地鐵車站綜合管線?BIM?正向設(shè)計(jì)實(shí)施要點(diǎn)及模型價(jià)值分析

王曉丹

（福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司，福建福州 350001）

1 引言

地鐵車站設(shè)備區(qū)走道空間狹小，卻是機(jī)電線路穿行的要道，多達(dá)10余種管線需要在其間上下排布，因此易出現(xiàn)施工順序交錯(cuò)、檢修空間難以保證等情況。綜合支架安裝作為機(jī)電施工的第一道工序，卻是機(jī)電設(shè)計(jì)的最后一道工序，其對于時(shí)效性和準(zhǔn)確度的高要求給設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)已不能很好地解決跨專業(yè)、跨空間協(xié)調(diào)的問題，難以同時(shí)保障設(shè)計(jì)的進(jìn)度和質(zhì)量。

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是一種新興的數(shù)字信息技術(shù)，可集成建筑工程項(xiàng)目的各種相關(guān)信息，并對這些信息進(jìn)行詳盡的數(shù)字化表達(dá)，具有可視性、模擬性、協(xié)同性、連續(xù)性、集成性等特性。設(shè)計(jì)專業(yè)是地鐵建筑行業(yè)的上游專業(yè)，應(yīng)率先推進(jìn)并完成BIM技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的參數(shù)化、三維可視化，以及管理的信息化[1]，從而解決設(shè)計(jì)協(xié)同和設(shè)計(jì)質(zhì)量的問題。但在推進(jìn)過程中，大多數(shù)工程項(xiàng)目采用二維設(shè)計(jì)完成后再翻BIM模型的應(yīng)用模式（即逆向設(shè)計(jì)模式），這種模式存在效率低、質(zhì)量難以保證等缺點(diǎn)[2]。與之相對的是正向設(shè)計(jì)模式，即工程項(xiàng)目從草圖設(shè)計(jì)至交付全部成果的整個(gè)流程均通過BIM三維模型完成。只有實(shí)施BIM正向設(shè)計(jì)，才能獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，推動(dòng)模型數(shù)據(jù)在生產(chǎn)鏈上的閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的平衡，以及數(shù)據(jù)的延伸應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對BIM設(shè)計(jì)中的專業(yè)協(xié)同、正向設(shè)計(jì)方法開展了大量研究。Tauriainen等[3]結(jié)合流程再造理論提出BIM協(xié)同設(shè)計(jì)新模式；王巧雯等[4]構(gòu)建了BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的流程框架；徐洪亮等[5]研究了軌道交通BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)共享和分發(fā)；余元波[6]對地鐵車站通風(fēng)空調(diào)BIM正向設(shè)計(jì)方法要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。這些研究主要集中在各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、模型創(chuàng)建等方面，而未針對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向造價(jià)、施工、運(yùn)維階段的縱向傳遞以及模型出圖適配等問題展開討論。

本文聚焦于地鐵車站綜合管線的BIM正向設(shè)計(jì)，針對打通信息傳遞通道和實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)制圖的若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[7]展開討論。

2 綜合管線 BIM 正向設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

2.1 二三維信息割裂

在BIM正向設(shè)計(jì)中，各專業(yè)基于同一模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型的每一處修改對各專業(yè)的反饋都是即時(shí)、同步、一致的，而且各專業(yè)可同時(shí)對同一個(gè)文件進(jìn)行操作，整個(gè)模型設(shè)計(jì)的過程即是專業(yè)協(xié)調(diào)的過程[8]。然而，目前各專業(yè)由于BIM設(shè)計(jì)水平不均衡，因此難以達(dá)成同時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)。對綜合管線進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過模型平剖面的一致性實(shí)現(xiàn)平剖面標(biāo)高位置等信息的對應(yīng)，通過一個(gè)模型不同視圖的方式解決綜合管線與單專業(yè)信息對應(yīng)問題。但如果僅對綜合管線進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，而其余各專業(yè)仍采取二維設(shè)計(jì)的方式，就存在單專業(yè)二維信息與綜合管線模型三維信息如何傳遞及保證一致的問題。

2.2 軟件建模效率與生產(chǎn)進(jìn)度的適配

綜合管線設(shè)計(jì)通常與土建、風(fēng)、水、電專業(yè)同步出圖，設(shè)計(jì)周期中存在支架深化、構(gòu)造柱配合、風(fēng)閥檢修空間核對、專業(yè)協(xié)調(diào)等反復(fù)多次的繁瑣工作。相對于傳統(tǒng)二維模式，采用BIM正向設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行額外的核對碰撞細(xì)節(jié)、調(diào)整參數(shù)信息等工作[9]，因此提高建模效率以適配生產(chǎn)進(jìn)度是一個(gè)難點(diǎn)。

