裝作為機電施工的第一道工序，卻是機電設計的最后一道工序，其對于時效性和準確度的高要求給設計帶來了極大的挑戰。傳統二維設計已不能很好地解決跨專業、跨空間協調的問題，難以同時保障設計的進度和質量。

建筑信息模型（BIM）技術是一種新興的數字信息技術，可集成建筑工程項目的各種相關信息，并對這些信息進行詳盡的數字化表達，具有可視性、模擬性、協同性、連續性、集成性等特性。設計專業是地鐵建筑行業的上游專業，應率先推進并完成BIM技術應用，實現相關信息的參數化、三維可視化，以及管理的信息化[1]，從而解決設計協同和設計質量的問題。但在推進過程中，大多數工程項目采用二維設計完成后再翻BIM模型的應用模式（即逆向設計模式），這種模式存在效率低、質量難以保證等缺點[2]。與之相對的是正向設計模式，即工程項目從草圖設計至交付全部成果的整個流程均通過BIM三維模型完成。只有實施BIM正向設計，才能獲取高質量的數據，推動模型數據在生產鏈上的閉環，從而實現質量和效率的平衡，以及數據的延伸應用。

近年來，國內外學者針對BIM設計中的專業協同、正向設計方法開展了大量研究。Tauriainen等[3]結合流程再造理論提出BIM協同設計新模式；王巧雯等[4]構建了BIM多專業協同設計的流程框架；徐洪亮等[5]研究了軌道交通BIM協同設計中的數據共享和分發；余元波[6]對地鐵車站通風空調BIM正向設計方法要點進行了闡述。這些研究主要集中在各專業協同設計、模型創建等方面，而未針對設計數據向造價、施工、運維階段的縱向傳遞以及模型出圖適配等問題展開討論。

本文聚焦于地鐵車站綜合管線的BIM正向設計，針對打通信息傳遞通道和實現正向設計制圖的若干關鍵節點[7]展開討論。

2 綜合管線 BIM 正向設計的難點

2.1 二三維信息割裂

在BIM正向設計中，各專業基于同一模型進行設計，模型的每一處修改對各專業的反饋都是即時、同步、一致的，而且各專業可同時對同一個文件進行操作，整個模型設計的過程即是專業協調的過程[8]。然而，目前各專業由于BIM設計水平不均衡，因此難以達成同時協同設計的目標。對綜合管線進行BIM正向設計時，可以通過模型平剖面的一致性實現平剖面標高位置等信息的對應，通過一個模型不同視圖的方式解決綜合管線與單專業信息對應問題。但如果僅對綜合管線進行BIM設計，而其余各專業仍采取二維設計的方式，就存在單專業二維信息與綜合管線模型三維信息如何傳遞及保證一致的問題。

2.2 軟件建模效率與生產進度的適配

綜合管線設計通常與土建、風、水、電專業同步出圖，設計周期中存在支架深化、構造柱配合、風閥檢修空間核對、專業協調等反復多次的繁瑣工作。相對于傳統二維模式，采用BIM正向設計還需要進行額外的核對碰撞細節、調整參數信息等工作[9]，因此提高建模效率以適配生產進度是一個難點。

2.3 模型導出的二維圖面與傳統二維圖面的適配

由模型驅動生成的平剖二維圖，因軟件自身及建模深度的原因，存在諸如水管彎頭表達與傳統二維制圖表達不同、支架及上下層橋架的平面表達不如二維制圖簡潔（圖1、圖2）、剖面圖中橋架圖例需要在CAD軟件中添加線纜符號（圖3）等圖面表達問題。

圖1 2種二維平面圖對水管及支架表達的對比

圖2 2種二維平面圖對上下層橋架表達的對比

圖3 2種二維剖面圖對橋架表達的對比

2.4 對模型的最大化利用

傳統建造過程是先由設計者將抽象的三維事物轉化為二維圖紙，再由施工者對二維圖紙進行思維解讀并根據其建成三維實體的過程，因此如果三維設計與三維實體建造之間能夠實現直接的信息傳遞，則可使信息丟失最少化。然而，目前因為審圖、提資等場景的需求，仍然主要以二維圖紙作為傳遞信息的載體。如何發揮出BIM正向設計的最大優勢，讓設計成果不只是模型導出的圖紙，是制定BIM正向設計路線時需要考慮的問題。

