BIM技术在南阳东站机电工程中的应用研究

付逸群

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 建筑设计处，北京 102600）

建筑机电工程主要包括暖通、给排水、电气3大专业。机电工程的施工质量直接影响着建筑工程的整体质量，机电设备安装和管线排布的合理性，决定着竣工后站房是否可以实现安全运维。

在传统的设计中，建筑机电工程的设计成果是由不同专业的设计人员通过 CAD 绘制的二维平面布置图与系统图组成的，CAD 图纸展示效果不够直观，非专业人员难以理解[1]，且机电工程由多专业相结合，设计人员难以从二维图纸上获取对其它专业设备及管线空间上的认知，容易造成各专业间管线甚至是设备间的冲突。而这些问题往往集中在施工阶段才被发现，容易引起设计变更，造成资源与工期的浪费，甚至会带来质量隐患[1]。

新建郑（州）—万（州）高铁全长785 km，全线设18座站房。其中，南阳东站是郑万铁路河南段中最大的车站。本文主要介绍建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术在南阳东站的机电工程施工中的运用情况。

1 施工设计和优化

1.1 建立三维模型

机电BIM工程师基于各专业设计师提供的二维图纸进行建模。创建土建工程模型；将机电工程中不同专业的设备、管线形成其相应的族库；通过与各专业设计师的沟通，逐步完善各自的三维族库，保证各系统模型的完整。在搭建模型时，机电BIM工程师需录入合同采购单价、材质、供货商等信息，以便编制合理的生产进度安排、精细化成本管理，同时奠定良好的运维基础[2]。

南阳东站的机电工程分为地下一层、首层、夹层和屋面层4层。涉及到的各专业三维模型建立情况如下。

（1）暖通专业：包括送风系统、回风系统、排风系统、排烟系统、空调冷冻水供水回水系统、空调冷却水供水回水系统、多联机系统。如表1所示，将暖通专业各系统管线进行配色，建模时需按照配色表对模型进行着色，方便后期区分、优化。

由于通风系统管线普遍较大，且较为简单，风管一般都在其他专业管线上；在暖通专业范围内，管道敷设及排列标高需依据先无压后有压，先风管后水管的原则进行敷设，给水管、自喷管需结合现场情况进行敷设；冷凝水管在安装时，应注意排水坡度；同时也应注意对有保温需求的管道进行保温材料的空间预留。

表1 暖通专业各系统管线配色表

（2）给排水专业：包括生活给水系统、排水系统、废水系统、雨水系统、消火栓系统、喷淋系统、消防水炮系统。如表2所示，将给排水专业各系统管线进行配色。该专业各系统管线较多，且较为复杂，建模时需注意管道接口部分、管道的孔洞预留与管道的坡度，同时，需尽量避免将水管设计在电缆桥架上方。

表2 给排水专业各系统管线配色表

（3）电气专业：包括强电桥架、弱电桥架与消防桥架，如表3所示。电气专业各系统间线路都集中在桥架内，安装时需注意强弱电的区分，同时，避免桥架在水管的正下方。

表3 电气专业各系统管线配色表

南阳东站各层管线分布如图1所示。

将各专业系统模型创建完成后，使用Dynamo参数化辅助管线综合（简称：管综）深化。本文针对南阳东站复杂的管线排布，采用Dynamo参数化差异对结构模型的显示效果进行修改。根据梁底标高对梁进行着色，从绿色到红色，代表梁底标高从高到低，如图2所示。图中直观展现了管综标高位置的分布情况，从而辅助设计人员有针对性的对结构标高底的位置进行管综优化。

基于已有的BIM管综模型，可出具剖面安装图、轴测图及制作安装模拟动画[3]，用于施工方案模拟及技术交底。

1.2 碰撞检测与碰撞报告

本文利用 Navisworks 软件的碰撞检测功能对南阳东站机电工程进行总体上的碰撞检测，分别对结构与机电以及机电各专业之间的管线进行碰撞检测，南阳东站水管与电缆桥架碰撞检测如图3所示。

碰撞检测完成后，可通过Navisworks软件将碰撞位置、图像、距离、碰撞的构件等信息以HTML文件的格式导出。图4为对机电与结构进行碰撞测试后导出的碰撞报告。

针对碰撞报告中给出的碰撞定位、间距和构建等进行分析，将碰撞的位置、分类以及碰撞问题的描述等信息制作成碰撞问题记录表，如表4所示。

1.3 量化数据

表4 碰撞问题记录表

本文基于BIM技术确定管综排布方案，在保证机电系统功能和要求的基础上，结合装修设计的吊顶高度情况，对管线的间距、高程等数据进行合理优化，满足设计、施工及后期运维要求，并将相关碰撞问题汇总成表，形成碰撞问题类别统计表，如表5所示。

表5 碰撞问题类别统计表

对相关碰撞问题进行汇总后，划分各类碰撞问题的处理优先级，对重、急问题进行优先处理，对诸如结构与机电碰撞导致施工时无法安装的问题进行提前变更，有效避免了在施工阶段发现错误及返工的可能，从而达到提高沟通效率、节约施工成本、减少变更返工、加快施工进度等目的，显著提高了参建各方的工作效率[1]。

1.4 管综二次深化设计

针对收集到的问题，对机电系统进行二次深化设计，并对管综排布进行优化。

深化设计的流程依次为：确定吊顶标高、确定管综控制区域、其他碰撞位置的优化、支吊架布置及空间预留、管综优化记录留存及问题销号，其中，确定管综控制区域为重点，管综控制区域应趋近于结构最低点和管线最复杂位置。