2.3 模型導(dǎo)出的二維圖面與傳統(tǒng)二維圖面的適配

由模型驅(qū)動(dòng)生成的平剖二維圖，因軟件自身及建模深度的原因，存在諸如水管彎頭表達(dá)與傳統(tǒng)二維制圖表達(dá)不同、支架及上下層橋架的平面表達(dá)不如二維制圖簡潔（圖1、圖2）、剖面圖中橋架圖例需要在CAD軟件中添加線纜符號(hào)（圖3）等圖面表達(dá)問題。

圖1 2種二維平面圖對水管及支架表達(dá)的對比

圖2 2種二維平面圖對上下層橋架表達(dá)的對比

圖3 2種二維剖面圖對橋架表達(dá)的對比

2.4 對模型的最大化利用

傳統(tǒng)建造過程是先由設(shè)計(jì)者將抽象的三維事物轉(zhuǎn)化為二維圖紙，再由施工者對二維圖紙進(jìn)行思維解讀并根據(jù)其建成三維實(shí)體的過程，因此如果三維設(shè)計(jì)與三維實(shí)體建造之間能夠?qū)崿F(xiàn)直接的信息傳遞，則可使信息丟失最少化。然而，目前因?yàn)閷張D、提資等場景的需求，仍然主要以二維圖紙作為傳遞信息的載體。如何發(fā)揮出BIM正向設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢，讓設(shè)計(jì)成果不只是模型導(dǎo)出的圖紙，是制定BIM正向設(shè)計(jì)路線時(shí)需要考慮的問題。

3 綜合管線BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)施要點(diǎn)

3.1 重構(gòu)工程各階段信息流應(yīng)用

BIM正向設(shè)計(jì)表面上是對設(shè)計(jì)端的改變，其實(shí)是對建設(shè)全流程離散數(shù)據(jù)的整合。輕量化BIM平臺(tái)以及BIM模型中圖紙、三維視圖、明細(xì)表、共享參數(shù)均是模型數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)形式，它突破了二維圖紙所能承載的信息邊界。如果基于“統(tǒng)一源頭、數(shù)據(jù)共享、完整準(zhǔn)確、滿足業(yè)務(wù)”思路對BIM設(shè)計(jì)內(nèi)容、對應(yīng)交付成果、模型構(gòu)件編碼進(jìn)行體系規(guī)劃，促使設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段信息流相融合，則BIM模型作為計(jì)算機(jī)可讀取的生產(chǎn)要素可發(fā)揮數(shù)據(jù)快速更新的優(yōu)勢，在更新模型設(shè)計(jì)信息的同時(shí)，帶動(dòng)構(gòu)件生產(chǎn)、施工進(jìn)度、運(yùn)維管理信息的自動(dòng)更新，從而提高各參與方信息共享的及時(shí)性及工作的協(xié)同性。

3.1.1 工程各階段應(yīng)用目標(biāo)分析

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用目標(biāo)是在滿足功能需求、裝飾空間要求的前提下，盡可能優(yōu)化管線線路以壓縮層高，并且保證模型平剖面一致、收資提資數(shù)據(jù)流順暢，以避免發(fā)生錯(cuò)誤引起施工拆改；在施工階段的應(yīng)用目標(biāo)是使BIM模型信息便于識(shí)別、設(shè)計(jì)方案便于下料施工，從而提高施工效率、減少拆改；在運(yùn)維階段的應(yīng)用目標(biāo)是在將圖紙信息合模并使其立體可視化的同時(shí)，將部分設(shè)計(jì)參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，便于查詢及數(shù)據(jù)提取。

3.1.2 工程各階段模型成果要求

為重構(gòu)工程各階段信息流應(yīng)用，使BIM模型的構(gòu)建和完善既滿足工程進(jìn)度要求，又符合各階段應(yīng)用目標(biāo)的需要，應(yīng)根據(jù)各階段既定的時(shí)間進(jìn)度，提出對于各階段BIM設(shè)計(jì)內(nèi)容、出圖成果等的要求（表1），執(zhí)行“一個(gè)模型、逐級(jí)深入”的思路。

