三维管线综合设计在南京地铁中的应用探讨

高继传，江文化

(1.南京地铁建设有限责任公司，南京 210017；2.北京芘苜信息技术有限公司，北京 100085)

三维管线综合设计在南京地铁中的应用探讨

高继传1，江文化2

(1.南京地铁建设有限责任公司，南京 210017；2.北京芘苜信息技术有限公司，北京 100085)

基于当前南京地铁中三维管线综合设计的应用总结，探索地铁三维管线综合设计要点和管理模式。对比传统二维管综设计方式，以南京三维管综设计具体成果为依据，论证地铁行业中采用BIM技术开展三维管综设计的显著效益；基于南京经验对当前地铁三维管综常见的3种管理模式进行优劣对比论证；最后，对地铁业主单位如何采用BIM技术开展三维管线设计、以及在设计阶段和设计施工阶段的管理重点给出明确建议。

地铁；三维管线；综合设计；建筑信息模型(BIM)

随着我国社会经济和科学技术的飞速发展，国内已进入了城市轨道交通建设的高峰期，很多大中城市都正在建设或者筹划建设城市轨道交通系统。而轨道交通系统也是集土建、设备等十几个专业的大型复杂系统，各设备专业管线设计尤为繁多复杂，特别是地铁车站，常常出现管线之间或管线与结构件之间发生碰撞的情况，给施工带来麻烦，影响建筑装修净高、造成返工或浪费、延误工期、甚至带来安全隐患；混乱的管线布置、狭窄乃至缺失的维护间距给后期的地铁运营维护更是带来很大困难。

1 二维管线综合设计和施工的缺陷

为减少上述地铁设备管线碰撞情况的产生，在南京地铁2号线工程设计中引入了管线综合设计流程，用来协调各专业的管线布置。但在实际工程建设中，由于这种管线综合设计只是将各专业的平面管线布置图进行简单的叠加，按照一定的原则确定各种系统管线的相对位置，进而确定各管线的原则性高程，再针对关键部位绘制局部的剖面图。因此这样形成的管线综合设计图纸只是平面的、二维的，虽然在一定程度上改善了管线设置冲突的现象，但还是存在很多缺陷，仍然难以有效地解决管线冲突带来的问题，具体如下[1]：

(1)管线交叉的地方靠设计人员肉眼识别，碰撞无法完全暴露及避免；

(2)碰撞处的管线调整有局限性，管线连贯性难以全面考虑，常顾此失彼；

(3)管线的标注和高程不准确，往往不考虑壁厚、法兰、保温层等参数；

(4)在国内设计周期紧张的条件下，各专业会签和审图人员审查难以尽责；

(5)多专业叠合的二维平面图纸图面复杂繁乱，施工、监理人员读图困难。

因此在南京地铁新一轮建设中，考虑采用三维管线设计来克服传统二维管线综合设计的缺陷，来解决管线设置冲突这一问题。

2 建筑信息模型(BIM)技术[2-4]

BIM建筑信息模型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，优化性和可出图性五大特点。它将建筑信息在设计阶段、施工阶段、运营维护阶段进行传递，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高设计质量、降低施工单位的材料损耗以及设计、施工和建设方的管理成本，大大提高各方的工作效益，从而创造社会效益。BIM模型是对整个建筑设计的一次“预演”，建模的过程同时也是一次全面的“三维校审”过程，在此过程中可发现大量隐藏在设计中的问题，这些问题往往不涉及规范，但跟各专业配合紧密相关，在传统的单一专业校审过程中很难被发现。特别是对于地铁车站这样一个富集各种管线、空间有限的复杂工程项目，采用BIM技术进行三维管线综合设计有着明显的优势及意义。

2.1 建筑信息模型(BIM)软件

实现BIM技术的核心是软件平台，它负责载入工程的各相关专业系统的数据信息，从而形成完整的、高度集成的建筑工程项目信息化模型，这是进行三维管线综合设计的基础。因此一个高效易用的三维设计平台软件是必须的，目前比较知名的BIM平台软件主要有Autodesk公司的Revit、Bentley公司的AECO SIM、广联达公司的MagiCAD、Graphisoft公司的ArchiCAD、Dassault公司Catia，以及天正CAD等。这些软件各有特点，相比较而言Revit、AECO SIM和MagiCAD的功能性、易用性更胜一筹，在国内的建设工程领域的市场占有率更高一些。

2.2 建筑信息模型(BIM)的应用

国内工程建设领域应用BIM技术起步较晚，设计精细化程度和认知程度还有待提高，在目前阶段，国内关于BIM的试点应用主要集中在三维建模、管线设计及碰撞检测上。碰撞检测基于有限单元分割原理和三维碰撞算法，自动计算识别建筑实体与管道实体以及管道实体相互之间的冲突问题，并用醒目的方式标示出来，进而经各专业确认调整后实现纠正[5]。

