近年来,随着我国高速铁路建设的迅猛发展,铁道站房成为各城市的重要综合交通枢纽,承载着衔接当地铁路交通与各类交通设施的重要作用 ^[1]。区别于住宅建筑,高铁站房由于具有连接国铁交通和城轨交通的特点,机电系统涉及专业繁多,设备管线多达40种 ^[2],且多分布于站房钢结构夹层中,现场作业空间狭小,主体钢结构预留洞口后期难以更改,因此如何合理布置机电系统与站房主体结构间的关系,避免碰撞冲突、返工修改等问题尤为重要。

　　 然而,随着高铁站房旅客流量增长,站房体量增加 ^[3],各专业复杂程度急剧提升,传统二维管线施工模式无法在施工前全面解决管线冲突,易造成碰撞检查疏漏,且无法精确表达复杂部位,大大影响机电管线施工效率,难以满足现代化站房的精细化建设要求。基于BIM技术的数字化、模拟化特征 ^[4],采用BIM技术对站房夹层空间进行管线综合应用,提前校核设计图纸中的管线交叉碰撞及空间排布不合理等问题 ^[5],优化机电管线路由,进行可视化共享交流,可有效解决上述问题,大大提升作业质量和效率,保证高铁站房高标准建设。

　　 因此,本文依托新建清河站站房工程项目,从提高高铁站房机电系统施工效率角度出发,探索BIM技术在高铁站房夹层空间机电管线施工中的应用模式。

　　 图纸中对机电系统交叉部位描述不清,如同一部位立管在上下层图纸中位置不一致、暖通消防等专业管道在平面图与整体系统图中局部偏差较大、水管到三通处时变径的标注不明显、管线标注管道壁厚和法兰参数描述不明确 ^[6],现场作业若按机电管线图纸施工,易造成返工修改,影响施工质量和成本。

　　 高铁站房机电系统为多专业设计,既包括国铁交通机电系统设计与城轨交通机电系统设计,又涉及通号、客服、信号等多机电系统的设计 ^[7],且高铁站房因工期紧张,多为设计、施工同步进行,进一步加大多专业协同设计难度,易造成图纸中出现错、漏、碰、缺,因此对机电系统深化施工要求较高。

　　 高铁站房候车大厅下部的结构夹层区域管线种类繁多,既要承担上部候车大厅机电系统供应需求,又要满足大厅下部机电系统入网需求 ^[8,9],但结构夹层净空高度小,最小洞口高度<1.0m,管线最大直径>500mm,进一步增加管线施工难度,且站房主体多为钢结构形式,机电管线预留空间后期难以更改,对机电管线现场施工提出更高要求。

　　 高铁站房机电管线施工是一个多专业交叉的动态施工过程,受各专业作业流程的影响及外部主体结构限制,尤其是夹层空间机电管线施工作业空间狭小、作业流程复杂,不便于大规模管线的吊挂。相比传统机电管线施工工艺,利用BIM技术进行管线合理排布、管线施工模拟、管线敷设定位 ^[10],可实现机电管线事前规划、事中辅助、事后复核的闭环管理模式,保证预定方案施工的可行性,基于BIM的高铁站房夹层机电管线施工流程如图1所示。

　　 施工团队针对前期建筑、结构、机电二维图纸,由机电部门各专业审核图纸,以二维图纸为基础,确定管线初步排布原则和注意事项,交付BIM团队,避免BIM团队因理解偏差或遗漏造成建模错误。

　　 BIM团队根据机电部门提交的综合排布原则和注意事项完成三维建筑、结构、机电管线BIM模型,并反馈给各专业部门校对确认模型,确认无误后整合和检测各专业模型,生成管线碰撞检测报告,明确碰撞部位和具体管线类别,与机电部门协作有序调整管线路由,直至确认无碰撞后,输出管线综合调整图,交付机电部门。

　　 施工团队根据BIM团队出具的管线综合调整图指导现场作业,夹层管线较多的通道洞口通过BIM平台可视化模拟施工过程,对作业人员进行安装交底,辅助作业人员直观理解复杂部位的施工步序,作业完成后及时进行现场验收。

　　 新建清河站站房工程位于北京市海淀区清河镇,是连通2020年冬奥会赛场与北京市区的现代化城市综合枢纽,总建筑面积13.83万m²,站场规模5台10线,分为地下2层,地上2层,局部设商业夹层。

　　 站房集国铁交通和城轨交通于一体,机电管线错综复杂,结构夹层内部管线的种类众多,涉及各专业不同规格的管线有3大类40多种,管线总长约16.0万m,最大直径531mm。但夹层空间管线施工作业面狭小,夹层洞口最大尺寸为1.4m×1.0m,局部最小尺寸<1.0m×1.0m,施工整体难度大、综合性高,为保证站房夹层空间机电管线顺利实施,应用BIM技术助力项目施工管理。

