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深圳地铁9 号线深化设计中BIM 的应用及效果探讨

作者:蒋宗发,毛强硕,杜峰,张立  发布:2017/5/24  浏览:
单位:中国市政工程西北设计研究院有限公司,中建南方投资有限公司

摘 要:以深圳地铁9 号线为例,从组织开展深化设计工作并利用BIM 技术对站后工程常规机电、系统机电各个专业设计施工过程中遇到的接口协调及碰撞等问题进行模拟分析。主要得到以下经验总结: 1) 管理中规范深化设计的工作流程,保证了深化设计BIM 工作的顺利开展; 2) 技术上利用BIM 技术精细化管理各个专业,减少管线安装的碰撞及对结构的损害; 3) 接口协调方面,利用BIM 技术有序地安排各个专业施工,能保证设计与施工的同步以及各专业之间的统一协调性。

0 引言

随着我国社会的快速发展,城市化进程的推进,城市地上空间已难以满足城市的发展需求[1],正在加速城市地下空间的开发利用。地铁工程作为交通建设中的重点,其优势在于能充分利用地下空间。目前在国内一二线城市,如北京、广州、上海、深圳等地区掀起了兴建地铁的高潮。地铁工程的特点在于工程本身位于地下且空间狭小,地铁的安装工程是要在这狭小的空间内将各类管线、设备进行布局。管线及设备在设计及施工安装过程中极易发生冲突碰撞,如何充分有效利用地下空间成为最重要的探索方向。利用BIM 技术对地下安装工程进行模拟成为探索的重要途径,对各类管线设备进行提前预知安装空间情况,能避免安装过程当中的管线碰撞。

在利用BIM 技术进行探索研究方面: 于金勇等[2]研究了上海轨道交通11 号线石龙路站在安装过程中解决的管线碰撞、设备房优化等问题,并从设备安装到运营维护各个阶段中得出BIM 技术的应用价值点。

张建平等[3]根据我国施工管理特点和实际需求,提出了工程施工BIM 应用的技术架构、系统流程和应对措施,并将BIM 与4D 技术相结合,自主研发建筑施工BIM 建模系统和基于BIM 的4D 施工项目管理系列软件,从而形成一套工程施工BIM 应用整体实施方案并成功应用于国家体育场等十几个大型工程项目,验证了其可行性和适用性,充分体现了BIM 技术在工程施工中的应用价值和广阔前景。

李勇[4]为实现BIM 技术预测功能,采用可靠性理论、概率方法理论,考虑施工过程及进度影响因素的不确定性,分析了目标进度和预测进度的复杂关系,建立了施工进度随机预测模型。

近几年来,随着地铁在全国各大城市兴建,BIM 的应用得到了迅速的提升。在上海市建筑施工行业协会发布的《2014 年度施工企业BIM 技术应用现状发展报告》中提到目前国内各大建筑工程企业应用BIM 技术及人才储备状况。深圳地区发布了《深圳市建筑工务署BIM 实施管理标准》,该标准通过分析目前我国基本应用情况及国家发展信息技术的需求,对于目前建设工程项目BIM 技术的应用进行了统一的规范要求,为达到BIM 技术应用信息的平台资源共享及BIM 技术信息化基础的建设打下基础,并从中发掘出更多的应用价值点。目前在建设工程施工项目中将BIM 技术应用于管理相对较少,侧重运用于大型建设工程项目的三维建模即施工模拟及安装工程管线碰撞检查[5 - 6]。而大型项目BIM 模型量大,需要严格有效的管理方法才能确保BIM 模型满足多专业、多人员有条不紊地协同工作[7]。本文以深圳地铁9 号线为例,利用BIM 技术通过建立深化设计组织管理体系,对全线18 个车站及车辆段停车场的站后安装工程进行深化设计,统一对常规机电、系统机电各个专业设计施工过程中遇到的接口协调及碰撞等问题进行模拟分析,提出相关可行性意见及方案,为实现设计、施工一体化提供技术平台。

