付逸群

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 建筑設計處，北京 102600）

建筑機電工程主要包括暖通、給排水、電氣3大專業(yè)。機電工程的施工質量直接影響著建筑工程的整體質量，機電設備安裝和管線排布的合理性，決定著竣工后站房是否可以實現(xiàn)安全運維。

在傳統(tǒng)的設計中，建筑機電工程的設計成果是由不同專業(yè)的設計人員通過 CAD 繪制的二維平面布置圖與系統(tǒng)圖組成的，CAD 圖紙展示效果不夠直觀，非專業(yè)人員難以理解[1]，且機電工程由多專業(yè)相結合，設計人員難以從二維圖紙上獲取對其它專業(yè)設備及管線空間上的認知，容易造成各專業(yè)間管線甚至是設備間的沖突。而這些問題往往集中在施工階段才被發(fā)現(xiàn)，容易引起設計變更，造成資源與工期的浪費，甚至會帶來質量隱患[1]。

新建鄭（州）—萬（州）高鐵全長785 km，全線設18座站房。其中，南陽東站是鄭萬鐵路河南段中最大的車站。本文主要介紹建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術在南陽東站的機電工程施工中的運用情況。

1 施工設計和優(yōu)化

1.1 建立三維模型

機電BIM工程師基于各專業(yè)設計師提供的二維圖紙進行建模。創(chuàng)建土建工程模型；將機電工程中不同專業(yè)的設備、管線形成其相應的族庫；通過與各專業(yè)設計師的溝通，逐步完善各自的三維族庫，保證各系統(tǒng)模型的完整。在搭建模型時，機電BIM工程師需錄入合同采購單價、材質、供貨商等信息，以便編制合理的生產(chǎn)進度安排、精細化成本管理，同時奠定良好的運維基礎[2]。

南陽東站的機電工程分為地下一層、首層、夾層和屋面層4層。涉及到的各專業(yè)三維模型建立情況如下。

（1）暖通專業(yè)：包括送風系統(tǒng)、回風系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、空調冷凍水供水回水系統(tǒng)、空調冷卻水供水回水系統(tǒng)、多聯(lián)機系統(tǒng)。如表1所示，將暖通專業(yè)各系統(tǒng)管線進行配色，建模時需按照配色表對模型進行著色，方便后期區(qū)分、優(yōu)化。

由于通風系統(tǒng)管線普遍較大，且較為簡單，風管一般都在其他專業(yè)管線上；在暖通專業(yè)范圍內(nèi)，管道敷設及排列標高需依據(jù)先無壓后有壓，先風管后水管的原則進行敷設，給水管、自噴管需結合現(xiàn)場情況進行敷設；冷凝水管在安裝時，應注意排水坡度；同時也應注意對有保溫需求的管道進行保溫材料的空間預留。

表1 暖通專業(yè)各系統(tǒng)管線配色表

（2）給排水專業(yè)：包括生活給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、消防水炮系統(tǒng)。如表2所示，將給排水專業(yè)各系統(tǒng)管線進行配色。該專業(yè)各系統(tǒng)管線較多，且較為復雜，建模時需注意管道接口部分、管道的孔洞預留與管道的坡度，同時，需盡量避免將水管設計在電纜橋架上方。

表2 給排水專業(yè)各系統(tǒng)管線配色表

（3）電氣專業(yè)：包括強電橋架、弱電橋架與消防橋架，如表3所示。電氣專業(yè)各系統(tǒng)間線路都集中在橋架內(nèi)，安裝時需注意強弱電的區(qū)分，同時，避免橋架在水管的正下方。

表3 電氣專業(yè)各系統(tǒng)管線配色表

南陽東站各層管線分布如圖1所示。

將各專業(yè)系統(tǒng)模型創(chuàng)建完成后，使用Dynamo參數(shù)化輔助管線綜合（簡稱：管綜）深化。本文針對南陽東站復雜的管線排布，采用Dynamo參數(shù)化差異對結構模型的顯示效果進行修改。根據(jù)梁底標高對梁進行著色，從綠色到紅色，代表梁底標高從高到低，如圖2所示。圖中直觀展現(xiàn)了管綜標高位置的分布情況，從而輔助設計人員有針對性的對結構標高底的位置進行管綜優(yōu)化。

