馮世杰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院，天津 300142)

在傳統(tǒng)的建筑設計領域中，建筑師通過平面的設計圖紙來表達空間的建筑物，并最終營建出不同功能的建筑空間。隨著人類生活方式的不斷變化，建筑功能空間的愈加復雜，傳統(tǒng)的設計方法已越來越不能擔當現代建筑的營造理念，特別是一些特殊建筑型制，已到了設計方法必須突破的境地。

隨著我國城市化進程的不斷加快，大量人口向城市集中，大、中城市交通擁堵問題日益嚴重，發(fā)展大運力的公共交通——城市軌道交通，已成為解決這一矛盾的必然措施。城市軌道交通車站建筑多設于地下，其建筑屬性必然有別于普通的地面建筑，為了維持宜人(亦或是基本)的采光、通風環(huán)境，該類建筑將比普通的地面建筑增加更多的設備管線，而這一建筑特征也必將成為該類建筑需要解決的主要設計矛盾之一［1］。于是，綜合管線設計應運而生。通過對城市軌道交通建筑綜合管線設計體系的分析與探討，為三維協(xié)同技術在我國建筑行業(yè)的推廣與發(fā)展，提供一定的理論支撐。

1 傳統(tǒng)設計方法的局限性

(1)二維設計手段的局限性

目前，國內城市軌道交通車站建筑設計遠未達到“精細化”的程度，尤其是綜合管線設計。綜合管線圖是各專業(yè)管線設計過程的匯總，是設計協(xié)調的體現，地下車站的管線綜合就是將各專業(yè)管線在極其有限的空間內協(xié)調、有序的進行排布，其目的是對有限空間進行充分的、合理、有效的使用，并以此指導施工安裝及運營維護［2］。國內設計單位一般采用平面二維的設計手段，來完成空間三維的綜合管線設計工作，通過人為主觀判斷管線的走向、高程，來發(fā)現各專業(yè)管線的沖突，然后再進行相應的調整，這樣的設計過程必然造成巨大的反復工作量，而且隨著設計者個體設計水平、經驗、責任心的不同，設計成果也將產生較大的差異，很難精確控制。

在某城市地鐵施工過程中，曾出現許多在土建墻體和樓板上預留的孔洞，未能和設備管線對應的情況，最終造成大量返工。雖然責任未必全在設計者，但也充分暴露出管線設計的無序及設計成果的不可控性，這種由于管線設計造成的質量問題，隨著建設規(guī)模的增加而不斷放大，已越來越引起設計師的重視。由此可見，軌道交通管線綜合這樣三維的設計問題，必須突破傳統(tǒng)的二維設計手段，尋求三維的設計方法加以解決。

(2)設計工作流程的局限性

軌道交通車站建筑綜合管線設計需要環(huán)控、給排水及水消防、通信、信號、FAS、BAS、動照、變電等十余個設備專業(yè)參與，形成了復雜而繁瑣的管線系統(tǒng)。在國內軌道交通設計市場內，因各設計單位的設計習慣不同，綜合管線設計過程也不盡相同。一類是:各專業(yè)根據管線多少和復雜程度依次在建筑底圖上進行管線綜合設計，過程中管線綜合專業(yè)進行設計協(xié)調，最終成果發(fā)還各專業(yè)指導其管線設計;另一類是:采用各專業(yè)分別獨立的進行管線設計，然后全部匯總給管線綜合專業(yè)進行管線綜合工作，過程中根據管線沖突情況，由管線綜合專業(yè)進行管線調整，最終成果同樣發(fā)還各專業(yè)指導其管線設計。

這兩類設計流程均采用各專業(yè)獨自進行本專業(yè)管線設計，然后依次或同時匯總于管線綜合圖，找到管線沖突并進行協(xié)調設計，這種設計流程將造成大量的反復工作。雖然隨著設計經驗的增加，各專業(yè)可在設計之初達成相應的約定和規(guī)則，但設計過程中仍很難有效進行控制，往往在最終成果匯總后，才能發(fā)現大量的管線沖突。管線綜合平面示意見圖1。

圖1 管線綜合平面

2 設計理念的轉變

三維協(xié)同技術自進入我國后，首先受到設計領域的了解和認知，隨著BIM系統(tǒng)(建筑信息模型)的誕生，三維技術在國內也得到了更加廣泛地關注。三維協(xié)同設計、施工以及延伸至建筑全壽命周期的BIM系統(tǒng)，必將在我國建筑行業(yè)中產生巨大的影響和現實意義。國內已經有部分管道設計行業(yè)(如石油化工、污水處理等)率先嘗試采用三維專業(yè)軟件進行管線設計，積累了一定的經驗。見圖2。

圖2 某行業(yè)生產管線三維圖

國外同行業(yè)較早引入三維設計理念進行綜合管線設計，除較二維設計更直觀可視外，其重要的原因是其與國內設計行業(yè)服務范圍的不同。在一般情況下，國外設備專業(yè)設計僅進行設備系統(tǒng)設計，而各專業(yè)管線設計(包括綜合管線設計)則由施工安裝單位完成，施工單位采用三維設計方法詳細確定各種管線的最終位置和走向，并據此統(tǒng)計出其最終材料用量，直接按照三維圖實施加工、安裝。也就是說，管線設計與最終施工成果是完全一致的。

