常州地铁1号线BIM技术应用

一、工程概况

常州地铁1号线是沿市区主轴布置的南北向骨干线路,联系中心城区与南、北翼组团,衔接主要对外交通枢纽和城市重要功能节点。常州地铁1号线一期工程从南夏墅站至森林公园站,呈南北走向,长约34.237公里

常州地铁1号线BIM技术应用

二、施工前模拟

BIM技术在地铁项目施工阶段主要体现在利用BIM虚拟建造,辅助施工方案优化,从而指导现场施工。

常州地铁项目利用BIM技术进行三维可视化建模,包括建筑、结构、暖通、电气、给排水等专业(见图1),增加部分重要、复杂管线的支吊架,从而进行管线综合施工前的真实模拟。通过三维可视化模拟,提前发现碰撞问题、施工工序问题,安装问题等施工阶段常见的问题,针对这些问题对施工方案进行优化,合理排布施工顺序,缩短工期,节省造价。常州地铁站房重点区域管线综合施工模拟(见图2)

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图1 地铁站房各专业三维可视化模型

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图2 地铁站房重点区域管线综合施工模拟

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图3 地铁站房消防泵房施工方案模拟

利用 BIM 模型将整个项目直观的展现出来并进行施工前的模拟,有利于施工人员通过模型提前找出工程中的重点和难点,对重点难点部位进行深化建模和深度模拟,提出符合实际可行的施工方案。也方便后期实际施工时再次利用模型对施工重点难点进行方案评审。

三、碰撞检测

地铁工程施工过程中的碰撞分为专业内的碰撞和专业之间的碰撞。常州地铁项目基于BIM模型分别进行了专业内和专业间的碰撞分析,对导出的碰撞报告逐步进行了检查,采取改进措施实现模型的优化调整,指导施工。对于严重的碰撞问题我们会形成书面形式的问题报告告知各专业设计师,由设计师和BIM人员共同商讨解决方案。问题报告见图4;碰撞报告见图5。

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图4 问题报告

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图5 碰撞报告

四、管线综合优化

管线综合是地铁项目中涉及专业最多、信息量最繁杂的施工内容,要求在有限的空间内合理布置消防、暖通、电力、通风、给排水等专业与建筑主体结构之间的空间关系,避免碰撞冲突。长期以来,施工单位常用传统二维管线综合的方式进行工程协调,工作量大,效果不够直观和系统,隐藏问题与碰撞矛盾难以彻底暴露,仍埋下了质量返工的弊端因素。例如:使用二维管线综合的方式难以表达清楚公共区域内多层管道相互交叉、十字连接等复杂的管线排布关系。鉴于BIM技术的模型数字化、可视化、真实化特点,将基于BIM技术的三维管线综合应用于地铁项目可以解决传统管线综合施工方法遗留的诸多问题。 BIM技术的三维可视化特性使机电安装工程在施工的全过程中都更易于沟通和操作,提高施工质量和效率,节省时间与投入。

在地铁项目中应用BIM技术可大幅减少由于设备管线碰撞引起的返工和材料浪费等增加工程成本的问题。按真实尺度建立的BIM模型为管线碰撞检测提供了可靠平台,将传统管线综合技术难以表 达清楚的部分均予以表现,暴露更深层的碰撞问题,助力施工单位全面考虑管线综合。为进行优化调整提供了技术支持,辅以局部剖面及局部轴测图,管线关系一目了然。

应用BIM技术于管线综合,不是以碰撞检查为最终目的,而是以合理优化管线位置,降低安装难度为研究方向。我们根据常州地铁碰撞报告对碰撞位置进行了研究分析,结合现场施工人员反馈的信息,对模型中的碰撞位置进行了优化,解决碰撞,避免返工。如图6、图7管综前后对比。

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图6 常州地铁管线碰撞问题截图

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图7 常州地铁管线优化后截图

通过BIM模型可全方位查看各管线的相对位置,出具的三维效果图可以提供给各方准确的施工数据,施工人员直观看到各管线安装的具体位置,从而提高专业间的协调效率,缩短周期,减少拆改返工,提高管线施工的效率和质量,节约成本。

五、系统平衡校核

在空调、通风系统中,由于同一系统的风管是相互连接的一个整体,因而必然遵循各支路阻力平衡规律,当风管系统的结构形式、管道尺寸一经确定,在一定的风机作用下,各段的风量是按阻力平衡规律自动分配的。在设计计算时未经阻力平衡计算,会导致系统实际风量分配与设计不符。当然我们也可以通过调节风阀来分配风量,但这样一来就又使非最不利环路的风压多余。所以在设计计算时考虑各环路的阻力平衡具有现实意义。

然而,在传统二维设计中,常常在进行风道水力计算及阻力平衡过程中仅仅凭经验估算或查图手算,这样费时费力还达不到理想效果。因此,在地铁模型BIM深化设计辅助中,采用了将信息输入模型并在模型中进行校核的方法,基本步骤如下。

将各节点间的逻辑关系、管段的相关参数依次输入并保存,然后根据技术要求初步选定各管段的假定风速;

根据假定风速自动计算管段当量水力直径及阻力损失;

用节点逆寻法自动查找系统各环路的路径及阻力损失,并确定系统最不利环路;

