鄭 健，寧 寧

(1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088； 2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

0 引 言

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增長，城市交通負(fù)荷大幅上升，地鐵、輕軌等軌道交通設(shè)施成為解決城市交通擁堵的重要措施和加快地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵紐帶。作為城市大型基礎(chǔ)設(shè)施，地鐵信息化集中程度高，車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含通信、信號(hào)、AFC、FAS、BAS、PSD等眾多系統(tǒng)。機(jī)電(通風(fēng)及空調(diào)、給排水及消防、動(dòng)力照明)系統(tǒng)進(jìn)行管線綜合排布時(shí)，需要考慮與其他系統(tǒng)的配合和檢修空間的預(yù)留，加之設(shè)備區(qū)走廊空間狹小，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，以CAD施工圖紙為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)建設(shè)工程技術(shù)手段和管理方式很難滿足地鐵機(jī)電安裝施工管理的需要。

BIM(Building Information Modeling)作為一種信息化技術(shù)，以三維模型為基礎(chǔ)，為方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、深化設(shè)計(jì)、造價(jià)管理、進(jìn)度管理和運(yùn)營管理等建筑全生命周期提供直觀、全面和帶有關(guān)聯(lián)性的信息，越來越多地被應(yīng)用在地鐵機(jī)電安裝工程項(xiàng)目當(dāng)中[1-5]。應(yīng)用BIM技術(shù)帶來的直接效益使得施工企業(yè)自身的主觀能動(dòng)性更強(qiáng)，但由于大多數(shù)企業(yè)對(duì)BIM的定位和利用BIM達(dá)到的目標(biāo)不明確，可供施工企業(yè)使用的BIM軟件體系也并不完善，導(dǎo)致BIM的應(yīng)用效果不理想[6-8]。目前，大多數(shù)機(jī)電安裝工程的BIM應(yīng)用仍停留在管線碰撞檢測(cè)的階段，但是由于軟件功能、設(shè)計(jì)深度的限制，建模時(shí)常忽略管道連接尺寸、支吊架尺寸，對(duì)設(shè)備安裝檢修空間的預(yù)留也常常不合理，模型與實(shí)際存在較大偏差，使得模型很難應(yīng)用于實(shí)際施工中。在對(duì)于BIM技術(shù)的4D(進(jìn)度管理)、5D(成本管理)應(yīng)用上，由于基礎(chǔ)模型的失真，以及忽略影響因素眾多，很難在實(shí)際安裝過程中起到指導(dǎo)作用[9-15]。BIM技術(shù)在機(jī)電施工中的價(jià)值是技術(shù)手段向管理手段的轉(zhuǎn)變，單純的管線綜合優(yōu)化和失真的進(jìn)度、成本模擬也很難帶來傳統(tǒng)施工組織模式的改變。

本文以青島地鐵13號(hào)線機(jī)電安裝工程為背景，通過對(duì)BIM核心建模軟件的對(duì)比選擇，應(yīng)用專業(yè)機(jī)電BIM建模軟件Rebro行設(shè)計(jì)深化，考慮各種實(shí)際因素影響，提高模型顆粒度，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了管線深化設(shè)計(jì)思路；將BIM模型與工廠預(yù)制化加工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)模塊化安裝理念相結(jié)合，探索出由設(shè)計(jì)、BIM模型深化、工廠化加工到模塊化安裝的施工組織模式。

1 工程概況

青島地鐵13號(hào)線工程位于青島市西海岸經(jīng)濟(jì)新區(qū)，總體呈東北-西南走向。線路起于青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的陵江路站，終于董家口火車站，線路正線長69.94 km，設(shè)車站23座(其中地下站9座，高架站14座)，平均站間距3.13 km。其機(jī)電工程包括：低壓配電與照明系統(tǒng)安裝、給排水及消防系統(tǒng)安裝、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)安裝及設(shè)備區(qū)和公共區(qū)的二次砌筑裝修。工程管線復(fù)雜，排布困難，在PPP總承包模式下，工程量大，工期緊張，全線標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，對(duì)工程質(zhì)量要求嚴(yán)格。