3 綜合管線BIM正向設計實施要點

3.1 重構工程各階段信息流應用

BIM正向設計表面上是對設計端的改變，其實是對建設全流程離散數據的整合。輕量化BIM平臺以及BIM模型中圖紙、三維視圖、明細表、共享參數均是模型數據庫的信息表現形式，它突破了二維圖紙所能承載的信息邊界。如果基于“統一源頭、數據共享、完整準確、滿足業務”思路對BIM設計內容、對應交付成果、模型構件編碼進行體系規劃，促使設計、施工、運維階段信息流相融合，則BIM模型作為計算機可讀取的生產要素可發揮數據快速更新的優勢，在更新模型設計信息的同時，帶動構件生產、施工進度、運維管理信息的自動更新，從而提高各參與方信息共享的及時性及工作的協同性。

3.1.1 工程各階段應用目標分析

BIM技術在設計階段的應用目標是在滿足功能需求、裝飾空間要求的前提下，盡可能優化管線線路以壓縮層高，并且保證模型平剖面一致、收資提資數據流順暢，以避免發生錯誤引起施工拆改；在施工階段的應用目標是使BIM模型信息便于識別、設計方案便于下料施工，從而提高施工效率、減少拆改；在運維階段的應用目標是在將圖紙信息合模并使其立體可視化的同時，將部分設計參數信息轉化為結構化數據，便于查詢及數據提取。

3.1.2 工程各階段模型成果要求

為重構工程各階段信息流應用，使BIM模型的構建和完善既滿足工程進度要求，又符合各階段應用目標的需要，應根據各階段既定的時間進度，提出對于各階段BIM設計內容、出圖成果等的要求（表1），執行“一個模型、逐級深入”的思路。

表1 工程各階段BIM模型成果要求

3.2 提高上下游二三維數據傳遞效率

目前，地鐵車站綜合管線BIM設計過程是先將上游的二維提資圖轉為三維土建及機電模型，再進行協調設計，最終由三維綜合管線模型導出二維綜合管線圖及二維提資圖的過程。由于BIM模型數模信息一致，可以按不同專業、不同功能（建模、出圖、提資等）制作不同的視圖，因此三維到二維的數據傳遞整體順暢，提高數據傳遞效率的關鍵在于理順二維到三維提資傳遞、多次提資協調、會簽綜合管線模型及各專業二維圖的工作流。在實踐中，通過對二維提資圖的制圖格式進行規范，可利用插件將建筑圖中的墻體、房間信息及機電專業圖中的管道直徑、風管管徑標高信息直接通過數據傳遞的方式轉換為三維模型，再利用CAD軟件對比工具核查歷次提資變化，進行模型修正，最后通過開發的BIM平臺審模功能將由綜合管線模型導出的各專業二維提資圖與各專業上傳的施工圖進行疊圖智能對比，以判斷管線的大致路由及尺寸信息的一致性。這種由數據驅動模型，形成提資、設計、出圖、會簽環節數據閉環的方式，可以大幅縮短模型的創建時間，提高模型的準確性。但在協調過程中需要多次復核二維提資，而且提資發生變化的部分還需要人工進行修正，因此要徹底解決這些問題，必須帶動上下游專業共同采用BIM正向設計。

3.3 利用標準化及二次開發提高建模效率

BIM正向設計需要將設計要素轉變為計算機可讀取的生產要素，因此提高建模效率的關鍵是如何將生產要素標準化、單元化，以充分發揮計算機高效處理的優勢。在實踐中，應根據提資、出圖、BIM平臺等各種應用場景，創建統一的構件族庫、樣板文件、共享參數、模型編碼，對參數的命名和調用進行規范，同時按照車站設備區走道橋架布置的不同分類，建立標準模塊組以備調用。這一系列的標準化措施不僅可提高建模效率，也便于后期施工管理。此外，通過采用二次開發插件，可快速生成管線剖面、添加標注、布置綜合支架等，對比傳統二維設計，可將設計時間壓縮50%，打破了質量和進度不能同時保證的魔咒。

3.4 優化模型出圖的圖面表達

模型出圖的圖面表達問題主要有2方面，即圖層、線型與傳統二維圖紙表達不適配，以及族的圖例表達與傳統二維圖紙表達不適配。對于第一個問題，可通過從Revit軟件導出圖紙中設置的方法，解決大部分的圖層映射問題，不同系統橋架可通過在CAD軟件中進行二次開發以自動識別橋架過濾器顏色，實現圖層映射。對于第二個問題，可通過在Revit軟件中修改閥門、風閥、彎頭等族的二維顯示效果（圖4），并配置不同的視圖樣板，實現在建模過程中用精細模式表達空間尺寸、在出圖過程中用粗略模式表達簡化二維樣式的目標（圖5）；其余無法通過修改族來實現的圖例適配，如橋架剖面加電纜、支架平面改為粗PLINE線等，采用在CAD軟件中進行二次開發的方式解決。

