BIM 技术在地铁车站综合管线碰撞检查中的应用

窦晓民

（潍坊昌大建设集团有限公司，山东 潍坊 261205）

BIM 技术在建筑行业中是一种创新的建筑设计、施工和管理方法。通过BIM 技术，可在计算机中构建虚拟建筑物，为该建筑物提供一个完整的逻辑架构信息数据库[1]。在此数据库中，不仅包含描述几何形状的视觉信息，而且还包含大量非几何信息，例如材料的耐火等级和传热系数、零件成本、采购信息等。它使工程人员不再受制于如何使用传统的2D 施工图来表达3D 复杂的形状空间，从而极大地扩展了工程人员的建筑形式表达能力。从另一个角度看，BIM 等同于一个数据库，该数据库记录建筑物在不同阶段的所有数据信息，包括建筑物的几何、数量、时间等物理特性[2]。BIM 的本质是在生活中记录这些数据项目的周期，方便在后期的项目建设和运营管理中发挥作用。

2003 年，BIM 技术开始用于中国建筑行业实际项目，并开展了相关研究工作。到目前为止，中国有很多业主、设计和建筑企业都在不同程度上使用了BIM技术[3]。特别是在2008 年之后，BIM 的应用程序有了一定的发展。它被用于越来越多的工程项目中，并已成为中国建筑业发展的宠儿。二维平面图不能解决的问题都可以通过BIM 技术解决，在最初的设计阶段，BIM 技术将为建设项目创建一个三维信息模型，这个三维信息模型在内部协调一致，这为不同的参与者管理项目提供了便捷。BIM 作为一种建模工具，也是一种协作的工作过程。在三维建模可视化的过程中，可以模拟工程项目的碰撞检测、施工进度和分析工程性质。

地铁站的建设规模较大，建筑结构复杂，在设计和施工阶段存在许多困难和问题。在项目设计中引入BIM 技术将带来巨大的经济效益，同时又可以解决实际问题，也将为其他类似的建筑项目提供技术参考。

1 项目特点

本文选择了由站台和车站大厅组成的某换乘地铁站。地铁站有4 个入口，其中2 个通过地下通道连接到地铁站。该项目面积较大，地下建筑面积约25 000 m2，涉及10 多个建筑单元。由于对技术和管理水平要求较高，施工周期较短，这给施工带来了很大的困难。具体问题总结如下：①地铁站附近的地面上有众多建筑物，车流量大，建筑空间较小；②地铁站内的管道很复杂，安装困难；③构件数量巨大，组织协调工作困难重重。

此外，为确保项目按计划完成，业主强调在施工阶段不应进行太多较大的设计变更。这对项目设计人员和施工人员提出了更高的要求。如何提高决策的准确性和效率、减少浪费、提高管理效率等问题，已成为投资者、管理层和总承包商最关心的问题。BIM 的引入，为地铁车站建设项目管理领域注入了新的活力，因此受到了业主越来越多的关注。

2 BIM 在工程项目中的应用

2.1 遵循原则

在工程项目中运用BIM 软件进行建筑模型的设计时，应遵循一定的基本准则，具体如下。

三维建模平台的一致性。建模必须遵循相同的规范，以便构建的平台可以调用其他用户的模型，或者被其他用户调用，以达到精确设计和协作的目的。

结构模型的构建。其中最重要的一步就是按照总体方案的设计任务书，在整个模型中确定各个板块的位置，并以此来确定基本结构模型。

确立特定的安装坐标和组装等。BIM 软件的建模，不是单纯地像二维绘图一样使用点、线、圆、弧等绘图工具，而是采用了墙体、梁、柱等结构构件，和绘图软件有很大的区别。在工程结构设计中，建筑构件的设计指标是通过输入参数来实现的。BIM 软件能够准确反映出整个建筑的各个单元，各个单元既独立，又相互联系。在设计师、结构工程师修改了某一单元的属性后，可以实时对其进行更新，使各单元保持独立性、相关性。利用BIM 软件能展示平面图、立面图、剖面图、详细图等，快速地将有关信息反映出来。在设计参数变化时，根据不同的参数，该模型也会相应地进行调整，以适应新的需求。