2 BIM軟件的選擇

BIM軟件根據(jù)參與方不同、專業(yè)不同、階段不同、深度不同可以分為多種類型，其中最基礎(chǔ)的是BIM核心建模軟件。通過核心建模軟件建立三維模型，同時(shí)設(shè)定模型的各項(xiàng)基本信息，提供給其他功能性軟件使用。由于建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電在本質(zhì)上的差異，由一種軟件同時(shí)完成3個(gè)專業(yè)的建模是十分困難的。目前建筑類建模軟件可以分為Autodesk Revit、Bentley、ArchiCAD三大流派。Bentley憑借健全的設(shè)計(jì)建模平臺(tái)MicroStation、協(xié)同和共享平臺(tái)ProjectWise、資產(chǎn)運(yùn)營平臺(tái)Assetwise以及對(duì)不規(guī)則圖形及復(fù)雜圖形的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)而更適用于基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。對(duì)于機(jī)電類建模軟件，Autodesk Revit、Bentley都集成了各自的機(jī)電設(shè)計(jì)模塊，日本應(yīng)用較多的是專門為建筑機(jī)電設(shè)備專業(yè)開發(fā)的BIM軟件Rebro(萊輔絡(luò))。作為機(jī)電施工企業(yè)，選擇軟件時(shí)應(yīng)從實(shí)際中遇到的問題出發(fā)選擇適合管理模式的軟件。

傳統(tǒng)機(jī)電安裝施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)風(fēng)管、水管、綜合支吊架等安裝部件進(jìn)行手工加工制作，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，效率低下，施工場(chǎng)地內(nèi)成品、廢料隨意堆放，很難做到合理規(guī)劃布置。二維施工圖紙指導(dǎo)的安裝過程中常因“錯(cuò)、漏、碰、缺”導(dǎo)致返工，與現(xiàn)場(chǎng)加工模式形成惡性循環(huán)。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，工廠化預(yù)制加工逐漸代替手工加工制作，而在施工中實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制需要足夠細(xì)致的深化設(shè)計(jì)作為支撐。

圖1 Autodesk Revit、Bentley、Rebro機(jī)電模型對(duì)比

圖1為Autodesk Revit、Bentley和Rebro建立的機(jī)電模型，可以看出Rebro建立的模型考慮了更多細(xì)節(jié)，管件模型與實(shí)際更加相符。通過對(duì)比和實(shí)際應(yīng)用可以得出，Rebro除擁有碰撞類型識(shí)別檢測(cè)、碰撞檢查等傳統(tǒng)功能外，對(duì)于機(jī)電安裝施工的指導(dǎo)還有以下優(yōu)勢(shì)：可以定義單位風(fēng)管長度尺寸，風(fēng)管可按尺寸自動(dòng)分解；可考慮風(fēng)管法蘭鏈接、水管螺紋鏈接等管件鏈接尺寸；可對(duì)分解后的管線模塊編號(hào)；可根據(jù)風(fēng)管、水管、法蘭、橋架、支吊架等模型部件自動(dòng)生成加工圖。

此外Rebro軟件安裝后占用內(nèi)存不足1 GB，相比于Autodesk Revit、Bentley更加輕便，對(duì)電腦配置要求低，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)管道間、管道與設(shè)備間接口的自動(dòng)連接，建模效率是Autodesk Revit和Bnetley的數(shù)倍。因此，Rebro更加有助于施工企業(yè)實(shí)現(xiàn)BIM模型對(duì)工廠化加工的指導(dǎo)。

3 BIM指導(dǎo)設(shè)計(jì)深化

采用BIM模型深化設(shè)計(jì)不僅是軟件功能的體現(xiàn)，更重要的是深化思路和流程。建模過程中需要根據(jù)各專業(yè)安裝先后順序確定風(fēng)管、水管、橋架的層次和順序，避免碰撞的同時(shí)，還需考慮檢修空間的預(yù)留以及動(dòng)照線路與各種自控信號(hào)線路間的干擾。主要工作流程如下。

(1)二維圖紙優(yōu)化。設(shè)計(jì)平面圖可作為模型路由走向的參照，但由于設(shè)計(jì)院出圖水平存在差異，有時(shí)剖面圖還需要進(jìn)行初步的優(yōu)化，考慮綜合支吊架占用的空間，進(jìn)一步合理布置管線，起到對(duì)模型標(biāo)高的輔助參考作用(圖2)。

