建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 既是一种以三维数字技术为基础, 集成建筑工程项目中各种相关信息的详尽表达^[1], 又是一种应用于设计、建造、管理多阶段的数字化方法, 在建筑工程中能显著提高效率和减少大量风险。在传统粗犷的建造模式与绿色、可持续发展建造理念日益冲突的当代, BIM技术因其3D可视化、协调性、4D模拟性等特点^[2], 可用于工程全生命周期, 可为各参建方提供信息化交流平台, 为实现工程对象可视化、施工进度控制动态化、信息数据采集智能化提供技术支持^[3], 在国内建筑行业掀起了一场新的革命。

2011年住房和城乡建设部提出, 要加快BIM技术在工程项目中的应用及信息化标准建设^[4], 2016年8月, 住房和城乡建设部再次发布了《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》, 强调要推进管理信息系统升级换代, 要加快BIM的推广应用^[5]。目前国内关于BIM的研究与应用大多以民用建筑为主, 对城市轨道交通领域涉及比较少, 仍处于起步阶段。

在地铁车站安装工程中, 管线综合施工是涉及专业最广、信息量最繁杂、最体现经济性和工程质量水平的专项内容^[6]。

地铁车站管线综合关键节点部位的管线复杂, 关键节点通常包括:站厅层设备区与公共区交接部位, 走廊交叉处管线变化复杂的地方, 结构层高有变化的部位, 站台层和站厅层公共区4个角^[7]。这些区域往往由于设备集中、管线种类数量多、空间狭小、结构复杂、必须满足一定的维 (检) 修空间要求等, 管线排布比较困难。需要在设计前期规划好管线布局, 提出与之相适应的避让原则与优化方案, 做好工程的预修正工作。

工程预修正理念与项目管理中的事前控制相一致, 强调事前分析可能导致目标偏离的各种影响因素, 并针对这些影响因素而采取有效的预防措施以实现项目管理目标。目前预修正理念仅在物理、机械方面有所涉及^[8,9], 从未被引入到建设工程中。

南昌地铁1号线八一桥西站为标准站, 具有普遍性。其位于凤凰中大道与庐山南大道, 车站总体呈东西走向, 结构内净长206.5m, 外包全长达209.7m, 两端为设备区, 中间为公共区;地下两层结构, 地下1层为站厅层, 地下2层为站台层。车站共设有4个出入口, 均为有盖出入口。

1) 软、硬件设施准备选取最佳的软件平台, 以更加有针对性地高效解决实际问题, 经过多次比选, 采用Autodesk公司的Revit和Navisworks分别进行模型创建和碰撞检测工作。同时, 需要高配置的计算机设备, 支撑BIM软件在局域网环境下的协同工作、仿真模拟以及视觉化渲染等过程的高效进行。

2) 族准备族是Revit中强大使用的一个概念, 能对构件尺寸、材质等数据信息进行有效存储、读取和修改。鉴于Revit中所有图元都是基于族的特性, 族的准备就成为高效建模的重要保障。族通常包括系统族、标准构件族、内建族3种族类型。制作族的过程中通常需要注意合理选取族样板、参照及参数, 甚至需要编程建族, 制作出与实际施工更为相符的族构件。丰富的族库是BIM使用者的有利资源库, 需要基于大量的实践经验和过硬的技术条件慢慢积累而成。对族库深入研究, 了解模块化的丰富内涵, 可大大促进模型的创建与优化过程。

3) 人员配备影响BIM应用的因素除了组织与技术方面, 还有缺乏BIM专业、技术人才以及高层管理者的支持等因素^[10]。为使得BIM技术在工程项目中发挥最大效益, 专业的BIM团队配备是必需的, 当然前期资金投入也会相对大一些, 故大公司内部一般会有专门的BIM团队或者BIM咨询团队合作, 而小公司、小项目考虑到成本投入的关系, 会有意忽略这一点。

模型的创建过程是设计理念的三维体现, 既是对施工过程的仿真模拟, 也是全面三维校审的过程^[11]。施工阶段创造性小且工作量大, 更注重的是可运行性和操作性, 需要解决各专业的细节问题^[12]。

依据设计图纸与相关设计文件, 进行柱、梁、板、墙等称重构件的建模, 而后在此基础上进行内部构造及装饰装修等建筑建模。

机电系统分为给排水系统、暖通系统、电气系统, 若采用链接的工作方式, 建议采用统一项目模板, 分专业、分人员建模, 最后综合模型即可。机电系统建模时, 需要额外关注以下因素。