表1 工程各階段BIM模型成果要求

3.2 提高上下游二三維數(shù)據(jù)傳遞效率

目前，地鐵車站綜合管線BIM設(shè)計(jì)過程是先將上游的二維提資圖轉(zhuǎn)為三維土建及機(jī)電模型，再進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，最終由三維綜合管線模型導(dǎo)出二維綜合管線圖及二維提資圖的過程。由于BIM模型數(shù)模信息一致，可以按不同專業(yè)、不同功能（建模、出圖、提資等）制作不同的視圖，因此三維到二維的數(shù)據(jù)傳遞整體順暢，提高數(shù)據(jù)傳遞效率的關(guān)鍵在于理順二維到三維提資傳遞、多次提資協(xié)調(diào)、會(huì)簽綜合管線模型及各專業(yè)二維圖的工作流。在實(shí)踐中，通過對二維提資圖的制圖格式進(jìn)行規(guī)范，可利用插件將建筑圖中的墻體、房間信息及機(jī)電專業(yè)圖中的管道直徑、風(fēng)管管徑標(biāo)高信息直接通過數(shù)據(jù)傳遞的方式轉(zhuǎn)換為三維模型，再利用CAD軟件對比工具核查歷次提資變化，進(jìn)行模型修正，最后通過開發(fā)的BIM平臺(tái)審模功能將由綜合管線模型導(dǎo)出的各專業(yè)二維提資圖與各專業(yè)上傳的施工圖進(jìn)行疊圖智能對比，以判斷管線的大致路由及尺寸信息的一致性。這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，形成提資、設(shè)計(jì)、出圖、會(huì)簽環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)閉環(huán)的方式，可以大幅縮短模型的創(chuàng)建時(shí)間，提高模型的準(zhǔn)確性。但在協(xié)調(diào)過程中需要多次復(fù)核二維提資，而且提資發(fā)生變化的部分還需要人工進(jìn)行修正，因此要徹底解決這些問題，必須帶動(dòng)上下游專業(yè)共同采用BIM正向設(shè)計(jì)。

3.3 利用標(biāo)準(zhǔn)化及二次開發(fā)提高建模效率

BIM正向設(shè)計(jì)需要將設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可讀取的生產(chǎn)要素，因此提高建模效率的關(guān)鍵是如何將生產(chǎn)要素標(biāo)準(zhǔn)化、單元化，以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)高效處理的優(yōu)勢。在實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)提資、出圖、BIM平臺(tái)等各種應(yīng)用場景，創(chuàng)建統(tǒng)一的構(gòu)件族庫、樣板文件、共享參數(shù)、模型編碼，對參數(shù)的命名和調(diào)用進(jìn)行規(guī)范，同時(shí)按照車站設(shè)備區(qū)走道橋架布置的不同分類，建立標(biāo)準(zhǔn)模塊組以備調(diào)用。這一系列的標(biāo)準(zhǔn)化措施不僅可提高建模效率，也便于后期施工管理。此外，通過采用二次開發(fā)插件，可快速生成管線剖面、添加標(biāo)注、布置綜合支架等，對比傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，可將設(shè)計(jì)時(shí)間壓縮50%，打破了質(zhì)量和進(jìn)度不能同時(shí)保證的魔咒。

3.4 優(yōu)化模型出圖的圖面表達(dá)

模型出圖的圖面表達(dá)問題主要有2方面，即圖層、線型與傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不適配，以及族的圖例表達(dá)與傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不適配。對于第一個(gè)問題，可通過從Revit軟件導(dǎo)出圖紙中設(shè)置的方法，解決大部分的圖層映射問題，不同系統(tǒng)橋架可通過在CAD軟件中進(jìn)行二次開發(fā)以自動(dòng)識(shí)別橋架過濾器顏色，實(shí)現(xiàn)圖層映射。對于第二個(gè)問題，可通過在Revit軟件中修改閥門、風(fēng)閥、彎頭等族的二維顯示效果（圖4），并配置不同的視圖樣板，實(shí)現(xiàn)在建模過程中用精細(xì)模式表達(dá)空間尺寸、在出圖過程中用粗略模式表達(dá)簡化二維樣式的目標(biāo)（圖5）；其余無法通過修改族來實(shí)現(xiàn)的圖例適配，如橋架剖面加電纜、支架平面改為粗PLINE線等，采用在CAD軟件中進(jìn)行二次開發(fā)的方式解決。

圖4 彎頭族導(dǎo)出視圖樣式對比

圖5 建模及出圖工作中視圖的不同表達(dá)對比

4 BIM 正向設(shè)計(jì)的模型價(jià)值分析

4.1 成果的可視化

BIM技術(shù)提供的三維可視化建模環(huán)境包含更豐富的幾何信息與屬性信息[10]，可增強(qiáng)信息的表達(dá)，減少設(shè)計(jì)的錯(cuò)漏、調(diào)整，在設(shè)計(jì)階段為建筑師提供更直觀、更方便、更合理的設(shè)計(jì)環(huán)境[11]。在后期向施工單位、運(yùn)維單位傳遞時(shí)，通過將模型構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)與進(jìn)度數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、造價(jià)數(shù)據(jù)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不僅能夠使設(shè)計(jì)成果便于查詢，也可將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為以圖形方式展示的可視化表達(dá)。