城市轨道交通是个多专业复杂系统，设计承担单位相对专业、有限、固定，在国内特有的工期紧迫，大干快上建设轨道交通的情况下，设计人员的数量和经验都非常欠缺，疲于应付工程建设，因此在BIM技术应用方面的积极性不高，落后一些以城市大型建筑为主业的城市规划设计单位。但随着国内轨道交通建设的发展，各城市地铁业主一直受困于设备管线复杂混乱的局面，因此也成为在三维管线综合设计方面最为积极的推动者，寄希望通过这一技术手段来减少管线冲突，以新技术、新管理方式来弥补业主、设计、施工、监理等工程各方因工作量大导致的相对力量分散、水平下降的现象。目前，天津、上海、南京、无锡、宁波、厦门、广州等城市地铁公司都开展了三维管线综合设计的试点和应用，南京更是在3、10号线车站设计中全面采用了这一先进的设计理念和技术。

3 BIM技术南京地铁三维管线综合设计的应用

3.1 设计管理模式

在历经1、2号线建设后，南京地铁深感管线综合设计的质量给工程建设带来的影响，在新一轮地铁设计合同文件中就明确要求各线路车站设备管线采用三维管线综合设计，并在执行阶段制定了专门的设计管理规定。南京地铁在这一轮建设周期内采用了如下管理模式。

(1)设计总体总包单位是三维管线综合设计组织牵头单位，负责制定标准、管线布置原则、检查督促设计进度和质量，组织和协调重大的管线布置冲突问题，建筑/设备副总体是该线路三维管线综合设计的总负责人。

(2)车站工点(含土建、风水电、管综)设计单位是三维管线综合设计的主体单位，选定设计平台软件，完成管线设计、碰撞检测和矛盾协调工作，设置二维/三维管线综合设计负责人。

(3)设备系统设计单位是三维管线综合设计的配合单位，提资、会签，确保各自专业图纸与工点院二维/三维管线综合图纸一致。

(4)业主在出图前组织各方联合检查二维/三维管线综合设计成果，并予以考核评判。

(5)审图单位是二维/三维管线综合设计的复核单位，检查各专业接口条件和三维管线综合设计流程是否完备。

3.2 设计应用过程及要点

南京地铁3、10号线自2011年底开始正式启动三维管线综合设计工作，各工点设计单位采用自行承担或委外设计方式，并选定了三维管线综合设计软件，主要为Revit、AECO SIM、MagiCAD和天正软件，全部共37个地下车站陆续开展设计，前后历时8个多月。在设计过程中总结出以下工作要点。

(1)设计总体单位制定的施工设计标准，应为三维管线综合设计创造有利的土建/设备设计条件(如管线布置原则、设备区梁柱结构等等)。

(2)重点区域(设备区走廊、站厅公共区第一柱跨、站台楼扶梯、站台门端门等)管线综合设计，同时辅以装配式综合支吊架的设计。

(3)功能齐备、使用方便、可导出具有良好可视性通用文件的软件平台。

(4)二维/三维管线综合设计人的设计协调能力、经验和责任心。

(5)设备副总体的计划组织能力、协调能力和技术权威。

(6)业主的工程经验、执行决心、过程检查。

这里第(6)点尤为重要些，业主的推动力是目前地铁三维管线综合设计发展的主要动力，工作要求和过程检查必不可少，否则很可能流于形式，没有起到优化管线设计的作用。

南京地铁的三维管线综合设计最终以电子文件形式给出成果文件，提供的电子文件包含但不限于PDF 或dwg/dgn格式的三维模型，内容包含：车站整体和各层的综合管线/各设备专业管线三维轴侧图、每柱跨范围的剖面图(公共区可适当延长)；三维和传统二维管综图完全一致，包括房间和管线的标注等。图1为典型设备区三维剖面。

图1 典型车站设备区三维剖面

3.3 工程实施效果分析

通过三维管线综合设计技术，有效地在施工设计阶段真正落实了车站设备管线的综合设计要求，基本解决了管线冲突，并在大部分区段保证了运营维护空间，减少了现场返工、变更工作量。以南京地铁3号线的标准站九龙湖站为例，传统二维管线综合设计并经院审后，再通过三维碰撞检查，依然存在172个冲突；按照以往情况，这172个冲突就要到施工阶段解决了，而这只是一个站的情况，放至全线车站，可想而知会给现场带来多大协调量和变更。将本轮建设周期的10号线设备安装3标和上一轮建设周期的2号线设备安装6标进行对比(表1)。这两个标段的车站均由同一家设计单位设计，同一家施工单位施工，但时隔5年，设计、施工承担人员则更年轻、工程经验更欠缺些。

从表1可以看出，做了三维管线综合设计后，工程变更大为减少，每个车站平均工程直接变更投资就减少近40万元。而工程停滞、协调、返工的时间，施工、监理、设计人员的投入，业主的精力，以及后续运营维护等这些间接成本还没计算在内。由此可见，南京地铁的三维管线综合设计应用是成功的，有着巨大社会经济价值。

