BIM技术在地铁车辆段室外综合管线优化设计中的应用*

李绵辉

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力和环境工程设计研究院，天津300308）

地铁车辆基地具有占地大，投资高，设计涉及专业多，设计牵涉面广等特点，故关心的人多、干预的人多。而车辆段作为车辆基地主要的部分，包括车辆段内室外综合管线的设计也具有上述特点。地铁车辆段室外综合管线包含牵引变、接触网、站场、轨道、路基等共十几个专业同时开展设计工作，各专业管线存在位置冲突和交叉点碰撞的情况，故需要综合管线专业进行协调优化，但仅通过单一的二维设计存在一定的设计盲区和缺陷。

刘为群[1]指出BIM技术应用于铁路工程全生命周期，精细化的BIM设计成果在施工阶段对保证工期、减少返工方面价值突出。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应用[2]。巴基斯坦拉合尔橙线项目[3]的车辆段停车场采用了BIM管线综合正向设计，通过规范室外埋管间的交叉间隔，及优化管线路由，既避免了管线施工问题，又降低了施工挖方量。天津地铁5号线[4]选择了利用BIM技术开展辅助设计，以管线综合辅助设计为主的BIM应用方案并最终获得预期效果。林耀[5]等对动车运用所室外综合管线的BIM正向设计方法进行研究，通过三维协同设计立体直观地展现了管线间的布置位置，但最终还是要通过三维模型转二维施工图方法完成成果交付。

可见，不论是国铁项目还是地铁项目，对于室外综合管线的设计都存在同类问题，即涉及的设计专业较多，管线间位置复杂且繁多。传统的施工图由于设计的原因，在实际施工过程中会存在设计表达不全的问题，此时只能依靠施工人员的经验和水平来完成施工。沈阳地铁4号线文官屯车辆段室外综合管线充分利用BIM技术能够检查碰撞的优势，通过精细化建模，将每个构件、每根管道进行精细表达，将各专业管线三维模型信息统一起来，能够直观地观察到构筑物、建筑物与各专业管线之间的关系，运用Revit软件对整体模型进行碰撞检查，生成相应的碰撞检查报告，并对各专业管线布置方案进行系统性的检查，能够及时发现施工图纸存在的问题并及时反馈给设计人员进行确认。可通过设计者优化设计方案，解决各专业管线打架、干扰的问题，把有可能在实际施工中出现的错误和问题提前解决在图纸和模型上。

根据施工图建立三维BIM模型的过程，相当于提前进行虚拟施工，可以对施工图纸进行一定程度的校核，通过碰撞检查，成功发现并解决了碰撞300处左右，并对三维建模技术预知了施工中可能会遇到的问题进行优化处理。不仅提高了施工单位的审图精度，避免了可能在实际施工中出现的问题，还对合理安排施工工序、保证节点顺利、高质量地完成车辆段室外综合管线施工具有积极作用。

1 项目概况及设计范围

1.1 项目概况

沈阳地铁4号线一期工程车辆基地设有一段一场，本文仅对文官屯车辆段BIM设计及应用进行分析，航天南路停车场的设计类似，本文不再赘述。

文官屯车辆段占地26公顷，由望花街站后引出2股出入段线，下穿沈哈铁路后进入车辆段，出入段线东西两侧各引出牵出线1股，并与各库及库内各股道连通。出入段线东侧设实训线。段址东北侧设运用库，包含停车列检库线18股（36列位），采用尽端式布置，其中洗车库及镟轮库与运用库合并建设，洗车线和镟轮线各1股。段址西北侧布置检修组合库，包括定临修库线3股，周月检库3股，静调库线1股、吹扫线1股。检修组合库和停车列检库线束中间设内燃调机及工程车库线3股道，满足调车作业。检修组合库线西侧设2股道平板车线，平板车型西侧设堆场。试车线平行于沈哈铁路呈南北走向，在段内东侧，有效长度1300m，满足高速试车要求。车辆段内的办公楼、综合维修中心（含换热站）设在检修库北侧。咽喉区西侧集中布置了物资总库、材料棚、汽车库。段址东侧设置杂品库、垃圾转运站及污水处理站、蓄电池间、牵引降压混合变电所。

1.2 BIM辅助设计应用的目的

二维设计的优点是能够快速的在总平面图中体现出平面相对位置关系，也能更好地进行管线路由的变更操作，缺点是不能很好地反映出各交叉管线间的立体相互关系，只有数点区域和剖示图能够表示出管线相对位置，但数点区域和剖示图有限，不能完全反应出相对位置关系。且二维设计存在变更较多，不同专业在不同阶段，有不同的设计变化，存在变化多、版本多的问题，在人力和时间上存在浪费，故存在一定的局限性和缺陷。