基于已有的BIM管綜模型，可出具剖面安裝圖、軸測圖及制作安裝模擬動畫[3]，用于施工方案模擬及技術交底。

1.2 碰撞檢測與碰撞報告

本文利用 Navisworks 軟件的碰撞檢測功能對南陽東站機電工程進行總體上的碰撞檢測，分別對結構與機電以及機電各專業(yè)之間的管線進行碰撞檢測，南陽東站水管與電纜橋架碰撞檢測如圖3所示。

碰撞檢測完成后，可通過Navisworks軟件將碰撞位置、圖像、距離、碰撞的構件等信息以HTML文件的格式導出。圖4為對機電與結構進行碰撞測試后導出的碰撞報告。

針對碰撞報告中給出的碰撞定位、間距和構建等進行分析，將碰撞的位置、分類以及碰撞問題的描述等信息制作成碰撞問題記錄表，如表4所示。

1.3 量化數(shù)據(jù)

表4 碰撞問題記錄表

本文基于BIM技術確定管綜排布方案，在保證機電系統(tǒng)功能和要求的基礎上，結合裝修設計的吊頂高度情況，對管線的間距、高程等數(shù)據(jù)進行合理優(yōu)化，滿足設計、施工及后期運維要求，并將相關碰撞問題匯總成表，形成碰撞問題類別統(tǒng)計表，如表5所示。

表5 碰撞問題類別統(tǒng)計表

對相關碰撞問題進行匯總后，劃分各類碰撞問題的處理優(yōu)先級，對重、急問題進行優(yōu)先處理，對諸如結構與機電碰撞導致施工時無法安裝的問題進行提前變更，有效避免了在施工階段發(fā)現(xiàn)錯誤及返工的可能，從而達到提高溝通效率、節(jié)約施工成本、減少變更返工、加快施工進度等目的，顯著提高了參建各方的工作效率[1]。

1.4 管綜二次深化設計

針對收集到的問題，對機電系統(tǒng)進行二次深化設計，并對管綜排布進行優(yōu)化。

深化設計的流程依次為：確定吊頂標高、確定管綜控制區(qū)域、其他碰撞位置的優(yōu)化、支吊架布置及空間預留、管綜優(yōu)化記錄留存及問題銷號，其中，確定管綜控制區(qū)域為重點，管綜控制區(qū)域應趨近于結構最低點和管線最復雜位置。

管綜優(yōu)化應先完成管綜控制區(qū)域的管線排布，再根據(jù)控制節(jié)點標高調整其他位置管線；在豎直、水平方向上，管線布置應在滿足標高要求的同時滿足預留空間要求。

以南陽東站管線最為復雜的地下一層為例，機電專業(yè)所有的管線系統(tǒng)在地下一層均有設置，為管線綜合重點區(qū)域。本層選擇B～C/2～3區(qū)域以及中軸對稱位置作為管綜控制區(qū)域，圖5、圖6分別為該區(qū)域優(yōu)化前后的三維效果圖。

如圖5所示，優(yōu)化前該區(qū)域管線分布雜亂無章，各專業(yè)管線交織碰撞在一起，無法指導施工。利用碰撞報告可針對各個碰撞部位進行優(yōu)化。如圖6所示，優(yōu)化后，該區(qū)域的管線排布整齊有序，且更為經(jīng)濟、合理。

管綜布置的基本原則為：保證結構安全，滿足施工和維護空間要求，滿足深化設計施工規(guī)范，合理利用空間，滿足裝飾要求。在滿足上述基本原則的同時，應結合實際情況優(yōu)化布置。地下一層B～C/2～3區(qū)域管線眾多、排列復雜：（1）在豎向排列上應采用復雜系統(tǒng)在下，簡單系統(tǒng)在上的原則，方便日后對故障部位進行排查與修護；（2）由于地下一層樓層凈高較低，故選用排風在上、水電在下的排列原則；（3）在水平方向的排列上，由于無壓管改變坡度和流向，對流動影響較大，故有壓管需避讓無壓管；（4）由于水流動的動力消耗較大，氣體管需避讓水管；（5）考慮經(jīng)濟因素，如小管繞彎容易，且造價相對大管更為低廉，所以小管需避讓大管。還有諸多避讓原則，需結合相關專業(yè)特點及具體部位討論。

依據(jù)各專業(yè)管線的優(yōu)化原則對管線進行優(yōu)化后，可輸出關鍵節(jié)點的剖面圖，優(yōu)化先后的刨面圖分別如圖7、圖8所示。管綜優(yōu)化后能夠使用戶對管線在豎向空間上的分布有更直觀的認識。