　　 1)建筑结构模型(见图2)

　　 2)机电系统模型(见图3)

　　 利用BIM技术检测管线碰撞,综合调整碰撞部位管线,以满足实际施工要求。施工前,将各专业模型集成到BIM平台,对机电管线排布情况进行拼装模拟,自动检测站房夹层空间管线问题15 255处,包括管线与土建结构碰撞12 742处、风电管线间碰撞202处、水电管线间碰撞1 536处、水风管线间碰撞775处。针对具体碰撞部位的管线净高要求、管线规格和管道走向,结合管道调整原则,优化夹层管线模型路由排布,核对是否影响后期检修作业空间。

　　 以夹层(7)-?/?轴管线优化为例:C3洞口中重力流废水管与地铁换乘厅空调回水管发生碰撞,C2洞口防火金属线槽间相交,针对C2和C3洞口碰撞部位与C1洞口剩余空间较多,通过BIM模拟后,协同机电部门与设计单位进行分析、讨论,调整管线路由走向,如图4所示,机电排布如图5所示,调整后在满足废水和回水管线布置的情况下,合并C2洞口桥架并调整桥架间距,偏移C3洞口冷却水管至C2洞口,与消火栓管平行,偏移C3洞口供水管至C1洞口,并增添后期城轨机电系桥架于C3洞口,提高施工整体可行性和洞口利用效率,避免后期拆墙打洞等问题的产生。

　　 针对管道夹层中构造复杂、作业难度高的部位,在BIM模型中进行多方位展示,动态模拟节点做法、确定施工顺序,自动生成二维图纸指导现场施工,对管理人员和现场作业人员进行可视化技术交底,使其充分理解该部位的施工方案和重难点,提高施工可行性、规范作业流程、一次成优,减少返工。

　　 施工过程中,将BIM平台机电管线模型数据导出至测量机器人,应用于管线支吊架和异形管道构件安装定位,提高管线安装精度,并在施工完成后,对管线复测安装的水平度、垂直度等检查标准及时记录归档,辅助施工验收,提升夹层管道安装的质量。

　　 对比清河站站房夹层空间整体机电管线路由调整前后的工程变更(见表1),可以看出,夹层空间管线采用BIM技术优化后,洞口截面利用率整体提升16.4%,变更减少427个,节约64.05万元。同时,通过合理安排管线安装、简化施工工序、提高各专业间衔接,减少不必要的工程停滞、返工和材料浪费,提升施工作业效率和质量、增强项目的综合管控水平。

　　 通过对比优化前后夹层管道洞口利用率,应用BIM管线分流模式有效提高夹层空间利用效率和经济效益,证明对管线密集区域实行分流调整、确定合理的管线布置,有助于现场机电管线的施工作业,但在局部洞口位置处,利用效率有所降低,主要原因是考虑大型管线安装时的支架高度、保温厚度和阀门安装空间,避免碰撞检测间隙设置不合理,影响后期运营维护作业。

　　 因此,BIM技术在大型客站夹层空间管线施工优化的管理模式中,针对管线密集、施工空间明显不足的区域,首先需基于BIM集成模型,分析该区域洞口截面的管线数量承载能力,如果超出管线数量后,应对管线路由进行分流处理以均衡各区域洞口的管线承载能力,最大化地利用夹层空间。其次,对于铁路工程因业主需求变更,导致机电系统管线需求增加,引起夹层空间管线承载能力超限,应在施工前主动与业主进行沟通,使管线和结构多专业联动布局,在BIM集成模型的合适位置,预留后期机电系统增加管线的作业空间和检修空间,避免因管线过于密集影响后续专业管线施工。最后,特殊部位可在保证系统完成和使用功能的前提下,将系统相同但服务区域不同的管线桥架进行局部合并,以解决整体空间问题,提高夹层管线整体施工质量。

　　 高铁站房机电管线众多,施工复杂,尤其是夹层区域的机电管线排布,一旦排布存在疏漏,不仅浪费材料,还会拖延工期,甚至影响铁路站房的正常运营,给社会和国家造成巨大的经济损失。因此,高铁站房夹层管道机电管线优化尤为重要。通过应用BIM技术,为高铁站房夹层管道机电管线管理模式提供契机,结合新建清河站站房项目,探索BIM技术在高铁站房夹层管线优化中的应用,不仅可以提前解决管线碰撞问题、合理安排管线路由、智能化综合排布、减少返工作业,也可以可视化地模拟节点方案交底、辅助现场管线施工,提高现场施工作业效率和质量。