BIM技术在降低场段综合管线碰撞率中的运用

王梦媛

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京，102600

0 引言

近年来随着我国城市化进程步伐的加快和交通基础设施的不断完善，城市轨道交通在交通行业占比逐年递增。地铁作为城市轨道交通的重要组成之一，以其高效、便捷、绿色环保等特点，逐步占据大中小城市规划建设发展的重点位置。

随着项目承揽数量的不断增长，地铁场段项目在铁路工程设计项目中也成为我单位的主营业务之一。在其设计过程中，综合管线设计涉及专业多、系统繁杂、管线密集、走向复杂，目前场段综合管线的设计多采用Auto CAD进行二维平面表达，在施工阶段再通过人工深化和现场配合施工的方式来解决管线碰撞问题。然而，该方法存在人工深化难度大、精度低、现场配合施工时间长、效率低等缺点，难以有效发现并解决管线碰撞问题，且对人力、物力、时间均有较高的要求[1]。

作为地铁项目中机电系统设计水平的重要体现，综合管线的高效设计不仅可以合理有效规划各专业的施工工序从而降低失误率避免工程返工，还能在一定程度上改善工程的施工质量并有效节约成本。因此，综合管线设计的研究前景广阔，能够产生较好的经济和社会效益。

1 BIM技术对降低场段综合管线碰撞率的意义

BIM技术以电脑辅助设计，通过构建建筑、结构等工程的虚拟三维模型，同时将数字化技术与三维模型相结合，形成包含构件的几何结构、专业属性、状态信息的完整信息库，从而将工程项目设计的信息集成化、可视化，为工程项目的设计人员、监理、业主等提供了可供协同设计、设计成果共享交互的平台。作为建筑工程、土木工程等设计行业的新工具，BIM技术也为管线碰撞优化提供了新思路、新方法，并为行业类似工程设计提供新的解决方案，具有重要推广价值[2]。

在借助BIM技术构建的三维综合模型中，各专业管线布置的空间关系一目了然，而Revit、Navisworks等软件还提供碰撞检测功能，为设计人员及时发现从而高效解决管线碰撞问题的有效手段。例如，传统二维图纸的管线综合设计在进行给排水与电气专业管线排布时，通常需要设计人员反复对比两个专业的管线设计图纸，然后依据空间想象能力在平面图中通过移动线条来调整管线位置，并对管线标高进行标注，不仅需要设计人员投入巨大的时间精力，而且布置的结果往往不够准确。BIM技术的引入可以在建立各专业三维模型的前提下，通过碰撞检测功能输出碰撞检测报告，并在三维可视化的协助下对报告中的碰撞节点一一优化调整从而实现综合管线科学排布。

在场段综合管线设计中应用 BIM 技术还有利于提升各个专业间的工作协调性：根据二维图纸在BIM软件中分别建立建筑、结构、各专业管线等三维模型，然后将所有专业的模型链接整理，形成综合的三维模型。这种将各专业设计工作有机整合的方式，在一定程度上提升设计的协同性、科学性、合理性。基于BIM的协同平台，各专业的设计人员还能够实时分享设计模型，从而提升各专业间的协调性，实现全面提升机电综合管线从设计到施工安装到成果交付全过程的合理性、科学性的目标[3]。

基于BIM技术实现综合管线可视化三维设计、管理、展示，能够及时发现并解决问题，减少返工从而提高施工质量、降低投入成本，极大提升地铁场段项目管线综合设计水平，提高设计效率，在实际工程中能够方便施工管理，减少工程变更、缩短工期。其研究成果具有较好的社会及经济效益。

2 BIM技术在场段综合管线中的具体应用

2.1 项目背景

鉴湖停车场项目为上盖开发停车场，上盖设计为未来商业开发及住宅布局预留，因此各室外管线在布置时不仅需要考虑管线间的空间布局，还要考虑与建筑结构的柱、桩和地梁基础等相互避让，大大缩减了室外管线布置的可用空间，增大了室外管线布置难度，对管线排布提出了更高的要求。该项目的室外综合管线涵盖了供电、通信、信号、FAS/BAS、给排水、消防等多个专业的管线、水管等，涉及专业多、系统繁杂、管线密集、走向复杂。

2.2 管线综合现状分析

本文作者对已完成的天水有轨电车一期工程、海勒斯壕、徐州东动车所等项目的综合管线设计及施工情况进行调查研究，发现其均采用Auto CAD进行二维设计，在实际施工过程中通过人工深化和现场配合施工的方式对场段综合管线的碰撞问题进行调整优化，普遍存在人工深化难度大、精度低，现场配合施工时间长、效率低等问题，要求较多人力、物力、时间的投入。因此，人工深化和现场配合施工并不是解决综合管线碰撞问题解决的最好方式[4]。