三維設計在管線綜合中具有較直觀的界面，并可以通過“碰撞”檢測等數字協(xié)同功能自動暴露管線沖突，排除人為因素對設計質量及效率的影響，同時，其成果的展示功能也提升了服務水平。如果我們把由計算機二維繪圖代替手工繪圖作為一次設計手段的革命性飛躍的話，那么從二維設計轉變到三維設計則不僅僅是設計手段的調整，而是一次設計理念的轉變和更新。

3 城市軌道交通綜合管線存在的主要矛盾

(1)設備區(qū)管線布置過于集中

城市軌道交通地下車站中，服務于乘客使用空間的設備房間布置方案，受各系統(tǒng)專業(yè)需求的變化和周圍環(huán)境條件的限制，而具有較多的可變性。因此，也使得管線總體布局不夠系統(tǒng)，功能分區(qū)無從固定，進而導致設備房間集中區(qū)的綜合管線布置極度困難。試想在局促、狹窄空間內，安裝數十根風管、電纜橋架和水管等管線，使得局部范圍內的各種管線布置密集而又相互重疊，根本無法滿足管線敷設的基本空間要求，不但施工安裝和設備調試異常困難，而且?guī)缀鯖]有任何檢修維修空間，導致運營后一旦發(fā)生管線故障，需要花費大量的時間和人力進行大范圍的管線拆卸和恢復。

(2)管線設計與建筑設計脫節(jié)

城市軌道交通地下車站施工周期比同等規(guī)模地面建筑長3～4倍，為使固定資產投資合理、有序，設備系統(tǒng)招投標和采購也往往晚于建筑設計和施工。因此，在建筑設計階段，設備專業(yè)的設計一般深度不足，設備管線的規(guī)格、尺寸也不夠精確，這將直接導致設備專業(yè)很難向建筑專業(yè)提出準確的管線使用空間要求。當車站管線設計成果穩(wěn)定后，建筑設計早已完成，甚至車站建筑施工已基本完畢，這時往往會出現建筑預留孔洞與管線專業(yè)設計不能完全對應的情況，雖然后期可通過犧牲一定功能而對管線進行調整的方法來進行彌補，但終究不能完全保證不出現主體結構的鑿除和孔洞填補的情況發(fā)生，這將大大影響工程質量和施工進度，甚至會給車站的運營使用帶來一定的隱患。

(3)車站內有水管線設計缺乏統(tǒng)一規(guī)定

城市軌道交通地下車站內有水管線包括:冷凍水管、冷卻水管、給水管、排水管、消防水管及廢水管等，其使用性質基本相同，技術要求也基本一致。但由于對其缺乏統(tǒng)一的規(guī)定，不同設計者采用不同功能有水管線分散敷設的方式，自行選擇路徑，結果造成同類管線之間路徑不同、距離過大，浪費了許多寶貴的地下空間，也給將來的管線維修造成極大的麻煩。

(4)電力電纜橋架設計缺乏有效整合

城市軌道交通地下車站內電力電纜包括:弱電的通信、信號、FAS、BAS，強電的電力照明、供電、變電等專業(yè)，這些專業(yè)均需要在車站吊頂內敷設電纜橋架。由于專業(yè)系統(tǒng)間各自為政，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和對空間的合理分配，吊頂內安裝的所有電纜橋架與其他管線、吊頂龍骨等構件重疊無序，導致其檢修、維修空間被強行占用，極大地影響了后期的運營和維護。

4 城市軌道交通綜合管線采用三維協(xié)同設計的優(yōu)勢

(1)工作流程的轉變

通過調研發(fā)現，國內城市軌道交通地下車站綜合管線設計，一般采用各專業(yè)獨自設計然后匯總的流程(即傳統(tǒng)工作流程)，而采用專用服務器使各專業(yè)同步設計、隨時匯總的協(xié)同工作流程，則大多還處于試用和研究階段。隨著目前計算機硬件水平和軟件功能的大幅提升和改進，協(xié)同工作流程已越來越多的受到重視和青睞。

在傳統(tǒng)工作流程中，各專業(yè)依次進行設計，設計過程具有非常明顯的單向性，雖然在部分階段或專業(yè)可以局部采用同步平行作業(yè)，但其主要的特征還是單一線性方向。見圖3。

圖3 傳統(tǒng)工作流程示意

在協(xié)同工作流程中，各專業(yè)設計過程幾乎同步、平行作業(yè)，只是各專業(yè)根據基礎條件和工作順序的不同，具有一定先后時差，而其基本特征則是平行、協(xié)同進行的。見圖4。

圖4 協(xié)同工作流程示意

通過對2種不同工作流程的邏輯分析和比較研究可以看出，在協(xié)同工作流程配備必要的共享服務器的前提下，2種工作流程均可以滿足綜合管線三維設計的需求。雖然傳統(tǒng)工作流程總體上說與行業(yè)內傳統(tǒng)生產組織模式吻合度較好，簡潔明確的流程和相對靈活的生產方式具有一定的優(yōu)勢，但從長遠看，其較長的設計周期和較低的設計效率也是未來提高生產效率的瓶頸。