BIM技术在室外综合管线的应用上，其优点是能够体现出所有管线的立体位置关系，是否碰撞一目了然，且通过对房屋的建模还可以对接好各室外综合管线入户位置是否准确，是对所有细节问题的一次全面排查，也相当于是施工之前的模拟施工环节。本文将二维设计和BIM设计的优势相结合，将会对室外综合管线的施工作出更详细、更有用的施工指导意见。

1.3 BIM设计范围

沈阳地铁4号线一期工程文官屯车辆段室外综合管线BIM设计，包含工艺、牵引变、接触网、站场、轨道、路基、桥涵、建筑、结构、暖通、给排水、动照、通信、信号、FAS/BAS、综合监控等共16个专业。

1.4 设计流程

文官屯车辆段室外综合管线的设计是在二维设计的基础上进行BIM设计，通过创建管线模型形成碰撞检查报告，对报告中发现的问题及时地反馈二维设计者，通过优化设计指导二维施工图。室外综合管线BIM应用设计流程如图1所示。

图1 室外综合管线BIM应用设计流程图

2 文官屯车辆段模型对比图

本文主要研究BIM技术在文官屯车辆段室外综合管线应用的情况。车辆段模型对比如图2所示，左侧为二维设计施工图，右侧为三维软件制作的模型。

图2 文官屯车辆段模型对比

3 室外综合管线的BIM应用

本文基于沈阳地铁4号线文官屯车辆段的室外综合管线，对比二维和三维在室外综合管线设计的优缺点，并探索两者之间结合的可能性。开展了室外综合管线全专业BIM设计，完成模型建立、模型校核、碰撞检查、方案优化设计、接口深化设计等工作，配合完成施工图纸修订，并形成碰撞优化报告；以施工应用需求为导向，完成BIM设计成果向施工的数字化交付和传递，满足施工阶段深化应用需求。

3.1 二维相关专业管线布置原则

室外综合管线布置应使管线之间及管线与建构筑物基础、股道、道路、接触网支柱、地面排水沟、绿化等设施之间在平面和竖向上相互协调紧凑，满足施工、检修、安全等要求，做到节约用地、经济合理。二维室外综合管线局部布置图如图3所示。应依据《工业企业总平面设计规范》（GB 50187-2012）、《城市工程管线综合规划规范》（GB 50289-2016）等相关规范的要求，做到满足以下管线交叉原则：

图3 二维室外综合管线局部布置图

（1）施工过程中须严格遵照国家及地方相关规范和规程，互相配合，合理避让。各专业管线发生矛盾时，一般可按照以下原则处理：管路之间发生交叉时，有压管让无压管；支管让干管，小管径让大管径，可弯曲管让不可弯曲管。

（2）各管线与站场排水沟交叉时一般从排水沟下面通过，当被迫穿管通过时需做套管并做好排水沟的防水处理。

3.2 BIM管线模型创建原则

车辆段标段BIM设计及应用需执行中国铁路BIM联盟和建筑行业现行的一系列标准、规定：如《铁路工程信息模型交付精度标准（1.0版）》《铁路工程信息模型表达标准》《铁路工程实体结构分解指南（1.0版）》《建筑工程设计信息模型交付标准》等。

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辆段内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。文官屯车辆段室外综合管线BIM模型图如图4所示，图中包括所有专业的管线和相关构件。

图4 车辆段室外综合管线BIM模型图

3.3 BIM碰撞检查分析

文官屯车辆段项目中站场、给排水、电力、接触网、通信、信号、房建、暖通等十几个专业参与设计，传统二维管线综合设计并经院审后，再进行三维碰撞检查，依然存在302处碰撞冲突。按照以往情况，这些冲突就要到施工阶段解决了，可见会给现场施工带来很大的协调量和变更。

本文将碰撞中类似的问题，通过总结整理为62项典型的碰撞问题。通过BIM室外综合管线协调会，各专业济济一堂，解决相关的碰撞问题，会后发现需要一个专业修改优化的碰撞问题有16项，两个专业相互碰撞的问题有31项，三个专业间需要优化解决的碰撞问题有8项，四个专业间需要优化解决的碰撞问题有5项，五个专业间需要优化解决的碰撞问题有1项，六个专业间需要优化解决的碰撞问题有1项，如图5所示。不同问题都需要各专业设计来协调优化，最终完成调整意见的汇总，即为碰撞优化报告。