4.2 數(shù)據(jù)協(xié)同一致

BIM技術(shù)的優(yōu)勢是能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型視圖、工程圖紙、明細(xì)表、剖面圖和平面圖的變更[12]?？煽吹降某晒悄Ｐ停?lián)動(dòng)的是數(shù)據(jù)，模型為信息服務(wù)，從而解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式依靠圖紙，文件傳遞時(shí)因數(shù)據(jù)未協(xié)同而產(chǎn)生圖紙中平面、說明、原理圖、材料表之間數(shù)據(jù)沖突，以及圖紙與現(xiàn)場信息脫節(jié)等問題。

4.3 快速準(zhǔn)確提量

工程計(jì)價(jià)三要素為量、價(jià)、費(fèi)，其中工程量計(jì)量是工程計(jì)價(jià)及造價(jià)管理的基礎(chǔ)工作。有數(shù)據(jù)表明，工程預(yù)算編制中，該項(xiàng)耗用的工作量約占全部預(yù)算編制工作量的60%～70%[13]。例如，采用清單計(jì)價(jià)模式的支架計(jì)量通常只能通過手算每幅支架配件的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工作量大且易錯(cuò)，而且在后期施工中，分批采購下料也需要統(tǒng)計(jì)分幅的工程量。而在BIM正向設(shè)計(jì)的制作支架族階段，若根據(jù)后期下料顆粒度規(guī)劃族類型，并以共享參數(shù)的形式記錄單重，設(shè)計(jì)明細(xì)表樣板，則可在三維模型設(shè)計(jì)過程中自動(dòng)完成工程量的計(jì)量，在保證工程量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)，加速了數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)（圖6）。

圖6 模型支架材料明細(xì)及剖面

4.4 加快數(shù)據(jù)提取、識(shí)別、流轉(zhuǎn)的效率

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，采用BIM正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)信息可轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，被計(jì)算機(jī)讀取分析，這使采用機(jī)器輔助審圖、會(huì)簽成為可能。傳統(tǒng)的審圖、會(huì)簽核查工作大多依賴人工進(jìn)行，二維綜合管線圖平面細(xì)節(jié)繁多、平剖面信息不能確保一致等問題影響了審圖及會(huì)簽的效率。通過開發(fā)針對綜合管線審圖、會(huì)簽場景需求的凈高核查、檢修空間核查、限界核查等軟件工具，可以實(shí)現(xiàn)高效核查。在施工建造環(huán)節(jié)，可以通過給設(shè)計(jì)模型添加進(jìn)度屬性，實(shí)現(xiàn)分階段下料信息的自動(dòng)歸集；利用模型生成預(yù)埋件圖、孔洞定位圖等施工深化圖，可保證原設(shè)計(jì)信息的繼承及一致。

4.5 通過模型進(jìn)行信息集成及共享

工程建設(shè)領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其相互關(guān)聯(lián)，但現(xiàn)實(shí)中卻孤立分散，并且具有流動(dòng)性和突發(fā)性，因此造成物資、合同、成本、設(shè)備、安全、質(zhì)量等工程管理各方面的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、不可沿用、難以重復(fù)提取。BIM技術(shù)的理念是通過快速收集和傳輸信息、集中存儲(chǔ)和共享信息，實(shí)現(xiàn)信息的高效傳輸和協(xié)同管理，提高各方的信息處理效率與管理水平[14]。將BIM模型作為載體，使其中信息流轉(zhuǎn)于設(shè)計(jì)-建造-運(yùn)營各階段，關(guān)聯(lián)概算-預(yù)算-結(jié)算等各環(huán)節(jié)，記錄從設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)到移交驗(yàn)收的數(shù)據(jù)演變過程，則可發(fā)揮BIM技術(shù)信息集成及共享的最大價(jià)值。

5 結(jié)語

地鐵車站綜合管線設(shè)計(jì)不是簡單的疊加，而是在遵循總體設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上、滿足各專業(yè)技術(shù)要求的前提下，不斷協(xié)調(diào)、不斷優(yōu)化的結(jié)果[15]。BIM技術(shù)具有可視化、圖模一致、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，BIM正向設(shè)計(jì)可使設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可讀取的生產(chǎn)要素，發(fā)揮計(jì)算機(jī)高效計(jì)算的特點(diǎn)，通過從模型中自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量表、標(biāo)記設(shè)計(jì)屬性、跟隨設(shè)計(jì)屬性改變幾何形體等，提升設(shè)計(jì)協(xié)同效率、精細(xì)化程度及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率。隨著設(shè)計(jì)-建設(shè)?-運(yùn)營管理之間聯(lián)系的日益緊密，工程設(shè)計(jì)服務(wù)也慢慢從傳統(tǒng)的純粹工程設(shè)計(jì)向全過程設(shè)計(jì)咨詢轉(zhuǎn)變，BIM技術(shù)作為串聯(lián)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)鏈、形成場景化應(yīng)用的利器，將發(fā)揮越來越重要的價(jià)值。