基于BIM的综合交通枢纽管线综合设计研究——以京张高铁清河站设计为例

王欣睿

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

综合交通枢纽是融合多种交通形式的复合功能建筑，一般具有工程整体规模体量大、内部功能多样复杂[1]、各部分空间由多种结构形式组合构成等特点。由于枢纽建筑内涵盖多种交通设施，不同设施对应设备系统不同，各专业设备机房还需独立设置等因素，其综合管线设计具有专业多、管线形式多样、数量大、接口复杂；同一空间内，多种设备管线集中并联敷设；不同专业管线覆盖范围大，需立体串联等难点。而综合管线的合理排布可以协调各专业管线避免碰撞冲突，充分利用有限空间，结合土建装修设计优化室内净高，从工序上指导施工避免返工，提高整体工程设计和施工质量。因此，管线综合设计是枢纽建筑施工图及深化设计阶段的重要环节之一[2]。

综合管线设计需以符合国家相关规范及各专业具体工艺要求为前提，在了解建筑各层平面、结构形式、管线整体路由的基础上，协调设备管线间矛盾，真实反映各管线路径及相互关系。综合排布后的管线应尽可能高处布置、平行排布、互不交叉。

由上可见，枢纽建筑管线综合设计要求高、技术新、专业性极强，是专业间协调平衡的体现。相较于传统二维图纸设计不够直观、协同性差等局限[3]，BIM技术可从可视化、协调性、模拟性三个方面有效助力管线综合设计[4-6]，解决专业设计内容复杂而展示方式单一，参与专业众多但专业间配合难以协调，施工建设要求高效率、高标准等问题。

2 综合管线设计原则及特点

2.1 综合管线布置基本原则

管线综合设计是协调众多专业，在机电安装工程施工前综合考虑各专业管线，预先判断可能存在的问题，统一合理布置的过程[7-8]。

设计前应充分了解各专业设计图纸，并着重熟悉几点内容，包括：建筑各层平面和使用功能；建筑结构形式、各层梁高及高程控制点处净高；装饰装修形式和构造厚度；各专业设备系统内容，设备分布情况，管线组成、种类、材质、数量、尺寸、分布特点等。

设计时需要整体考虑各类管线管槽，以保证设备功能为前提，以各专业工艺规范要求为依据，并以下列原则作为综合布置基本原则[9-10]。

(1)各类管线尽量利用梁内空间，贴梁底走管，平行敷设。

(2)小管道让大管道、压力管道让无压(重力流)管道、可弯管道让不可弯管道、冷水管道让热水管道、附件少管道让附件多管道、临时管道避让永久管道。

(3)各管线同一处垂直方向布置时，风管在电管线上、电管线在水管线上、给水管在排水管上、无关管线避让设备正上方。

(4)管道布置时需满足管道间互不干扰的安全距离要求并预留后期扩展空间；需考虑管道保温层厚度和各处支吊架占用位置和空间；需在充分考虑管线安装顺序影响后预留管线安装检修空间，并结合检修路线布置设备检修口和检修通道。

2.2 交通枢纽管线综合特点

交通枢纽建筑因需应对不同空间的使用要求，涵盖设备系统多样，专业复杂，管线繁多。涉及专业除民用建筑中常见的水、暖、电等，还包括铁路相关的照明、供电、信息、信号、通信、FAS、BAS、综合布线等[11-12]。常见枢纽内还包含地铁功能和市政功能等，因不同功能投资主体不同、设施管理界面需分明，则需设置可分开管理并对应不同功能的设备系统和机房。专业叠加而空间有限，是综合交通枢纽建筑管线综合设计的重难点。

此外，在枢纽建筑中，公共空间作为不同交通功能的转换空间，是乘客换乘、等候、通过的多功能复合空间。同时，公共空间也是不同专业设备干管贯通交汇、管线布置最为集中、末端设备最多的空间。如何在有限的吊顶、夹层空间内，统筹安排各类管线，最大限度节约可用空间，增强建筑空间感，是综合管线设计的重中之重。

3 清河站管线综合设计

3.1 项目概述

清河站作为京张高铁第二站，2022年冬奥会始发站，总建筑面积14.6万m2，包含高铁站房，轻轨13号线，地铁昌平线南延和19号线支线车站，公交场站、出租与社会车辆场地及其他市政配套相关工程，为综合交通枢纽车站。

清河站含地下2层、地上2层，局部设置夹层。主要公共空间由地下二层地铁昌平线南延和19号线支线站台层，地下一层城市换乘通廊、地铁付费区、国铁出站厅和出站通道、首层国铁进站厅、地铁13号线站台和国铁站台(共5台10线)，二层国铁高架候车厅及局部商业夹层组成。