協(xié)同工作流程相對于傳統(tǒng)工作流程明顯具有設計周期短、效率高的特征，在前期配備共享服務器和制定統(tǒng)一設計平臺的前提下，其發(fā)展具有無限的前景，可以說協(xié)同工作流程替代傳統(tǒng)工作流程將是必然的發(fā)展方向。

(2)碰撞檢測

“碰撞”檢測是通過數字化的方法，自動發(fā)現管線沖突，包括“硬碰撞”檢測和“軟碰撞”檢測。“硬碰撞”是指管線之間或管線與結構之間的直接碰撞;“軟碰撞”是管線之間或管線與結構之間保留一定的安全距離和安裝、檢修空間的碰撞。

目前市場上的三維設計軟件，一般具備“碰撞”檢測功能。設計人員可以在統(tǒng)一的服務器上開展管線設計，并實時的進行碰撞檢測，通過對結果進行分析，把可以接受和不可以接受的碰撞信息分別予以確認，然后將碰撞結果和處理意見發(fā)給相對應的專業(yè)，或由多專業(yè)共同協(xié)商解決。通過設定安全距離值(clearance)，甚至可以進行2種管線之間的“軟碰撞”，也就是檢查各管線之間的檢修、安裝空間和相對干擾影響等。見圖5。

圖5 碰撞檢測

綜合管線三維設計中采用碰撞檢測后，完全可以發(fā)現管線設計中存在的所有沖突點，碰撞檢測的效率和準確率很高，其檢測結果的統(tǒng)計和展示方式可以滿足綜合管線三維設計的要求，特別是其檢測結果對于綜合管線設計的修改、調整具有很好的輔助作用，設計人員可以分專業(yè)、分類別的進行修改，且修改后可以立刻實現成果的再次碰撞檢測，大大提高了生產效率。見圖6。

圖6 二維和三維管線沖突的直觀性比較

(3)動態(tài)直觀的成果展示

通過渲染功能，三維軟件可以提供線框模型、表面模型和實體模型等，它們的巧妙融合實現了互補，形成一整套三維可視化工具，可幫助用戶有效地捕捉設計意圖。設計的成果也能夠直接用于三維仿真動畫及效果圖的制作，以展現整個工程項目的實際情況。

如果加入項目自身目標和周期的限制，還可進行施工進度仿真模擬和全景漫游，并能夠實時查詢設備與管線信息、施工與維修信息等，從而優(yōu)化施工安裝進度，發(fā)現和解決設備與管線安裝中的碰撞問題等。見圖7。

圖7 動態(tài)漫游展示

5 應用前景與推廣策略

通過以上城市軌道交通車站建筑綜合管線三維設計的分析與探討，可以使我們初步了解三維協(xié)同設計所具有的特點和優(yōu)勢。并可采用循序漸進的方式，逐步將其在行業(yè)內進行推廣使用。

首先，在各專業(yè)設計、出圖均是平面二維圖紙的前提下，對諸如:管線設計特別復雜的專業(yè)機房、凈空限制條件苛刻的斷面、節(jié)點等關鍵部位，增加三維綜合管線設計環(huán)節(jié)，有效地提高設計質量和精度。

其次，在城市軌道交通設計行業(yè)內，建立統(tǒng)一的管線綜合三維協(xié)同設計平臺或設計標準，各專業(yè)可在此平臺內初步建立模塊化圖形數據庫，并據此提高三維設計效率和設計精度。

最終，在全行業(yè)內推行三維協(xié)同設計，并結合行業(yè)內其他專業(yè)軟件(例如:環(huán)控通風CFD模擬以及動態(tài)客流模擬等)，建立系統(tǒng)的動態(tài)三維協(xié)同平臺，全面提升設計、施工，乃至今后運營的全壽命建筑信息模型(BIM)系統(tǒng)。

值得注意的是:三維協(xié)同技術在設計行業(yè)的推廣將是簡單而有效的，但在整個建筑行業(yè)的推廣，其必由之路是盡快促使施工安裝單位提高三維協(xié)同認識，并能依靠該技術完成產業(yè)升級。到那時，建筑師通過平面的設計圖紙來表達空間的建筑物，并最終營建出不同功能建筑空間的建造體系，才能完成徹底的轉變和更新。

［1］代剛.地鐵車輛段室內綜合管線三維設計研究［J］.現代城市軌道交通，2012(5).

［2］盧祝清.BIM在鐵路建設項目中的應用分析［J］.鐵道標準設計，2011(10).

［3］施仲衡.地下鐵道設計與施工［M］.西安:陜西科學技術出版社，1997.

［4］李小江.城市軌道交通技術規(guī)范實施指南［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］北京城建設計研究總院.GB 50157—2003 地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，等.GB 50490—2009 城市軌道交通技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［7］中國有色金屬工業(yè)總公司.GBJ19—87 采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范(2001年版)［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［8］中華人民共和國建設部.GBJ15—88 建筑給水排水設計規(guī)范(1997年版)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.