对非不利环路进行自动阻力平衡;

对计算结果进行校核。

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图8 系统平衡校验示意

六、预制件加工

随着在常州地铁站房BIM技术的不断深入应用,为后续工业化提供了可行的技术手段。目前建筑行业机电设备安装过程中暖通风系统大多采用法兰连接工艺,消防泵房、冷冻机房、水泵房等大多采用法兰或卡箍连接方式等成熟工艺,与BIM技术结合起来,工厂化预制和现场流水作业安装,可以做到综合管线布局合理,环境/材料信息数据精准化,预制、安装工艺流程标准化,无论在之后的工程质量、施工成本、工作效率等方面,均有较大帮助。

在进行预制件加工前,首先提出管线综合排布方案,即前文所列管线综合优化,之后在固定的场所集中进行流水线化、标准化,工厂化预制不受场地、交叉施工、材料等环境因素的至于和干扰,从而保证质量控制过程的掌控。并且在BIM模型中更可以精确统计材料的分类,需求的数量等信息,为材料的采购、预制下料等提供方便,并且工厂化预制加工和现场安装,预制加工厂集中化进行文明施工与安全管理,发生安全事故的不确定因素减少60%,现场安装仅需要扭矩扳手、倒链和脚手架,施工组织方便,不需要配备复杂的电源电缆、切割机具、焊接机及氧气和乙炔气瓶等,降低了施工组织的复杂性,消除了漏电和火灾的危险隐患。

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图9 设备管道预制加工

七、工程量统计

在常州地铁1号线地铁站房中需要测量工程量的项目很多,从勘察设计到施工期间由于地质、施工、设计变更等原因,施工区内的地形地貌变化很频繁。因此,不仅在勘察设计阶段要测量工程量,在施工前、 施工过程中、竣工等阶段为控制工程进度、预算分项目经费、最后结算等都需要多次测量工程量。传统工程量统计,安装预算人员需从图纸中逐一计数来统计设备、部件、管道配件等,然后分类统计于表格中;目前通过BIM技术,可对安装各专业设备构件一键转化,计算后分型号、分楼层、分系统形成统计报表。同时还可使施工单位提前预览各专业管线空间布局,检查设计合理性,避免返工,从而降低成本。

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图10 工程量明细表

在实施过程中,以三维数字技术为基础,以三维模型所形成的数据库为核心,不仅包含了各个专业设计师们的专业设计理念,而且还容纳了从设计到施工乃至建成使用和最终拆除的全过程信息,集成了工程图形模型、工程数据模型以及和管理有关的行为模型;是基于参数化设计的,是一个面向对象的、参数化、智能化的建筑物的数字化表示,支持建设工程中的各种运算,且包含的工程信息都是相互关联的。实现了“模型等于图纸”、“模型高于图纸”的目标,具有可视化,协调性,模拟性,优化性和可出图性五大特点。采用BIM技术不仅可以实现设计阶段的协同设计,施工阶段的建造全过程一体化和运营阶段对建筑物的智能化维护和设施管理,同时打破从业主、施工单位到运营方之间的隔阂和界限,实现对建造全生命周期管理。它通过软件建模,把真实的建筑信息进行参数化、数字化后形成一个模型,以此模型为平台,从设计师、工程师一直到施工单位和建成后业主的运维各个项目参与方,在直到项目生命周期结束被拆毁的整个项目周期里,都能统一调用、共享并逐步完善该数字模型。

八、BIM技术优势

BIM技术使得建筑模型携带大量营建所需信息,因此产生了两项主要优势,分别是「建筑生命周期信息透明化」及「营建产业的信息整合」,以下将对这两项优点做进一步的说明。

在以往的建筑生命周期上大多只有设计及营造阶段会有信息传递,建筑物交给使用者时并不会携带一本使用手册,告诉使用者何时该维护管线,何时该保养装修或结构体,然而BIM技术的导入能够有效的整合并记录设计与营造阶段所产生的信息,并且将这些信息延续到建筑物的营运阶段,甚至最后建筑物毁坏时的拆除与回收还可以依靠这些信息作为依据.

传统的营建产业工作模式多为线型的工作模式,由建筑师为核心负责协调整合各个单位的合作,然而在专业分工越来越细致的现代,各个单位间频繁的沟通与交流越趋重要,此时BIM技术的进入能够创造一个信息整合的平台,将工作模式由传统的线性改为网状的关系。各单位间频繁的交流与沟通,不仅能够激发创意更能够及早发现施工期间可能产生的问题, BIM技术的导入虽然在前期设计、方案设计及设计发展阶段会增加工作成本,但到了施工文件、采购与建设管理阶段,就会因为自动化的图文产出而减少大量的人力与时间成本,另外变更设计所需耗费的成本也是在越后期越高,因此BIM技术的导入能够让整个作业流程更加接近最佳的成本效益。

除了上述优点外,目前BIM技术应用最广泛的部分当属数量计算与成本估算,因为前两项优势牵涉到整个营建产业链的整合,然而整合并非一蹴而就,需要多个专业领域的慢慢磨合。数量计算与成本估算较没有不同窗口整合的问题,在实务上只要有一套清楚的流程,透过BIM技术即可快速的将传统的纸上估算作业参数化。

 

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