作为高架车站，清河站各专业管线主要分布在高架候车厅下方管线夹层、站台下管线通廊、地下一层换乘大厅吊顶等空间内。其中，为站房内公共空间服务的管线分布在站厅下方夹层及地下一层吊顶空间内。

3.2 清河站管线综合设计内容及特点

清河站综合管线设计以管线综合和装修设计一体化为前提，结合土建结构设计，综合考虑设备管线安装方式；结合旅客通过、等候时的感官感受，协调并优化各部分空间尺度；结合装饰装修深化设计，细化管线末端布置。

在地下一层换乘大厅管线综合设计中，由于该空间结构组成为冠状曲线预应力清水混凝土柱承托大跨度U形预应力桥梁结构和钢筋混凝土站台梁板结构，预应力结构浇筑后不可穿凿，严格限制了管线后期安装形式，如图1所示。

图1 地下一层结构节点

在U形梁设计时，即在梁底预留埋件，为后期吊顶及管线安装提供支点。因考虑到U形梁上方轨行区在列车通过时存在振动可能，且吊顶内大部分国铁、地铁管线需南北、东西向贯通并引入大厅两侧设备用房，局部管线重叠处集中荷载较大，U形梁结构埋件无法承受。在管综设计时，采用分层分通路设计思路，利用梁下预埋件固定加密平面网格转换结构，为吊顶龙骨吊杆提供吊点。此外，因轨道下方垂直U形梁方向的贯通管线，多数平行分布在清水混凝土柱顶盖梁两侧，由此在盖梁两侧平行方向设置钢结构桁架通廊。桁架两端固定在站台梁下方，不与U形梁结构连接，故不会受到轨行区振动影响，可为横轨管线安装提供稳定支撑，如图2所示。两轨道间顺轨向贯通管线分通道集中排布在站台对应的机电管廊下方，两组桥梁盖梁之间，利用站台梁结构为综合桥架支点，分区域布置国铁地铁管线。此外，其他需利用预埋件及平面转换结构分散均布吊装的设备，如喷淋支管喷头、暖通风口、烟感探头、国铁地铁广播、显示屏、标识系统等，均在吊顶平面内统一排布，避免分布不均造成局部点位设备集中。施工时，应同样以设计思路为依据，即按平面转换网格—横轨贯通管线—顺轨贯通管线—分散设备—吊顶等，分层分步吊装，如图3所示。

图2 地下一层横轨钢结构桁架

图3 地下一层吊顶内管线布置效果

在高架站房设计中，为保证候车厅整体开敞、明亮的效果，大部分为站厅层服务的管线均布置在其下设备夹层中。高架候车厅结构形式为实腹钢梁结构，下方主梁高度2.1 m，利用此结构高度作为设备管线夹层。设计时在钢梁上均匀预留高度为1 m，宽度0.75～1 m不等的洞口，形成管线贯通连接空间，如图4所示。夹层管线除水、暖、电、四电专业管线外，因设置密闭垃圾系统等，管线密集繁多，接口复杂。在管综设计时，优先考虑满足重力流管线如污、废水管的贯通排布及其坡度变化，其次排布管径DN500 mm的密闭垃圾设备管道后，依序排布其他专业管线。此外，在设计管线路由时，需结合站厅层地面检修口设置，以确保夹层内每个空间均可进人检修并预留出检修人员专用路径；夹层内设计反光导向标示，防止人员在设备层迷失并缩短检修路径，方便管线设备维护管理。

图4 高架夹层管线综合布置(单位：mm)

3.3 清河站管综设计BIM技术应用

清河站各层功能综合、建筑体量大、机电管网交错，土建结构形式多样。在综合管线设计阶段，除以传统二维设计图纸为基础，还利用BIM技术进行辅助设计，三维模拟建筑空间，解决了异形双曲面吊顶、曲线结构定位等问题；并针对图纸中难以发现的错、漏、碰、缺等问题，逐一排查调整，进一步优化综合管线排布路由[13-15]。

BIM技术对管线综合及装修设计一体化的指导，主要体现在以下5个方面。

(1)BIM模型进行碰撞检查。建筑内所有设备管线以三维效果展示在真实模型空间内，可以直观发现管线“打架”节点和观察管线与结构之间的关系，发现隐藏问题并暴露碰撞矛盾。例如，在清河站地下一层，管线在设备区和公共区交界处，受梁高和吊顶高程限制，需在梁下集中翻转后分方向散开，通过BIM模型可观察不同走向管线与结构和吊顶的高度关系，一目了然发现交叉碰撞问题并调整，如图5所示。