元祐七年（1092）三月，苏东坡赴任扬州知府。苏东坡来，米芾走。本来在扬州做官的米芾，奉调雍丘任县令。苏东坡于是做东，招待朋友，顺便为米芾饯行。苏东坡虽然官做得不是很大，但人缘极好。听说苏东坡请客，一时名士云集，高朋满座。大家尽兴而来，乘兴而饮。米芾喝得有点高。他端着酒杯走到苏东坡面前，问：“世人都说我是个癫子，今天我要当面问一问苏大哥，请您来评一评，我到底是不是癫子？”（“世人皆以芾为颠，愿质之子瞻！”）

2.2 综合管线优化方式

机电设备一体化管道的深化设计是一个复杂的过程，传统的优化方法是通过CAD 软件不断地对平面图进行修正，最终形成多个不同的管道平面图。目前存在的问题有：①设计图纸经常更换、大范围的改动，耗时耗力，造成大量的人力资源浪费；②各类专业资料繁杂，图纸管理不规范；③常规的优化方法不可避免地会出现错误、漏、差、碰等问题，导致工程质量差、返工严重；④在工程建设中，下料计划与实际需要有较大差异，从而造成了工程造价的困难。

目前，利用Revit 建立的BIM 综合模型，按照设计图纸和BIM 模型的有关规范，可以对各种可视参数进行分析。利用Navisworks 软件进行机械设备的碰撞检测与优化，采用BIM 技术进行最优设计，可以有效地弥补平面图优化方法的缺陷，缩短工程进度，减少返工次数，提高工程质量和工程建设的整体管理水平。

2.3 应用程序

BIM 技术在该项目中的应用主要涉及2 个方面[4]：①建立基于BIM 技术的地铁站项目详细模型。②检查整个项目中专业人员之间的冲突；模拟整个项目，即4D 施工模拟，分别讨论BIM 的应用。综合管线将单个专业工程模型合并为一个统一模型，可以真正反映专业管道的空间分布和相互关系。

2.3.1 3D 模型的构建

从整个建筑的生命周期来看，三维模型是一个不断改进和扩展的数据库。在地铁建设过程中，三维建模的扩展界面可以对工程进度、成本、质量、安全等多个方面的信息进行连接和整合，从而构成一个整体的控制模型。因此，3D 建模是建立一体化控制模型的基础。

在BIM 技术中，工程项目的信息集成是将相关的工程数据集中到一个统一的标准数据库中，而3D 模型作为构建集成控制模型的基础，需要具备三大特性：完整性、关联性和一致性。3D 模型构件的表达是集成控制模型的基础，而图元是实体3D 模型的基础。图元是绘图的基本单位，是由特殊的图形元素和特征组合而成的。模型图元和注解符号图元两部分组成三维模型：模型图元代表建筑的实际三维几何，分为2 类，分别是建筑图元与临时图元，BIM 模型主体的图元是建筑图元，随着工程进度而改变的其他实体是临时图元；注解符号图元分为2 种，一种是标记和解释模式的图元，另一种是建立非实体环境的参考图元。

根据客户提供的2D 图纸，通过BIM 软件建立3D模型，包括建筑、结构、排水、HVAC、电力等模型。整体项目模型如图1 所示。

图1 整体项目模型

2.3.2 碰撞检测

碰撞检测主要包括以下3 个方面。

第一，建筑模型中的不合理碰撞，即建筑物和结构之间布局的不合理。例如，根据2D 结构图利用BIM技术画成3D 模型之后，光束的仰角太低而无法为通道留出足够的净空间。

第二，架构和管道模型之间的冲突检测，例如排水管与梁碰撞点示意，如图2 所示。必须调整此类碰撞，工程师通常会调整管道的位置。但是，如果建筑物或构筑物不合理，则也应进行调整。

