韓亮亮

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)在國外發(fā)展較早，主要集中在建筑行業(yè)，具有三維仿真、模擬測試、信息集成及數(shù)據(jù)共享等功能，可有效應用于建設(shè)項目全生命周期的項目規(guī)劃、協(xié)同設(shè)計、碰撞檢查、施工指導、運營維護等方面［1］，能夠極大節(jié)省項目不同參與方之間的溝通成本，有效控制設(shè)計變更，減少施工返工，縮短建設(shè)周期［2］。與建筑行業(yè)相比，鐵路行業(yè)BIM研究與應用起步較晚，且具有專業(yè)多、線路長、體量大、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜等特點［3］。前期，鐵路BIM完成了京沈客專、陽大鐵路、青連鐵路、京雄城際、鹽通鐵路、牡佳鐵路、京張高鐵等一系列BIM試點及生產(chǎn)項目，隨著BIM在設(shè)計階段的推廣應用［4-10］，在設(shè)計階段如何進行深化設(shè)計應用已成為制約BIM技術(shù)推廣應用的瓶頸。近年來，深圳地鐵9號線［11］、成都地鐵5號線九道堰車站［12］、哈爾濱站房改造［13］等工程均開展了BIM深化設(shè)計應用研究，并取得了良好效果。但從整體上看，BIM技術(shù)在深化設(shè)計應用中的工作流程和方法并不明確，具體應用也不廣泛。

動車段所作為鐵路工程項目的典型工點，主要承擔動車組檢修和整備作業(yè)，動車段所BIM設(shè)計涉及站前、站后10多個專業(yè)，是復雜的系統(tǒng)性工程。在此，以南通動車所項目為例，從BIM深化設(shè)計流程、深化設(shè)計方法和深化設(shè)計應用3個方面，開展BIM技術(shù)在動車段所項目中的深化設(shè)計應用研究。

1 BIM深化設(shè)計流程

結(jié)合傳統(tǒng)二維深化設(shè)計流程以及BIM可視性、協(xié)同性等優(yōu)點，動車段所BIM深化設(shè)計以BIM模型作為溝通交流的信息載體，項目不同參與方協(xié)同工作，提前解決設(shè)計中的沖突問題和施工中可能碰到的施工交叉干擾問題，完成BIM深化應用，并應用于施工指導，提升工程設(shè)計和施工管理的整體水平。具體BIM深化設(shè)計流程見圖1。

圖1 動車段所BIM深化設(shè)計流程

2 BIM深化設(shè)計方法

2.1 精細化設(shè)計

對于二維圖中無法表達或表達不清楚、不合理的地方進行精細化設(shè)計，如末端電力設(shè)備的精確布置、預留孔洞及預埋管線的精確表達、復雜節(jié)點的精細化設(shè)計、綜合管線優(yōu)化排布以提高美觀性等，確保設(shè)計成果滿足施工和運營需求。

2.2 局部特殊調(diào)整

當整體布局優(yōu)化調(diào)整完成后，針對局部區(qū)域的碰撞干擾及優(yōu)化排布問題，可在滿足設(shè)計意圖和后期運維使用需求的前提下進行局部特殊調(diào)整，如電纜溝槽局部改直埋管、支架局部抬高、橋架局部截面尺寸調(diào)整等，以解決空間沖突問題。

2.3 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計

對于因局部空間狹小導致各專業(yè)設(shè)計模型沖突嚴重等問題，應由BIM總體牽頭組織相關(guān)專業(yè)BIM設(shè)計人員及二維施工圖設(shè)計人員進行對接，必要時應召集建設(shè)方和施工方進行溝通，將施工中可能碰到的問題前置，從源頭上聯(lián)動解決專業(yè)沖突問題。

2.4 BIM模型審核

BIM模型審核主要包括3個方面：

（1）BIM設(shè)計人員完成BIM建模后進行設(shè)計內(nèi)容系統(tǒng)性檢查，完成BIM模型初步審核；

（2）BIM設(shè)計人員通過軟件進行碰撞檢查，針對典型碰撞問題，與二維設(shè)計人員進行對接，實現(xiàn)二/三維聯(lián)動設(shè)計；

（3）組織項目不同參與方召開專門的BIM模型審查會，針對BIM模型及其他相關(guān)深化設(shè)計方案問題進行綜合評審，確保深化設(shè)計內(nèi)容的合理性和可實施性。

3 BIM深化設(shè)計應用

3.1 工程概況

鹽通鐵路是中國國家鐵路集團有限公司實施工程總承包建設(shè)模式的試點項目，為雙線高速鐵路，設(shè)計行車速度為350 km/h，起于鹽城站，終于南通西站，新建正線156.686 km。鹽通鐵路新建南通動車所1處，位于南通站以北及滬陜高速外側(cè)，自南通站西咽喉引出2條出入段線接入動車所。南通動車所新建20條存車線（另預留16條）、6條檢查庫線（另預留4條）、2條人工清洗線、1條臨修線、1條鏇輪線、2條出入段線、1條牽出線（另預留1條），還有通過式洗車機2套和配套生產(chǎn)生活房屋。南通動車所總平面布置圖和BIM效果圖分別見圖2、圖3。