图5 BIM模型进行碰撞检查调整对比

(2)BIM模型验证复杂空间。传统二维综合管线设计通常选取管线局部复杂交叉点进行剖切设计，难以贯通体现管线排布变化；分散布置的单一设备仅平面进行简单叠加，无法全面分析节点处空间关系[14]。而BIM技术可针对复杂位置进行数据信息整合，多维协调管线设计得以实现。例如，在清河站地下换乘大厅内，BIM模型中整合了柱曲线盖梁、U形梁预埋件、挡烟垂壁、钢桁架、大型风管及其他管线、喷淋、烟感、扬声器、灯具、标识吊杆等全部构件及设备终端设计，精确每处空间平剖面关系；此外，着重验证局部管线集中荷载较大位置，强化结构设计和支吊架设计。

(3)BIM模型解决净高问题。交通枢纽建筑工程结构复杂、造型多样、施工工艺要求高，在设计阶段就需尽早考虑结构、管线安装、吊顶装饰高程协调的问题[16]。尤其在公共空间设计中，综合管线排布将直接影响室内净高及其装修效果。利用BIM技术的可模拟优势，结合VR(虚拟现实)技术，对不同区域净高进行综合排查，找出净空不利点位置，及时调整管线路由或改为预留穿梁套管，可提早发现并解决问题，如图6所示。

图6 BIM模型检查净高不足位置

(4)BIM模型优化设计。三维模型的优势是多专业合并立体展示，细部直观表达。如一般钢结构图纸中钢梁仅显示为单线，在清河站BIM设计中导入钢结构模型后，钢结构真实造型、尺寸厚度、细部加劲肋、连接杆件等，均得以全面观察，钢结构空间管线排布可进一步优化，如图7所示。在站厅下方管线夹层中，使用BIM进行漫游模拟，可确保夹层内每个空间均可进人检修，并模拟出最优检修路径。

图7 BIM模型优化设计

(5)BIM技术三维交底。在完成一系列检查及优化后，最终各专业除对照BIM模型导出的二维深化图纸进行深化设计确认，还可结合模型及视频，进行动态可视化交底。原二维平面设计图纸中难以展现的细节，均可通过BIM深化设计模型，全面观察、逐一确认、精确把控。三维交底成果除可以上传至手机、平板电脑等移动设备应用软件中展示，方便施工人员现场查阅、指导施工外[17]。还可以依据交底成果对所有设备管道进行预制加工，保证装配式安装的精确性[18]。

因现阶段铁路车站BIM设计、交付及实施标准尚未统一制定，BIM生成的施工图与国家制图标准及铁路审图标准还存在一定差距；且因BIM全信息模型创建通常滞后于二维图纸设计，正向设计难以实现等因素。BIM技术在枢纽车站建筑管线综合设计中的应用还略有局限，尚无法完全取代传统设计方法。而其作为辅助设计工具，优化既有设计并在后续施工指导和设备管理维护等方面的应用已取得良好的成效。

3.4 综合管线相关抗震支吊架设计要点

管线支吊架设计是保证综合管线安装质量的重要因素之一。在车站建筑中，为保证公共空间的净高及各部位管线安装稳固牢靠，施工深化设计大多采用综合支吊架并进行专业抗震设计。抗震支吊架在地震中对建筑机电工程设施给予可靠保护，是以地震力为主要荷载的支撑系统，与以重力荷载为主要荷载的支吊架系统共同设置，相辅相成[19]。

抗震支吊架由锚固体、加固吊杆、抗震连接构件及抗震斜撑组成。其设计需基于准确的机电管线综合排布和主体结构的形式及定位，以保证抗震支撑的安装空间[20]。在清河站设计中，利用BIM技术，可从三维角度直接观察每处支吊架设置横向或纵向斜撑的空间条件，从而确定斜撑布置点位和间距，对斜撑的形式和角度进行针对性设计。可有效避免因现场实际安装条件与设计图纸偏差造成的返工浪费问题。

4 结语

随着铁路科技的不断进步发展，新型交通枢纽建筑的综合管线设计对综合性、专业性要求越来越高。通过BIM助力管线综合设计，不仅可以保证建筑功能和设备系统功能，还可有效衔接管线设计和后期施工两个阶段，从而达到提高施工效率、节约建设成本、提升建设质量、实现精品化工程的目的。