圖2 二維圖紙優(yōu)化

(2)三維模型建立。參照各專業(yè)圖紙及管線綜合剖面圖，根據(jù)管線、橋架的規(guī)格、標(biāo)高及位置信息，分別繪制三維模型。

(3)三維模型深化。將各個(gè)專業(yè)模型整合至一個(gè)模型中，通過CG動(dòng)畫觀察各個(gè)專業(yè)管道、橋架走向，檢查各專業(yè)模型之間存在的碰撞以及排布不合理的地方。在滿足規(guī)范與功能的前提下對(duì)管線位置進(jìn)行調(diào)整，使各專業(yè)管線互不碰撞，路由清晰，簡潔美觀，便于安裝及后期檢查維修(圖3)。

圖3 三維模型深化

(4)模型精調(diào)。整個(gè)模型調(diào)整完畢后，由于首先保證了功能性和路由順暢，所以部分管段長度會(huì)帶有小數(shù)，不利于工廠化加工；因此需要將非標(biāo)準(zhǔn)長度管段進(jìn)行精調(diào)，做到“化零為整”，盡可能地使每段管線調(diào)整為方便生產(chǎn)的整數(shù)長度。

(5)確定套管及孔洞。最終模型精調(diào)后，使用軟件自動(dòng)生成過墻套管，導(dǎo)出包含尺寸、長度、位置和標(biāo)高的套管清單，及方便土建和二次砌筑施工隊(duì)伍的預(yù)留孔洞。

(6)管段編號(hào)尺寸輸出。通過軟件分別對(duì)各個(gè)專業(yè)管段、管件、套管進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，生成與編號(hào)一一對(duì)應(yīng)的管材清單、生產(chǎn)材料清單和加工圖，提交給生產(chǎn)廠商進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。

通過上述6個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)二維圖紙向三維BIM模型的深化，并根據(jù)三維BIM模型輸出各種參數(shù)信息，為工廠化預(yù)制加工提供生產(chǎn)參數(shù)。精細(xì)顆粒度模型與工程實(shí)體形成映射，為現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了參照，也為運(yùn)營維護(hù)階段提供了可靠的信息。

4 BIM指導(dǎo)風(fēng)管工廠化加工

傳統(tǒng)的手工風(fēng)管加工需要經(jīng)過下料、平鋪、建立標(biāo)準(zhǔn)模板、畫線、剪裁、咬口、翻邊、折方、合縫、法蘭鉚接等10個(gè)步驟才能形成。手工加工的風(fēng)管不僅在尺寸上存在較大誤差，導(dǎo)致安裝時(shí)可能無法配合，而且手動(dòng)咬口、合縫很難達(dá)到氣密性標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于異形風(fēng)管的制作更需要工人有豐富的經(jīng)驗(yàn)，在腦中將立體的風(fēng)管展開為平面圖，畫線、剪板等過程耗時(shí)長，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和原材料的浪費(fèi)。通過BIM模型直接生成二維CAD加工圖，解決了風(fēng)管制作過程中最困難的建模過程，機(jī)械化設(shè)備在風(fēng)管的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量上也有大幅提升。

圖4為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)管的加工流程，通過加工圖確定風(fēng)管尺寸，將尺寸輸入“五線”設(shè)備即可一次性完成壓筋、剪板、咬口、翻遍、折方5道工序，形成半成品風(fēng)管，再經(jīng)氣動(dòng)合縫機(jī)合縫，液壓鉚接機(jī)將風(fēng)管與法蘭鉚接，即可加工成為成品風(fēng)管。整套流程工作效率極高，單日可生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)管1 800 m2，僅需4個(gè)人即可完成所有工序，效率是手工加工風(fēng)管的20倍以上。圖5為異形風(fēng)管加工流程，BIM生成的三維加工圖先轉(zhuǎn)換為二維加工圖紙，將二維圖紙輸入等離子切割機(jī)，即可完成對(duì)鋼板的切割過程。相比手工剪板，等離子切割機(jī)可大幅度提高剪裁的精度，并且可先通過CAD將加工圖合理排列，減少廢料。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)管的加工流程

圖5 異型風(fēng)管的加工流程

5 BIM指導(dǎo)機(jī)電施工安裝

圖6 管道編號(hào)