图5 管道干涉专业间数量统计图

3.4 BIM对二维施工图的优化设计指导

通过对碰撞优化调整情况的分析汇总，将碰撞优化归纳总结为方案优化、路由优化、接口优化、局部优化、结构特殊处理五种类型，其典型示例如表1所示。碰撞优化典型示例如下所述。

表1 室外综合管线碰撞优化典型示例

方案优化：BIM模型中椭圆形位置表示的是牵引变电缆沟、站场排水沟都要从两个接触网支柱中穿过，存在路由冲突，且站场排水沟还要穿越牵引变电缆沟两次，通过方案优化取消了部分站场排水沟的路由，避免了专业间管道冲突的可能。

路由优化：BIM模型中椭圆形位置表示的是信号电缆槽、站场排水沟都要从两个接触网支柱中穿过，且沿着站场排水沟的方向，有些接触网支柱的间距过小，路径位置更为困难，通过路由优化取消了此处的信号电缆槽的路由，只留了站场排水沟通过两接触网支柱，不会存在各专业管线路由位置不足的情况。

接口优化：矩形框中动照排管和通信四通人型孔发生干涉情况，通过优化通信四通人型孔的位置，避免了动照管线和通信人型孔冲突的地方，又通过优化喷淋管的路由避免了喷淋管和通信人型孔冲突。

局部优化：两矩形框标注的给排水污水井在运用库前平交道路边，给施工带来了不必要的麻烦，通过局部优化将给排水污水井挪到平交道路内侧。

结构特殊处理：矩形框中牵引变电缆沟旁边的站场排水沟不具有位置通过，通过把接触网支柱改为过水型接触网支柱后，即通过结构特殊处理解决了站场排水沟路由间距不足的问题。

4 BIM设计存在的问题总结和展望

4.1 BIM设计存在的问题总结

（1）本文通过二维设计图纸应用BIM技术的方法，能够通过碰撞检查解决部分施工过程中存在的二维图纸中信息表达不全等问题，对管线位置的体现较为立体，但是并没有取缔二维设计，没有提高设计效率，相反还增加了时间来完成BIM模型的创建。此外，也没有体现出BIM多专业间协同设计的优势。

（2）现阶段BIM成果交付形式还存在一定问题，即使采用BIM三维正向设计后，设计院和施工单位还依然停留在依赖二维图纸展现成果的基础上，交付设计成果时还需要BIM生成二维图纸后向施工单位交付，故BIM只能作为补充设计的一种方式。

（3）若BIM通过发展能够实现以三维的方式交付，其三维交付的形式、内容、深度等也有待于进一步的明确和规定，且设计收费缺乏依据。

（4）BIM模型根据使用的三维软件的不同，存在交付时模型过大的问题，需要进行模型轻量化处理后进行交付。如清理外部链接文件和内部多余的族构件、模板等。

（5）目前，BIM技术在室外综合管线的辅助设计中，虽然减少了施工过程过度依赖施工人员经验和水平等问题，但还不能通过4D施工模拟指导室外综合管线施工。

（6）虽然国内大量轨道交通工程在积极推进BIM技术的发展，在设计阶段取得了良好的效果。但是，BIM在整个项目生命周期，对于项目管理、协作、施工以及项目建设完成后的运营管理与维护等方面还没有发挥应有的价值。

4.2 BIM设计展望

（1）BIM的未来需要时间的磨合，完全实现轨道交通行业的BIM设计是一个长期的过程，需要轨道交通设计各专业的通力配合与共同创造，其实现不仅仅是带来一次设计技术的进步和更新换代，也将促使施工和运营方式的一次转型，对整个轨道交通行业将会产生深远的影响。

（2）政府需在轨道交通BIM发展中也发挥一定的作用，尤其是在政府投资的项目上率先应用BIM技术，出台相应的政策、制定基础标准，引导行业发展；业主是项目的最大受益者，对BIM应用予以资金保障；企业也需发挥主观能动性，加大对BIM的研发和设计能力的投入。

（3）未来4D施工模拟可视化可使施工人员更容易识别出潜在的作业次序错误和冲突问题，以实现施工进度、资源、成本等的可视化管理，大幅度地提高了施工效率、缩短工期、节约成本等，对场段室外综合管线施工具有深刻的指导意义。