1.5 技術交底

與傳統(tǒng)紙質交底相比，三維可視化交底具有直觀、易于理解等優(yōu)點。使用三維可視化交底，可以讓現(xiàn)場施工人員更加深入地理解交底內(nèi)容，提升施工質量[4]。

南陽東站機電工程依托BIM技術對管綜優(yōu)化成果進行出圖，形成關鍵節(jié)點處的剖面圖10余張，管綜平面圖紙2張，單專業(yè)平面圖紙6張。同時利用BIM技術的三維可視化特點，通過動畫、虛擬現(xiàn)實等手段對現(xiàn)場的管綜施工人員進行技術交底，直觀、立體的交底文件能夠避免工人對圖紙產(chǎn)生錯誤的理解，使其對施工流程有直觀認識。從設計人員到施工人員，關于施工要求的傳遞變得更加直觀便捷。依托三維模型，根據(jù)施工需求對重點設備安裝或者特殊區(qū)段施工進行現(xiàn)場模擬，有助于施工預想，發(fā)現(xiàn)方案缺漏，熟悉施工流程，提高施工質量[5]。

2 施工過程管理

2.1 建立機電工程管理云平臺

在工程建設項目中，通過布置傳感器、二維碼、電子標簽等采集設備，實現(xiàn)對人、機、料、法、環(huán)的全方位實時監(jiān)控[6]。將工程數(shù)據(jù)（BIM數(shù)據(jù)、現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、協(xié)同數(shù)據(jù)等）存儲于云平臺，對圖紙、文檔、圖片、視頻等資料進行管理應用，并與BIM進行關聯(lián)，實現(xiàn)實時查看和預覽。所有模型及常用文本軟件均支持手機、平板等移動設備在線預覽?，F(xiàn)場人員可以隨時查看項目資料、項目圖紙、工程資料、施工工藝、工法等文件。

2.2 進度模擬與管控

在BIM施工管理平臺中，可顯示任一單元工作的持續(xù)時間、計劃開始時間、計劃完成時間、實際開始時間和實際完成時間[7]。將現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)導入BIM 5D平臺并進行構件的關聯(lián)，按照任務計劃進行施工推演模擬，可以及時發(fā)現(xiàn)工期的不合理之處，并作出調整?，F(xiàn)場施工人員根據(jù)進度計劃進行施工，每日將進行的工作拍照上傳，管理人員定期查看云端的現(xiàn)場信息，并與計劃進行比對，在移動端即可實現(xiàn)對現(xiàn)場施工進度的動態(tài)管控。

2.3 成本控制

管理人員和現(xiàn)場技術員能夠事先通過虛擬施工，發(fā)現(xiàn)存在的各類問題，并提前制定應對與預防措施，以減少碰撞、降低沖突，做到基本不返工，從而降低成本[8]。同時，由BIM工程師按照實際進度，每周從BIM 5D平臺提取下周材料用量，以指導材料采購，避免了物資浪費問題，有利于項目資金的合理投入。

南陽東站工程項目運用BIM技術，僅機電工程一項發(fā)現(xiàn)各類大小碰撞2471處，從而優(yōu)化了現(xiàn)場施工，提高了施工效率，保證了施工質量，減少返工（可統(tǒng)計時間超過43天），利用BIM技術控制現(xiàn)場施工用材，顯著降低物料消耗量，節(jié)約成本1200余萬元。

3 結束語

BIM技術在南陽東站機電工程施工中的良好應用表明，通過運用BIM技術能夠將項目管理者的施工要求最直觀地展現(xiàn)給現(xiàn)場施工人員，消除雙方對技術認知上的差距，從而有效地提升了施工效率。同時，通過對現(xiàn)場施工大數(shù)據(jù)的收集能夠保證項目管理者對整個項目進度及費用的及時掌握，實現(xiàn)對質量、進度與資金3大目標的隨時把控，為科學合理地安排工程施工提供技術支持，為施工質量提供技術保障。

本文闡述的BIM技術是在施工階段進行介入，能夠較好地為施工企業(yè)創(chuàng)造效益，但本文中的BIM是施工企業(yè)運用設計單位提供的二維圖紙翻模建成的，BIM工程師在建模時可能會存在對設計意圖理解不到位的情況，導致有大量技術問題需要在后期設計交底時解決，這種情況也同樣值得探討。