1) 支吊架为满足综合管道的合理排布, 必须对支吊架的种类进行选择, 同时支吊架需要依据设计详图等进行族的建立, 并且依据工程实际对其进行优化设计。

2) 保温层空调水系统中的冷却水水管、冷冻水水管及某些风管外部按照有关要求必须做保温处理, 在模型中必须对相应的管道进行保温层添加, 不同管径对应着不同厚度。

3) 维 (检) 修空间车站内布置的所有设备及管线均应考虑其维 (检) 修要求, 维 (检) 修空间≥0.6m, 施工现场空间有限、无法满足的情况下也应保证0.4m的空间。

4) 预埋件及预留孔洞可采用在楼板上直接开洞和放置族这2种方式预留孔洞, 放置族的方式更具优越性, 能够在楼板中智能开洞。

1) 模型链接

模型链接的工作方式主要体现在可分开操作, 处于各自独立工作的状态, 权限自由, 不必在网络状态下。模型链接技术应用较为成熟, 目前性能更稳定、数据读取快, 但无法实现同步更新和在线编辑, 且链接模型文件要求≤100MB, 对项目样板的统一性要求高, 有时链接顺序也会影响链接效果。

2) 工作共享

工作共享的工作方式是通过中心文件加修改权限的方式允许多人同时编辑同一模型, 允许协调工作, 在各专业互不影响且能同时看见其他专业模型的情况下建模, 可与本地文件同步, 实践证明其局限性是必须在同一局域网内且中心文件应≤100MB, 存在技术不成熟、性能不稳定、成本投入大等情况, 目前仍没有广泛使用。

Navisworks软件可以将各种重要的数字模型信息整合成单一的综合建筑信息模型。能实时提供整体项目视图, 以支持高效三维协作、照片级可视化、动态仿真与精确分析^[13]。将由Revit导出的成型的BIM导入Navisworks, 分析碰撞性质、分类、原因以得出碰撞分析报告, 用于指导修正原模型。

根据实体间是否接触, 可将碰撞检测类型分为硬碰撞检测和间隙碰撞检测。硬碰撞检测方式用于检测空间中具有实际交叉关系的2组图元间的冲突结果, 而间隙碰撞指实体间并没有直接的交叉碰撞, 但其间距或预留维 (检) 修空间无法满足相关安装或施工规范的要求。根据碰撞参与的专业类别, 可划分为单专业与单专业碰撞、单专业与多专业碰撞、多专业与多专业碰撞。

产生碰撞的原因有很多, 如前期设计阶段设计师对设计规范的不熟悉、设计图纸的不规范、不同专业人员间的交流障碍、人工审核图纸的局限性以及建模人员的粗心等原因, 都会导致该碰撞结果的出现。

硬碰撞常用于检测, 如给排水管线与空调管线间相互干涉、管线穿墙或穿梁等情况。通过运行碰撞检测软件, 可以准确得出碰撞构件位置、数量、构件所属系统以及重叠距离等重要信息, 甚至可以快速定位到碰撞的位置, 并高亮显示。聚焦碰撞位置, 分析产生碰撞的原因, 并通过调整构件位置寻找整体最优体现。

如图1a所示, 此处碰撞实例为暖通系统与暖通系统间的硬碰撞。多次对比查看原图纸, 初步判定为设计误差, 通过与暖通系统设计人员协调, 考虑现场实际施工情况, 依照“小管让大管”的避让原则, 将碰撞处尺寸小的风管标高调整至合适标高, 如图1b所示, 使得交叉部分的小管绕过大管, 即可解决此处的碰撞问题。

工程中出现的碰撞形式大量为硬碰撞, 通过BIM的模拟性和可视化应用, 在设计阶段即可解决这类问题, 节约费用30%左右, 在大型复杂项目中经济效果尤为显著。

目前国内对于BIM技术的应用主要集中在硬碰撞检测, 而对于间隙碰撞的研究与应用却少有涉及。间隙碰撞检测方式通常用于判断2组平行图元间的间距或净空检查, 如带有保温层要求的管线间、预留的维 (检) 修空间、楼梯净空等。间隙碰撞的检测方法是以各专业的设计规范为基准进行的, 参照GB50157—2013《地铁设计规范》^[14]进行给排水、电气、暖通系统等的设计。以该车站1, 2层的动力系统与生活用水系统为例进行间隙碰撞检测阐述, 依据规范所得数据如表1所示。

进行间隙碰撞检测时, 在Navisworks中设置碰撞类型为间隙碰撞, 根据表1设置公差值为0.3m。以电缆桥架为例, 从计算结果可以得出电缆桥架与生活用水水管并未发生物理碰撞, 碰撞显示2个图元的间距为0.233m。

经分析该碰撞类型为间隙碰撞, 碰撞原因是未按照设计规范考虑管线间合理的预留空间。初步判定为设计问题, 电气工程师与给排水工程师各自独立设计, 缺乏沟通, 导致管线综合之后, 不符合《地铁设计规范》中电缆桥架与各种管道平行或交叉时最小净距的要求。