圖2 南通動車所總平面布置圖

圖3 南通動車所BIM效果圖

3.2 綜合管線碰撞優(yōu)化

動車所綜合管線涉及站場、給排水、四電、房建、暖通、動車等10多個專業(yè)。傳統(tǒng)二維設(shè)計中，設(shè)計內(nèi)容分散，專業(yè)設(shè)計人員無法有效協(xié)同，導致綜合管線出現(xiàn)交叉碰撞情況較多，加之室外管線施工往往由多家施工單位負責，常因溝通不暢導致大量返工。相比傳統(tǒng)二維工作模式，應用BIM進行綜合管線碰撞檢查，可自動輸出碰撞檢查報告，最后各專業(yè)依據(jù)碰撞檢查報告進行專業(yè)內(nèi)的局部調(diào)整和專業(yè)間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。

碰撞檢查可分為硬碰撞檢查和軟碰撞檢查。硬碰撞檢查主要是檢查實體與實體之間的交叉碰撞，目前解決方案十分成熟，借助軟件自帶功能即可完成。軟碰撞檢查是檢查實體與實體之間間距和空間無法滿足要求的碰撞，目前沒有完善的解決方案，需要明確碰撞檢查規(guī)則，并進行相應軟件開發(fā)實現(xiàn)。具體碰撞檢查流程見圖4。

圖4 碰撞檢查流程

南通動車所項目對站場、給排水、電力、接觸網(wǎng)、通信、信息、信號、房建、暖通、動車10個專業(yè)間執(zhí)行室外綜合管線碰撞檢查（見圖5），共發(fā)現(xiàn)有效碰撞349處，匯總整理為26項典型碰撞問題。針對碰撞問題開展專業(yè)內(nèi)的優(yōu)化調(diào)整以及專業(yè)間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，形成碰撞優(yōu)化報告。通過對碰撞優(yōu)化調(diào)整情況的分析匯總，將碰撞優(yōu)化歸納總結(jié)為方案優(yōu)化、路由優(yōu)化、接口優(yōu)化、局部優(yōu)化、結(jié)構(gòu)特殊處理5種類型，其典型應用見表1。

圖5 室外綜合管線碰撞檢查

表1 室外綜合管線碰撞優(yōu)化典型應用

3.3 工藝方案模擬優(yōu)化

以南通動車所檢查庫壓縮空氣管線布置方案為例，介紹BIM在工藝方案模擬優(yōu)化方面的深化設(shè)計應用情況。檢查庫壓縮空氣管線平面布置見圖6，中間股道壓縮空氣管線沿著3層作業(yè)平臺布置，經(jīng)分析提出3種布置方案。

圖6 檢查庫壓縮空氣管線平面布置

（1）方案1。壓縮空氣管線吊掛在2層平臺下方，該方案會占用平臺下部作業(yè)空間（原作業(yè)凈空高度從2.0 m減小到不足1.9 m），影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全（見圖7）。

圖7 管線吊掛在2層平臺下方

（2）方案2。壓縮空氣管線吊掛在3層平臺懸臂下方，該方案會占用連接2層平臺與3層平臺之間安全門扶梯的作業(yè)空間（原凈空高度從2.3 m減小到不足1.9 m），影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全（見圖8）。

圖8 管線吊掛在3層平臺懸臂下方

（3）方案3。壓縮空氣管線固定在3層平臺懸臂上方，該方案不會影響人員作業(yè)空間和作業(yè)安全，但1股道（共2列位）需局部繞避安全門扶梯4次，增加耗材（見圖9）。

圖9 管線固定在3層平臺懸臂上方

通過3種壓縮空氣管線布置方案BIM效果圖的直觀對比，以及對每個布置方案的詳細分析，并與總包項目部及指揮部主要領(lǐng)導確認，綜合考慮作業(yè)空間、作業(yè)安全、遠期運維和美觀需求，選擇方案3為最終方案。

3.4 專業(yè)間接口深化設(shè)計

通過開展專業(yè)間接口的深化設(shè)計，可清晰表達不同專業(yè)間的接口關(guān)系，相當于在未施工前利用BIM技術(shù)進行“預裝配”，提前解決不同專業(yè)間的施工交叉干擾問題。

（1）典型應用1：檢查庫動車專業(yè)3層作業(yè)平臺與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)房屋模型（梁、柱、地面等）的接口深化設(shè)計（見圖10）。

圖10 平臺設(shè)備與房建接口深化設(shè)計

（2）典型應用2：檢查庫綜合支吊架拐角處橋架、管線（涉及四電、暖通、動車專業(yè)）的接口深化設(shè)計（見圖11）。

圖11 綜合支吊架橋架、管線局部深化設(shè)計

（3）典型應用3：檢查庫前給排水、動車等專業(yè)室內(nèi)外接口深化設(shè)計（見圖12）。

圖12 檢查庫前室內(nèi)外接口深化設(shè)計

3.5 預留孔洞深化設(shè)計

開展預留孔洞深化設(shè)計可更正原二維設(shè)計圖紙中孔洞少留、漏留、錯留等現(xiàn)象，得到準確的預留孔洞尺寸和位置，減少甚至避免后期設(shè)備管線安裝過程中，因預留孔洞位置不準確造成的砌體二次打鑿甚至返工，保證墻板美觀。