图2 排水管与梁碰撞点示意

第三，电力、排水、HVAC 设备之间的管道碰撞检测，例如给水管与送风管碰撞点示意，如图3 所示。使用Revit 绘制Composite3D 管道属于精细设计。可以通过Revit 软件的自动检测功能来检测管道模型中的碰撞，特别是在管道很多的地方。然后，具有丰富施工经验的工程师会从检测的碰撞中选择需要调整的碰撞。最后，采取报告并将其发送给项目部门以作出最终决定。管道的碰撞检查对于满足某些工程严格的高度位置要求非常重要。

图3 给水管与送风管碰撞点示意

2.3.3 施工模拟

施工过程和每个组件的进度由4D 施工模拟反映。它以三维形式表示每个时间点的项目状态[5]。在设计的早期阶段，4D 施工模拟可帮助工程师发现在实际施工阶段中遇到的各种问题。在早期处理各种问题，能为施工后的活动顺利进行打下坚实的基础。施工模拟视频可以在以后的构建中用作实践指导。根据施工模拟，项目部可以提供合理的施工方案、劳动力和资源配置等，在最大范围内实现对资源的正确使用[6]。

3 BIM 应用程序的价值

通过碰撞检测和管线优化，可以发现设计图纸中可能存在的碰撞问题，并提出合理的解决方案。因此，它可以有效减少施工阶段的设计变更或修改次数，尽量减少施工过程中可能存在的返工和浪费，进而节约投资，缩短时间[7]；能够让各个专业在设计过程中更加及时、高效地衔接，并在设计时对各个专业的设计进行同步的更新和优化。碰撞检验在多学科协作设计中起到制衡和制约作用，使得多学科设计“求同存异”，并定期进行多学科设计的协调评审，以解决设计中的矛盾，使设计更加完善和精确。

在此地铁站工程中，应用BIM 技术来构建整个专业模型。将构建好的BIM 模型导入Navisworks 后，检测到部分问题，如表1 所示。

表1 碰撞的类型和数量

上面提到的大多数检测到的碰撞在施工过程中无法调整。BIM 工程师根据这些错误的特征来调整，并结合特定的构造技术优化模型。这为实际施工提供了准确可靠的依据，并提升了项目的实施可行性[8]。通过碰撞检查，可以发现并解决设计图纸中需要修改的问题，减少施工过程中进行大量更改的可能性，避免大量返工，并确保项目质量。

通过4D 施工模拟，根据施工进度表模拟了施工过程。土木工程行业、安装工程行业的施工进度的4D 可视化已经实现。施工模拟这一技术为管理人员提供了基于进度的更直观的控制基础[9]。它为施工现场提供了可视化的施工过程模拟，避免了施工过程中的交叉问题，优化了进度并缩短了工期。它为项目投资的控制人员按阶段和工作量提供了统计依据。这将有助于科学的准备工作，并及时分析项目的投资完成情况[10]。例如，施工仿真可以相对准确地预测在地铁站中各个阶段的实施之前地铁站的建设所需的物料购买量。通过预测物料购买量可以提高下一阶段的存储空间利用率，解决施工过程中施工场地狭小的问题。

4 结论

机电设备的安装，包括许多系统，如给排水系统、中水系统、雨水系统、消防喷淋系统、暖通系统以及强弱电系统。利用BIM 技术构建的三维模型，可以有效地克服传统CAD 中二维图形指导施工的缺陷，并能较好地解决多个专业的一体化管理问题。在复杂的建筑结构和设备管道的地铁站，使用BIM 技术可以发现并纠正大多数设计错误，避免施工过程中的大量变更。4D 施工模拟改变了传统的项目管理和施工模式，在一定程度上可以提高项目的质量，并可缩短建设周期。与传统模式相比，BIM 技术为工程项目带来了巨大的收益，同时也得到了业主和其他参与方的认可。