圖4 彎頭族導出視圖樣式對比

圖5 建模及出圖工作中視圖的不同表達對比

4 BIM 正向設計的模型價值分析

4.1 成果的可視化

BIM技術提供的三維可視化建模環境包含更豐富的幾何信息與屬性信息[10]，可增強信息的表達，減少設計的錯漏、調整，在設計階段為建筑師提供更直觀、更方便、更合理的設計環境[11]。在后期向施工單位、運維單位傳遞時，通過將模型構件屬性數據與進度數據、質量數據、造價數據等進行關聯，不僅能夠使設計成果便于查詢，也可將關聯數據信息轉換為以圖形方式展示的可視化表達。

4.2 數據協同一致

BIM技術的優勢是能夠自動實現模型視圖、工程圖紙、明細表、剖面圖和平面圖的變更[12]。可看到的成果是模型，聯動的是數據，模型為信息服務，從而解決了傳統設計方式依靠圖紙，文件傳遞時因數據未協同而產生圖紙中平面、說明、原理圖、材料表之間數據沖突，以及圖紙與現場信息脫節等問題。

4.3 快速準確提量

工程計價三要素為量、價、費，其中工程量計量是工程計價及造價管理的基礎工作。有數據表明，工程預算編制中，該項耗用的工作量約占全部預算編制工作量的60%～70%[13]。例如，采用清單計價模式的支架計量通常只能通過手算每幅支架配件的重量進行統計，工作量大且易錯，而且在后期施工中，分批采購下料也需要統計分幅的工程量。而在BIM正向設計的制作支架族階段，若根據后期下料顆粒度規劃族類型，并以共享參數的形式記錄單重，設計明細表樣板，則可在三維模型設計過程中自動完成工程量的計量，在保證工程量數據準確性的同時，加速了數據的流轉（圖6）。

圖6 模型支架材料明細及剖面

4.4 加快數據提取、識別、流轉的效率

在設計環節，采用BIM正向設計，設計信息可轉化為結構化數據，被計算機讀取分析，這使采用機器輔助審圖、會簽成為可能。傳統的審圖、會簽核查工作大多依賴人工進行，二維綜合管線圖平面細節繁多、平剖面信息不能確保一致等問題影響了審圖及會簽的效率。通過開發針對綜合管線審圖、會簽場景需求的凈高核查、檢修空間核查、限界核查等軟件工具，可以實現高效核查。在施工建造環節，可以通過給設計模型添加進度屬性，實現分階段下料信息的自動歸集；利用模型生成預埋件圖、孔洞定位圖等施工深化圖，可保證原設計信息的繼承及一致。

4.5 通過模型進行信息集成及共享

工程建設領域各個環節都會產生大量業務數據，其相互關聯，但現實中卻孤立分散，并且具有流動性和突發性，因此造成物資、合同、成本、設備、安全、質量等工程管理各方面的數據不統一、不可沿用、難以重復提取。BIM技術的理念是通過快速收集和傳輸信息、集中存儲和共享信息，實現信息的高效傳輸和協同管理，提高各方的信息處理效率與管理水平[14]。將BIM模型作為載體，使其中信息流轉于設計-建造-運營各階段，關聯概算-預算-結算等各環節，記錄從設計聯絡到移交驗收的數據演變過程，則可發揮BIM技術信息集成及共享的最大價值。

5 結語

地鐵車站綜合管線設計不是簡單的疊加，而是在遵循總體設計原則的基礎上、滿足各專業技術要求的前提下，不斷協調、不斷優化的結果[15]。BIM技術具有可視化、圖模一致、數據聯動的特點，BIM正向設計可使設計要素轉變為計算機可讀取的生產要素，發揮計算機高效計算的特點，通過從模型中自動統計工程量表、標記設計屬性、跟隨設計屬性改變幾何形體等，提升設計協同效率、精細化程度及數據流轉效率。隨著設計-建設?-運營管理之間聯系的日益緊密，工程設計服務也慢慢從傳統的純粹工程設計向全過程設計咨詢轉變，BIM技術作為串聯各環節數據鏈、形成場景化應用的利器，將發揮越來越重要的價值。