从以上硬碰撞与间隙碰撞分析可知, 硬碰撞检测往往更为直接且高效, 碰撞的优化调整更为简单。然而间隙碰撞不仅不容易被发现, 在实际施工中产生的后果也更加难以处理, 影响其他建 (构) 筑物的正常使用, 同样需要重视。

应用BIM技术对施工模型进行预修正, 即在施工前对预留预埋问题的校核与修正, 将管线布置问题提前暴露, 指导机电优化^[16], 在经过多次检测及模型优化后, 得到满足专业及施工要求的零碰撞模型, 对减少工程失误、避免返工及降低施工成本具有重大意义。

管线的综合排布需要遵循设计及安装规范, 包括但不仅限于所有管线的布置高度应综合协调考虑, 在允许的条件下一旦发生碰撞, 通常遵循小管让大管、临时管让永久管、其他管让消防管的原则。

管线优化通常可以采用二维综合、BIM综合等方法, 以下结合实际重点对二维综合和BIM综合进行对比说明。

二维综合是在二维制图软件中分别绘制各专业的单线或双线表示二维图, 最后以链接的方式集成产生二维管线综合图, 通过人工排查并协调各专业间的管线综合排布。这种基于二维设计提出的综合方法对各专业设计人员的技术基础要求低、集成简便, 但对于管线交叉重叠处, 无法直观、准确、快速地分辨碰撞情况, 仅适用于局部表示, 整体表达性差, 增大设计审核人员的审核难度。故此方法主要适用于结构简单、成本低、要求不高的一般性项目工程。

BIM管线综合以三维可视化技术进行设计及优化, 集成性高, 各专业协调性高, 三维精细化建模如图2所示, 将管线集成过程中隐藏的或更深层次的碰撞问题可视化地暴露出来;但是对于技术基础要求高, 前期成本投入大, 对各专业人员的综合能力要求高, 目前主要适用于大型工程项目。

在碰撞检测中应用BIM技术: (1) 在设计阶段提前发现碰撞, 协调各专业工程师, 以规范为准则, 预防或解决实际碰撞问题。碰撞检查工作理应贯穿整个设计过程, 通过检查可以使各专业设计师不断地将不同专业的设计同步更新与优化^[17]。 (2) 对于实际施工过程中已经出现的碰撞问题, 可对现场进行点云扫描处理, 建立对应的现场模型, 提出可行的改进方案, 在模型中测试各方案的可行性, 找出最佳优化方案, 确定不会产生新的碰撞后, 充分优化模型指导施工。

从概念设计到竣工验收, 工程项目各参与方均可从工程预修正管理体系中获得利益, 但作为建造主体的施工方将是最直接也是最大的受益者。技术方案中3D模型可视化设计、施工方案中4D模型虚拟施工推演及优化的方法与流程, 以及利用BIM模型自动核算阶段工程量的方法和流程等, 均可用于辅助施工组织设计和项目管理决策^[18]。建设工程中的错误越早发现越早解决, 对后期的不利影响越小。如图3所示, 基于模型-施工双反馈机制, 对设计阶段的修正及优化可达到对施工阶段预修正的目的。所以施工单位理应争取到业主的配合, 重视并推广BIM技术在设计与施工阶段的应用, 促进各方利益的最大化。

项目目标的动态控制是项目管理最基本也是最重要的方法论。运用BIM技术, 根据设计文件在施工前建立精细化模型用于指导施工, 但一定要根据工程进度定期将实际情况与模型做对比, 用精细化模型指导现场施工的同时, 也要将施工现场的实际问题反映到模型中, 并提出修正的优化方案, 形成动态的反馈机制, 指导项目的持续高效运作。利用BIM的信息管理, 做好每一过程的事前、事中和事后控制。

目前国内基本上未实现BIM在全生命周期的使用, 主要是由于我国工程项目各阶段割裂, 缺乏统筹管理和协同合作, 因此在BIM应用和推广过程中组织问题也是很重要的影响因素^[19,20]。必须建立预修正管理体系, 如图4所示, 以改变各参与方相互独立的工作模式现状, 采用综合应用模式, 以业主方为主要推动者, 设计、施工、采购等各参与方配合实施, 共同促进形成以集成交付模式为主、以BIM技术信息管理为辅的统筹管理模式。

地铁等大型工程建筑结构复杂、机电安装繁琐、进度控制严格, 利用BIM技术对施工进行预修正, 可提前发现潜在的工程问题, 在设计阶段充分改进各类错、漏、碰、缺问题;同时, 施工单位作为现场主体单位, 应更积极深入地参与模型的修正, 提出更多、更实际的建议。因此, 设计+施工的集成模式将能更好地适应本文提及的BIM预修正模式。

而对于间隙碰撞检测, 今后将进行管线综合的设计、安装规范与碰撞检测软件等的嵌套研究, 基于IFC与API进行数据交换研究。