1 工程概况

深圳地铁9 号线( 见图1) 西起南山区红树湾站,东至罗湖区文锦站,经过南山区、福田区、罗湖区。线路全长约为25. 38 km,共设22 座车站,全部为地下车站和线路。本项目机电安装工程涵盖轨道工程、常规机电、装饰装修、通信系统、信号系统、供电系统、综合监控系统、安防及门禁系统等多个专业。

图1 深圳地铁9 号线工程线路示意图

2 BIM 技术简介

BIM 即建筑信息模型[8] ( Building InformationModeling) 是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础,进行建筑模型的建立。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性5 个特点。利用三维建模技术,把整个工程的三维数字模型建造出来,制作出一个只存在于电脑里面的数字工程模型,然后通过向这个模型中添加工程的所有相关信息,形成一个工程信息数据库。

利用BIM 技术实现不同专业设计之间的信息共享,实现设计碰撞检测、能耗分析、成本预测等[9]。用于施工及管理实现动态、集成和可视化的施工管理并实现建设项目施工阶段工程进度、人力、材料、设备、成本和场地布置的动态集成管理及施工过程的可视化模拟[10 - 11]。BIM 技术涵盖的范围见图2。

3 BIM 应用管理机制的建立

深圳地铁9 号线工程深化设计工作,利用现有的资源及组织架构,对本次深化设计工作BIM 建模流程规范化。深化设计工作流程见图3。BIM 建模工作流程见图4

图2 BIM 技术涵盖的范围

图3 深化设计工作流程

图4 BIM 建模工作流程

在拿到设计院提供的送审版图纸及设计资料后,深化设计人员应熟悉设计内容,领会设计意图。组织设计单位进行设计交底,对图纸表达不详尽或者不明白的地方进行归纳整理,并及时向设计单位进行提交,经设计答疑确认后,进行下一步深化工作。通过各方面比选,本次深圳地铁9 号线采用Autodesk 公司的Revit 软件进行建模[12]。

1) 根据土建专业图纸完成初步土建模型( 见图5) ,之后根据土建施工完成后的结构实测数据对模型进行修正,为后续的机电模型搭建工作打下基础。

2) 机电建模工作根据各专业图纸进行建模,在车站土建模型内完成各专业设备、材料、管道的整合,形成车站整合模型,并进行第1 次管线碰撞分析,统计出“差、错、漏、碰”等问题的错误清单,确认并提交图纸会审会议讨论优化决策。将图纸会审会议中决策的设计优化修改反映在车站整合模型中,经第2 次碰撞分析验证无误后,形成车站施工设计模型( 见图6) 。

图5 车站土建模型

图6 车站机电整合模型

3) 经过反复发现问题、解决问题的过程,图纸中存在的问题均得到一一解决,经深化设计人员自校后完成最终模型并导出二维图纸。完成的图纸需经设计监理、设计院审批确认后,设计院根据深化成果进行修改施工图; 若未通过设计监理或设计院审批,则需按照相关意见继续深化细化图纸。

4) 在得到设计院提供最终的施工图后,各深化设计人员进行详细阅图,对作图范围、图面表达、构件编号等进行统一的规定,然后开始工作图的转化设计,以BIM 检验标准作为阶段性成果的考核依据,确保深化设计成果文件的质量。

4 BIM 应用解决的问题

4. 1 碰撞问题

在将各个专业的模型叠加进行碰撞分析时候,会发现很多问题,主要分为以下2 类: 第1 类为风管、桥架、水管碰撞问题; 第2 类为管线与建筑结构碰撞问题。

1) 在完成车站的整合模型,进行碰撞检查时发现多处各专业管线之间的碰撞,举例如图7 所示: 给水管与风管产生了碰撞,利用BIM 技术建模完成发现这一碰撞问题,在安装时将水管向上绕过风管进行安装,避免了后期安装的碰撞问题。图8 为调整后水管翻过风管安装,避免了管线之间的碰撞,这样避免后期施工时产生碰撞,提前解决了问题。

图7 风管与水管的碰撞调整前

图8 风管与水管的碰撞调整后

2) 车站站厅层机电管线与装饰装修合模后( 见图9) 存在碰撞点: 站厅层通道存在结构降板区,降板区域板底标高为3 900 mm,在此降板区下方有尺寸为3 000 mm × 600 mm 的风管通过,且此处装饰装修天花要求标高为3 800 mm,而机电管线综合完成后支架底标高为3 060 mm,因此天花风管碰撞,达不到3 800mm 的装修标高的要求。利用BIM 技术发现了降板区对于管线及装修天花标高的影响,并对其进行优化设计,将此处的装修天花取消,以满足安装要求。