本文的研究对象鉴湖停车场综合管线，在设计时也采用传统的Auto CAD进行，设计人员依靠三维空间构图意识、人工计算标高等方式在CAD图纸中对相关专业的管线进行绘制调整。尽管已经进行层层复核检查，但由于二维制图的局限性，在利用Revit软件进行初步三维模型建立后，发现了大量碰撞。碰撞问题不仅存在于管道之间的交叉碰撞、管线与建筑结构专业的碰撞，还存在于不同的管道系统间。经Navisworks软件碰撞检测，碰撞报告显示人工深化前的原始图纸碰撞问题有185个，经各级审核人工深化后碰撞问题有83个，即初始碰撞率为44.9%。本文研究目标为通过BIM手段建立综合管线三维模型并消除碰撞，将碰撞率降低至0%。

2.3 BIM技术的具体应用

综合考虑技术可操作性和经济性因素，本文引入Revit、Navisworks软件实现综合管线三维设计。通过对二维图纸进行三维实体建模、碰撞检测、进而消除碰撞优化管线布局。

首先，在Revit软件中链接CAD二维图纸，调整比例后对建筑专业的轴网、标高、墙、柱、梁、基础、门窗等进行绘制，并根据实际需要建立专业族，建立建筑结构模型。在建立管线模型时，需要先设置各专业管线的颜色、名称、规格、管线材料等参数，然后根据链接的二维图纸中管线的位置，初步绘制各专业管线。各专业设计人员绘制好各自的模型后，以同一基点导入并整合成包含各专业的三维综合模型（图1）。

图1 鉴湖停车场三维综合模型

建立好的模型可以直观展示管线的碰撞情况。也可以通过Navisworks的漫游检查方式，通过第三人视角检查碰撞情况，软件会在存在碰撞的第三人所到之处发出警告，设计人员可以依此进行修改。由鉴湖停车场局部管线碰撞图（图2）可以看出，设计人员通过二维图纸绘制的综合管线图纸仅在其中一个局部小节点就存在着多达7处不同程度的肉眼可见的管线交叉碰撞。依次对各个碰撞点进行管线调整，初步优化管线布局。

图2 鉴湖停车场局部管线碰撞图

在管线调整时必须遵循以下管线避让的原则：

（1）压力管应让自流管；

（2）管径小的管线应让管径大的管线；

（3）易弯曲的管线应让不易弯曲的管线；

（4）临时性的管线应让永久性的管线；

（5）施工工程量小的管线应让工程量大的管线；

（6）新建的管线应让现有的管线；

（7）施工及检修方便的或次数少的管线应让施工检修不方便的或次数多的管线。

经过以上初步优化后，BIM模型基本消除了肉眼可见的碰撞。将BIM模型导入Navisworks软件中进行进一步的碰撞检查，形成并导出相应的碰撞检测报告。根据碰撞检测报告结果继续排查首次人工调整中遗漏的交叉碰撞点，依据管线布置原则继续合理调整标高及管径，消除检测报告中所有的管线交叉碰撞[5]。

考虑到实际施工及后期运维需要，综合管线的布置在满足基本的设计与施工要求的同时，还需要考虑预留一定的空间以满足施工时安装及维护检修的需要。因此需要对优化后的模型进行施工过程模拟，在Navisworks软件中，创建包含各专业施工节点所需时间，施工顺序等数据在内的施工进度表，对各专业的施工情况进行模拟，进一步优化管线布置位置，调整预留空间，最终得到符合要求的“无碰撞”模型（图3）。

图3 优化调整碰撞后的局部模型

3 BIM技术在降低场段综合管线中应用的效果

经BIM手段优化，项目案例的碰撞个数由原来的83个减少至0个，碰撞率由44.9%降低至0%，取得了预期效果，实现了预定目标。避免了施工过程中由各专业管线碰撞引起的设计变更、工程返工等问题，减少了项目投资，对控制成本有重要意义[6]。

Revit软件自带的协同平台支持各专业协同工作，让各专业能够及时共享设计资料，及时调整等设计方案，减少了传统上下序互提时间长、时效性差的问题，大大提高了设计效率。

为了方便现场施工人员和指导现场施工，将调整后的模型按照管线综合施工图精度进行平面图纸深化，根据三维管线调整结果在原CAD图纸中增加关键节点剖面图，并将深化后的二维CAD图纸交付于施工现场，让现场施工人员施工过程中在处理关键节点时有据可依。

考虑到业主等非专业设计人员对专业图纸可能不够了解，通过 Navisworks等软件进行模型漫游模拟展示，制作并导出视频动画进行施工交底，让非专业技术人员也能够直观全面地了解项目情况。

4 结语

本文引进Revit软件、Navisworks软件通过三维实体建模、碰撞检测手段对场段综合管线布局进行优化调整，实现了降低场段综合管线碰撞率的预定目标。通过本次研究，我们发现BIM技术的应用不仅降低了管线碰撞率，而且Revit模型具有可视化、参数化程度高的特点，在一定程度上代替了传统人工计算标高的设计方式，同时更加便于各级图纸审核和修改设计方案，大大提高了设计效率，漫游模拟、动画展示的施工交底方式也为业主等非专业人员了解项目情况提供了便利。由此可见，BIM技术在工程项目设计中的研究能产生技术、经济、社会等多方面效益，应用前景广阔。未来我们将针对BIM平台提供的开发接口，研究个性化二次开发的可行性，以便在项目设计、施工全过程中实现更加高效智能的BIM技术的广泛应用。