管综优化应先完成管综控制区域的管线排布，再根据控制节点标高调整其他位置管线；在竖直、水平方向上，管线布置应在满足标高要求的同时满足预留空间要求。

以南阳东站管线最为复杂的地下一层为例，机电专业所有的管线系统在地下一层均有设置，为管线综合重点区域。本层选择B～C/2～3区域以及中轴对称位置作为管综控制区域，图5、图6分别为该区域优化前后的三维效果图。

如图5所示，优化前该区域管线分布杂乱无章，各专业管线交织碰撞在一起，无法指导施工。利用碰撞报告可针对各个碰撞部位进行优化。如图6所示，优化后，该区域的管线排布整齐有序，且更为经济、合理。

管综布置的基本原则为：保证结构安全，满足施工和维护空间要求，满足深化设计施工规范，合理利用空间，满足装饰要求。在满足上述基本原则的同时，应结合实际情况优化布置。地下一层B～C/2～3区域管线众多、排列复杂：（1）在竖向排列上应采用复杂系统在下，简单系统在上的原则，方便日后对故障部位进行排查与修护；（2）由于地下一层楼层净高较低，故选用排风在上、水电在下的排列原则；（3）在水平方向的排列上，由于无压管改变坡度和流向，对流动影响较大，故有压管需避让无压管；（4）由于水流动的动力消耗较大，气体管需避让水管；（5）考虑经济因素，如小管绕弯容易，且造价相对大管更为低廉，所以小管需避让大管。还有诸多避让原则，需结合相关专业特点及具体部位讨论。

依据各专业管线的优化原则对管线进行优化后，可输出关键节点的剖面图，优化先后的刨面图分别如图7、图8所示。管综优化后能够使用户对管线在竖向空间上的分布有更直观的认识。

1.5 技术交底

与传统纸质交底相比，三维可视化交底具有直观、易于理解等优点。使用三维可视化交底，可以让现场施工人员更加深入地理解交底内容，提升施工质量[4]。

南阳东站机电工程依托BIM技术对管综优化成果进行出图，形成关键节点处的剖面图10余张，管综平面图纸2张，单专业平面图纸6张。同时利用BIM技术的三维可视化特点，通过动画、虚拟现实等手段对现场的管综施工人员进行技术交底，直观、立体的交底文件能够避免工人对图纸产生错误的理解，使其对施工流程有直观认识。从设计人员到施工人员，关于施工要求的传递变得更加直观便捷。依托三维模型，根据施工需求对重点设备安装或者特殊区段施工进行现场模拟，有助于施工预想，发现方案缺漏，熟悉施工流程，提高施工质量[5]。

2 施工过程管理

2.1 建立机电工程管理云平台

在工程建设项目中，通过布置传感器、二维码、电子标签等采集设备，实现对人、机、料、法、环的全方位实时监控[6]。将工程数据（BIM数据、现场采集数据、协同数据等）存储于云平台，对图纸、文档、图片、视频等资料进行管理应用，并与BIM进行关联，实现实时查看和预览。所有模型及常用文本软件均支持手机、平板等移动设备在线预览。现场人员可以随时查看项目资料、项目图纸、工程资料、施工工艺、工法等文件。

2.2 进度模拟与管控

在BIM施工管理平台中，可显示任一单元工作的持续时间、计划开始时间、计划完成时间、实际开始时间和实际完成时间[7]。将现场施工数据导入BIM 5D平台并进行构件的关联，按照任务计划进行施工推演模拟，可以及时发现工期的不合理之处，并作出调整。现场施工人员根据进度计划进行施工，每日将进行的工作拍照上传，管理人员定期查看云端的现场信息，并与计划进行比对，在移动端即可实现对现场施工进度的动态管控。

2.3 成本控制

管理人员和现场技术员能够事先通过虚拟施工，发现存在的各类问题，并提前制定应对与预防措施，以减少碰撞、降低冲突，做到基本不返工，从而降低成本[8]。同时，由BIM工程师按照实际进度，每周从BIM 5D平台提取下周材料用量，以指导材料采购，避免了物资浪费问题，有利于项目资金的合理投入。

南阳东站工程项目运用BIM技术，仅机电工程一项发现各类大小碰撞2471处，从而优化了现场施工，提高了施工效率，保证了施工质量，减少返工（可统计时间超过43天），利用BIM技术控制现场施工用材，显著降低物料消耗量，节约成本1200余万元。

3 结束语

BIM技术在南阳东站机电工程施工中的良好应用表明，通过运用BIM技术能够将项目管理者的施工要求最直观地展现给现场施工人员，消除双方对技术认知上的差距，从而有效地提升了施工效率。同时，通过对现场施工大数据的收集能够保证项目管理者对整个项目进度及费用的及时掌握，实现对质量、进度与资金3大目标的随时把控，为科学合理地安排工程施工提供技术支持，为施工质量提供技术保障。

本文阐述的BIM技术是在施工阶段进行介入，能够较好地为施工企业创造效益，但本文中的BIM是施工企业运用设计单位提供的二维图纸翻模建成的，BIM工程师在建模时可能会存在对设计意图理解不到位的情况，导致有大量技术问题需要在后期设计交底时解决，这种情况也同样值得探讨。