图9 车站站厅层碰撞检查

4. 2 优化预留洞口

在进行车站砌筑施工之前,首先根据施工图上各专业管线位置,在图10 中通过利用BIM 技术将风管、桥架、水管穿墙位置形象地显示出来,对土建砌筑提出预留洞口的要求; 同时将BIM 模型用于土建砌筑施工交底,使得工人能直观地了解应该预留的孔洞位置、尺寸,避免安装工程施工对砌体的二次打凿及砌筑工程的返工,保证了墙体的美观。

图10 砌筑预留孔洞

4. 3 可视化交底

在安装工程施工前需要进行施工技术交底,目前技术交底基本上使用常规蓝图交底方法,由于图纸变更、返工严重,审图不清,损耗过大等原因导致交底不清楚。利用模型进行施工交底见图11。在图11 中,现场技术人员利用BIM 技术模拟施工,对施工难点提前反映,就可以使施工组织的计划更加形象精准,可以针对整个工程进行BIM 进度计划,统筹安排,以保证工程进度如期合理完成。除此之外,利用现代移动电子设备将模型导入移动设备中( 见图12) ,现场工程师直接根据模型用于指导工人的现场施工。

图11 利用模型进行施工交底

4. 4 施工工序安排

利用BIM 技术对工程进行分解,首先将结构及建筑模型完成作为基础,机电各专业在此基础上根据现有的施工图进行建模,从中确定相关管线及主要大型436 隧道建设 第36 卷设备位置。在此基础上,再将各个细部关键部位添加进来,将空调风管、消防水管、给水管等添加到主体模型中,并得到优化过的模型成果。根据得到的BIM 模型,对施工过程当中占用安装空间资源较大的设备及管线进行优先安排施工,对于影响较小的可相对延后其施工。在得到成果后,管线的排布从上至下如图13所示。

图12 模型与现场完成对比

图13 管线综合排布示意图

根据上述要求,优化了相关的施工工序,管线按上述排布由上往下依次进行施工,这样做到了协调各专业的交叉施工,避免了各专业交叉施工的影响,并有效地节约了支架的用材,保证了安装工程的美观。深圳地铁9 号线利用BIM 技术进行深化设计共发现处理了管线碰撞问题600 余处,接口协调问题50 余项,并提出了相关管线设计优化方案,避免了施工碰撞问题造成的返工和不必要的接口协调问题; 同时可视化的模拟施工,对于施工方提升施工水平和经济效益有着明显的作用,更有利于今后工程的项目开展。

5 结论与讨论

深圳地铁9 号线站后工程通过利用BIM 技术进行深化设计,从建立组织管理到应用到现场施工模拟,将BIM 技术大规模应用于地铁施工项目管理。在地铁安装工程中BIM 技术的使用得到了经济效益,也增加了技术人员的知识水平,得到以下经验总结。

1) 管理中规范了深化设计的工作流程,保证了深化设计BIM 工作的顺利开展。本次深化设计建立了相关的组织机构,配置了专职人员,很好地保证了BIM深化设计的顺利开展。

2) 利用BIM 技术精细化管理了各个专业,减少了管线安装的碰撞及对结构的损害。根据BIM 建模碰撞问题分析,解决了600 多处碰撞问题,优化了相关方案,避免了后期安装工程管线碰撞问题对结构的损害。

3) 接口协调方面,利用BIM 技术有序地安排了各个专业施工,保证设计与施工的同步以及各专业之间的统一协调性。通过BIM 技术模拟管线安装实际情况,根据相关排布调整出图及施工安排,实现了设计与施工的同步协调。通过此次深圳地铁9 号线BIM 技术的应用,希望利用BIM 设计手段,在今后的设计施工过程中寻找和建立机电设备安装的规律和标准,解决目前随意打孔破坏结构的现象,使得工程使用寿命得以延长。

摘自:隧道建设

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