圖7 二維碼標(biāo)識(shí)

安裝部件出廠前，根據(jù)之前由BIM軟件對(duì)部件位置及安裝信息的編碼(圖6)，通過二維碼技術(shù)進(jìn)行標(biāo)示(圖7)。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可掃碼獲得安裝部件的詳細(xì)信息，并通過平板電腦將不同專業(yè)管件模塊的位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置一一對(duì)應(yīng)，即可完成精準(zhǔn)的施工安裝。通過軟件模型還可觀看各個(gè)專業(yè)整合模型測(cè)量、校對(duì)、安裝情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道、設(shè)備的準(zhǔn)確監(jiān)控，保證安裝質(zhì)量。

6 結(jié) 語

BIM技術(shù)與工廠化預(yù)制加工、現(xiàn)場(chǎng)模塊化安裝的有機(jī)結(jié)合，形成了由設(shè)計(jì)、BIM模型深化、工廠化加工到模塊化安裝的機(jī)電安裝施工組織模式，以精準(zhǔn)的BIM深化模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)如下。

(1)BIM指導(dǎo)的設(shè)計(jì)深化實(shí)現(xiàn)了虛擬模型到安裝實(shí)體的一對(duì)一映射，為設(shè)備構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收、存儲(chǔ)、安裝、調(diào)試全過程信息管控和利用BIM模型進(jìn)行施工技術(shù)交底、安全交底、施工模擬提供了基礎(chǔ)。

(2)BIM指導(dǎo)的風(fēng)管工廠化加工在PPP總承包模式下實(shí)現(xiàn)了全線風(fēng)管標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。規(guī)?；a(chǎn)可縮短制造工期，大幅提升效率，充分利用機(jī)械設(shè)備，減少人力。生產(chǎn)流水線加工更易于產(chǎn)品質(zhì)量的保證和監(jiān)控。工廠化預(yù)制不受天氣的影響，不受土建和設(shè)備安裝條件的限制，便于施工現(xiàn)場(chǎng)布置，縮小施工場(chǎng)地，同時(shí)保證了施工安裝的精度，減少了因配合不當(dāng)引起的損失。

(3)BIM指導(dǎo)的模塊化安裝可大幅提高現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確性。現(xiàn)場(chǎng)減少了切割、焊接等明火出現(xiàn)，降低了火電安全隱患，以及音、光、塵、味等多元污染。模塊化安裝整齊美觀，可替換，便于后期維護(hù)與循環(huán)利用。安裝工序得到明顯簡化，便于施工過程的監(jiān)管和控制。

綜上所述，BIM技術(shù)指導(dǎo)的施工組織在土建施工階段即可切入，結(jié)合土建完成尺寸優(yōu)化模型、精調(diào)、編碼、工廠加工、模塊化安裝。將傳統(tǒng)由工人技能水平?jīng)Q定的工程質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的高質(zhì)量。傳統(tǒng)工程人工費(fèi)在成本中的占比一般是30%，在設(shè)計(jì)、BIM模型深化、工廠化加工、模塊化安裝的施工組織模式下，對(duì)工人數(shù)量需求的降低和對(duì)工人技能要求的下降能夠大幅削減人工費(fèi)的支出，在PPP總承包模式下，全線可節(jié)省的人工費(fèi)用十分可觀。

在設(shè)計(jì)、BIM模型深化、工廠化加工、模塊化安裝的實(shí)施過程中，還有很多管理和技術(shù)問題需要解決，比如，工廠化加工的引入改變了傳統(tǒng)的作業(yè)流程，對(duì)于施工隊(duì)伍的招標(biāo)和進(jìn)場(chǎng)時(shí)間的把握還需要進(jìn)行周密規(guī)劃；水管與風(fēng)管的鏈接模式不同，雖然考慮了螺紋連接的尺寸，但現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中仍很難把控螺紋旋入的深度，使得安裝過程出現(xiàn)誤差，且難以拆卸和替換，這對(duì)既能滿足承壓要求，又能保證安裝精度的新的水管連接方式提出了要求。最終技術(shù)的革新要向管理的革新轉(zhuǎn)變，還需要做更多的努力進(jìn)行探索，才能形成可復(fù)制的、具有普遍意義的施工組織模式。