南通動車所項目中，在完成檢查庫室內(nèi)外接口深化設(shè)計后，對檢查庫預留孔洞進行了三維可視化優(yōu)化調(diào)整。檢查庫地下隱蔽工程預留孔洞深化設(shè)計典型應用見圖13。

圖13 檢查庫地下隱蔽工程預留孔洞深化設(shè)計

3.6 正向設(shè)計探索

某些鐵路設(shè)備模型尤其是終端設(shè)備（如攝像頭、燈具、配電箱等）往往實例化數(shù)量多、布置復雜，空間位置在二維圖中難以精確表達。如南通動車所檢查庫安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)，包括球型/槍型攝像機、LED顯示屏、信號燈、門禁、分控柜、接地控制箱等設(shè)備，共計284臺，而這些設(shè)備在平面布置圖的空間位置只是符號化表達，布置方案也是原理性示意，其典型設(shè)備平面布置見圖14。因此，現(xiàn)場施工過程中安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)平面布置圖難以直接應用于施工指導，往往依靠作業(yè)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗進行施工，導致現(xiàn)場施工順序比較混亂，施工方案的合理性也有待商榷。

圖14 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)典型設(shè)備平面布置

在南通動車所項目中，針對檢查庫安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)，采用正向設(shè)計手段，脫離二維圖紙，規(guī)避翻模環(huán)節(jié)，直接開展三維BIM設(shè)計，設(shè)計完成后與設(shè)備廠家對接，確保設(shè)計方案最優(yōu)并可直接應用于施工指導。具體正向設(shè)計流程如下：

（1）了解掌握安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)的功能、組成、布置原理及設(shè)備招標情況。1層作業(yè)評價設(shè)備的典型布置原理見圖15。

圖15 1層作業(yè)評價設(shè)備的典型布置原理圖

（2）根據(jù)安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)設(shè)備組成，建立設(shè)備模型庫（見圖16）。

圖16 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)設(shè)備模型庫

（3）開展安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)三維BIM設(shè)計及優(yōu)化，最終BIM設(shè)計成果見圖17。

圖17 安全聯(lián)鎖含作業(yè)評價系統(tǒng)BIM設(shè)計成果

3.7 BIM+GIS可視化施工交底

BIM模型最直觀的特點就是可視化，其可視化功能可以全方位清晰展示管線、設(shè)備、設(shè)施空間位置關(guān)系，有效幫助施工人員快速了解設(shè)計意圖，為施工方案的制定提供全面、科學的依據(jù)。此外，可借助BIM模型的可視化效果提前暴露施工難點，便于合理安排施工順序。

為解決BIM軟件使用成本高的問題，同時充分發(fā)揮GIS大場景管理能力，南通動車所項目將動車所BIM模型導入中國鐵路設(shè)計集團有限公司自主研發(fā)的基于RIM的鹽通鐵路總承包信息化管理平臺（3DGIS平臺，見圖18），建立動車所BIM+GIS三維可視化場景，生成帶有地形顯示、設(shè)計模型、周邊環(huán)境等詳細信息的電子沙盤（見圖19），實現(xiàn)模型的流暢瀏覽、設(shè)備設(shè)施的方便管理和綜合管線的實時查看。借助該信息化管理平臺，現(xiàn)場管理人員不僅可在電腦端也可在手持移動端（手機、PAD等）進行動車所模型的實時瀏覽、信息查詢、施工坐標查看、距離測量等模型數(shù)據(jù)讀取，極大地方便了現(xiàn)場管理人員直接根據(jù)模型開展現(xiàn)場施工指導。信息化管理平臺手持移動端應用見圖20。

圖18 基于RIM的鹽通鐵路總承包信息化管理平臺

圖19 基于BIM+GIS技術(shù)的南通動車所電子沙盤

4 結(jié)束語

詳細闡述動車段所BIM深化設(shè)計流程和方法，從而對BIM深化設(shè)計工作程序進行規(guī)范，并應用于南通動車所BIM項目中。充分發(fā)揮BIM技術(shù)“所見即所得”的優(yōu)勢，實現(xiàn)綜合管線三維空間排布優(yōu)化、工藝方案模擬優(yōu)化、專業(yè)接口協(xié)調(diào)、孔洞精確預留、可視化施工交底等深化應用，并開展BIM技術(shù)正向設(shè)計探索，推動了BIM技術(shù)發(fā)展。形成的研究成果對提高項目管理水平、施工質(zhì)量和效率具有重要作用，可為類似項目的推廣應用提供借鑒，同時為設(shè)計院由工程設(shè)計向工程總承包的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了有力技術(shù)支撐。