表1 采用三维管线综合设计后的工程变更对比

诚然现场还是存在少部分管线冲突的，主要是以下原因造成。

(1)部分管线提交资料不细致，有错误遗漏，以及后期设计调整增加了管线。

(2)现场土建施工误差和安装误差过大，往往吃掉了间隙富裕量，甚至侵占了部分检修空间。

(3)水阀、风阀表示不细致，手轮/扳手等处的碰撞检测间隙设置过小，导致安装后操作空间太小，运营维护不便。

(4)异型装修吊顶、风口和吊挂设备不在本次三维管线综合设计范围内，该部分存在的冲突没有在设计阶段消除。

(5)施工、监理单位读图错误或者未严格按图施工。

4 地铁三维管线综合设计管理模式探讨

目前国内各大中城市有几十条轨道交通线路在同时开工建设，开始采用三维管线综合设计的线路也日益增多，各家地铁公司也根据自身的情况和特点，尝试建立了相应管理模式。除前述的南京地铁的管理模式外，还有其他几种不同的管理模式。这几种管理模式的优缺点比较见表2。

表2 地铁三维管线综合设计管理模式对比

通过对国内地铁几种管理模式的比较，可以看出：从提高三维管线综合设计质量和地铁BIM系统综合利用，最大限度发挥其作用的角度出发，由一家单位完成三维管线综合设计更有利些；但也要看到国内地铁工程建设的实际情况，从设备管线设计到施工的时间一般不超过1年，甚至更短至半年，那么这家单位的技术实力、经验和执行能力就至关重要。在工期紧张和国内设计资源有限的前提下，建议业主单位应首先制定并落实符合自身城市轨道交通发展的三维管线设置原则和标准，定义成果文件和接口技术标准，为后续应用和扩展奠定基础。有条件的业主单位还可以扩大三维管线综合设计项目的工作内容和范围，一是增加在设计阶段对装修(含照明/风口)、导向/PIS、设备机柜等吊挂、平面设备的三维设计检查；二是增加在设计施工阶段的现场监督指导，绘制最终的三维管线竣工图，为后续的运营维护管理提供依据。

5 地铁建筑信息模型(BIM)的应用展望

我国正处于城市轨道交通建设的高峰时期，但各城市的建设条件有很大差异，管理水平、技术水平也不尽相同，对BIM系统的认识和工程经验也不同。在目前地铁BIM系统应用发展的初级阶段，第一是要按目前地铁设计标准完成工程建设，通过三维管线综合设计技术来提高设计文件质量、提高工程施工效率、减少工程返工和变更现象，减轻业主工作压力，降低各单位的管理成本；第二是以三维管线综合设计为突破口，逐步探索、扩大BIM的应用范围，包括地铁内各种设备布置设计(特别是导向、PIS、CCTV、闸机、装修的结合布置和检测)，以及外部管线、临近建构筑物相对位置关系等；第三是整合融入各组成元素的信息，包括图纸、技术说明、使用和检修状态等等，并与地铁的办公、档案、EAM等企业信息化系统逐步紧密结合起来。

实行完整的地铁BIM(建筑信息模型)是一个非常巨大的工程，需要投入大量的人力、物力、财力，而且目前国内无论业主还是相关承担单位的技术管理水平都有限，而工期更是关键性考核指标，毕竟地铁面临的是工程实际，不是一块“试验田”。所以近期地铁BIM的建设还是应以第一步实现三维管线综合设计和第二步管线和设备、装修的三维布置设计为主要目标，实现地铁建设的优化高效；待技术成熟、打下基础、锻炼队伍后，再实行第三步工作，最终形成完整的地铁BIM系统，形成构建智慧地铁的基础。

[1] 沈亮峰.基于BIM技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用[J].工业建筑，2013，43(6)：163-166.

[2] 逯宗田.铁路设计应用BIM的思考[J].铁道标准设计，2013(6)：140-143．

[3] 卢祝清.BIM在铁路建设项目中的应用分析[J].铁道标准设计，2011(10)：4-7．

[4] 董薇.铁路勘察设计BIM运用中的信息化管理探讨[J].铁道勘察，2013(5)：86-88．

[5] 任锦龙，毛路，荣慕宁.BIM技术在工程中的综合应用[J].建筑技术，2012，43(1)：79-82．

The Application of Comprehensive Three-dimensional Pipeline Design in Nanjing Metro

GAO Ji-chuan1， JIANG Wen-hua2

(1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing 210017， China; 2.Beijing BIM Information & Technology Co.， Ltd.， Beijing 100085， China)

Based on the comprehensive three-dimensional pipeline design for Nanjing Metro， this paper discuses the design fundamentals and management modes involved in the comprehensive three-dimensional pipeline design for metros. The comparison of the results of the comprehensive three-dimensional pipeline design result with that of the traditional two-dimensional design demonstrates that the three-dimensional brings about significant benefit. With reference to the results in Najing Metro with the three-dimensional design， this paper addresses the advantages and shortcomings of the three modes commonly employed in the comprehensive three-dimensional pipeline design. Finally， it gives out clear recommendations for how to use the comprehensive three-dimensional pipeline design and what are the key management points in the design and construction periods.

Metro， 3D pipeline; Comprehensive design; Building information modeling(BIM)

2014-10-17；

2014-10-24

高继传(1974—)，男，高级工程师，2002年毕业于东南大学仪器科学与工程系，工学硕士。

1004-2954(2015)07-0134-04

U231

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.030