基于 BIM 技术在管线预制与施工中的应用探讨

田 华

（广州新科佳都科技有限公司，广东 广州 510655）

0 引言

城市轨道交通机电安装工程一般配备有变压器室、高低压室、环控机房、消防泵房、废水泵房、环控电控室、照明配电室等设备房间，各类管线安装以相应的设备机房为起点经过车站公共区及设备区走廊贯通至对应设备末端。因地下空间狭窄、多专业交叉布局等因素，造成管线走向紧凑且交叉渡线，导致标准件的匹配适用难、管线的交叉重叠多、现场的二次加工多、返工现象等时有发生［1］。城市轨道交通地下车站风水电核心设备房间的进线与出线较多，虽已采取立体空间、异形管件、有效避让等措施，但在实际下单采购、施工交底及管线安装过程中，因各专业管线频繁避让所需的管线异形件及附件较多，同时因异形件及管道附件需实测实量后再排产，存在实地测量误差、供货周期较长、工序延误及分段施工等现象。为有效地规避以上现象，无锡地铁在机电施工及装配式施工过程中，积极地引入 BIM 技术参与管线碰撞、异形件分析、机电安装三维展示并进行阶段性总结，设计出基于 BIM 系统的机电管线装配式智能施工技术，该技术具有施工精度高、工序转换合理、管线交叉科学合理、节省材料、衔接有序、施工安全、节约造价等特点，提高了装配式管线的一次成型率、综合利用率、生产周期率，对机电安装装配式施工等类似工程具有很高的参考价值。

1 机电管线施工现状

城市轨道交通机电工程具有空间狭小、交叉施工多以及对专业技术要求高等特性，同时因设计提资不到位、设计套图不全面、深化设计不彻底、施工误差等因素的叠加，造成车站建筑结构与机电管线设计蓝图不符、车站公共区风口被其他专业管线遮挡、车站环控机房设备检修空间不足［2］、车站综合支吊架间距设置不合理、车站机房管线安装错位等问题。自无锡地铁三号线开始引进 BIM 技术指导深化设计和现场施工后，科学有效地协调解决机电设备管线内部以及与其他专业管线碰撞的施工矛盾，为施工组织设计的优化和各专业施工工艺的稳步提升提供有利保障。通过多个案例应用和项目实践中发现，BIM 技术的合理应用和模块化施工的引入，通过数字信息和仿真模型，可以使城市轨道交通机电系统管线施工能够有条不紊地开展，可以获取施工过程中涉及的各项数据信息，由此可以合理利用施工空间，避免各个专业因沟通不及时而造成结构及管线碰撞等问题［3］。我们发现由于初期经验不足及各专业现场施工配合不到位等，BIM 技术在实际应用中仍然存在不少返工或合规性较差等问题，为了能够及时有效规避此类问题发生、及时进行现场纠偏，现对已发现的典型问题进行梳理和研究，提出相应的解决方案和建议，为后续设计施工与 BIM 技术的综合运用提出合理化建议及相关展望，为行业发展提出可行性意见。

2 BIM 技术应用特点

基于地下车站现场测设尺寸进行 BIM 系统的建模，充分考虑现浇混凝土实体构件尺寸、墙体砌筑尺寸以及转角弧度等，按实际尺寸分析结构净高、设备房开间与进深尺寸，依据BIM模型中管线异形件及管线附件的实际尺寸进行工厂化预制，既提高了综合管线的施工精度，又压缩了交叉施工时的管线拼装时间。基于 BIM 机电管线装配式智慧施工技术，有效解决了风管与二次砌体施工顺序的制约问题，有效解决了因风管吊装不到位制约下层强弱电桥架的施工，有效缓解了因强弱电桥架未贯通制约水管安装等问题。同时，预制化加工管线时根据 BIM 系统智慧化测设进行系统化编号，按照主干段与分支段、紧前段与紧后段进行管线区分编号，施工时按照不同系统、不同区域紧前与紧后工作进行科学施工。

测试施工过程中，一是优先进行异形件连接区域的施工，二是通过与风阀连接的风管短节或标准段来控制预制管线的安装误差，三是在高差变化处通过支吊架二次测量控制安装误差。管线装配式智慧化施工，解决了传统施工中优先进行标准管段施工造成的异形件安装难、施工误差大等现状，能提高管线装配施工的一次成型率和利用率。优先进行异形件的施工，才能有效地降低管线冲突、尺寸不合适等异常现象。以环控专业大系统碳钢风管为例，其尺寸最大可达 2 000 mm×2 000 mm×1 240 mm，重量约 25.34 kg，此风管四通延伸的边缘至少需要 1 名工人进行安装操作，因此对工人的作业空间具有一定的约束要求。

3 BIM 技术应用机理

应用 BIM 技术辅助机电管线装配式智慧施工时，采用 BIM 技术抓取大型管道和设备管路进行优化设计与处理，主要以机电安装工程中风管、桥架、水管为优化对象，选取交叉施工时影响其他专业的大型风管为研究对象，统筹处理公共区、设备区紧前与紧后工序的逻辑先后问题，科学组织机电安装工序的合理转换、机电设备管线的合理避让、合理利用建筑结构尺寸进行管线敷设等。

城市轨道交通车站内通风空调专业分为大系统、小系统、室内多联机、空调水系统等。本节主要以通风空调各专业系统为研究对象，公共区、设备区走廊、设备房间为拆分区域，将风管系统按照 3 个区域进行拆分并编号，如图 1、2 所示［4］。以相邻两跨支吊架为单元，合理优化桥架、管线及水管走向，现场实例如图 3、4 所示。

图1 管线装配式施工分段示意图

图2 风管装配式施工 BIM 示意图

图3 管线装配式施工实例

图4 风管装配式施工实例

4 施工工艺操作流程

4.1 现场实地勘测

建筑结构及砌筑装修施工完成后依次对公共区、设备机房、设备走廊的净高与结构尺寸进行实体测量，其中二次砌筑装修专业测量放线完成后应再次通过墙线对房间开间、进深尺寸进行复测，以探清结构及墙体对管线综合的影响［5］。如采用混凝土剪力墙结构对送风道、排风道及活塞风道进行分隔时，应核对混凝土墙、夹层板土建预留孔洞的尺寸、位置与施工图纸的偏差，确保防火阀实际安装位置距离结构板或墙体≤ 200 mm。

现场核对夹层板的层高、孔洞预留的尺寸及位置、下翻梁在机房内的定位、风道内设备基础尺寸与机电专业图纸是否有出入，将现场测量数据反馈到建筑结构 BIM 系统模型中，同时统筹规划风机与消声器的定位对后期管线路由与高差变化的影响。

4.2 管线预制化加工

通风空调、给排水、动力照明、FAS、BAS、AFC、TX、SIG 等专业建模前，需依据系统功能和设计图完善疏漏的零部件、管线细节等，同时管线末端及系统设备应依据实际尺寸进行 BIM 放样与模拟连接［6，7］，如图 5、6 所示。管线附件按照实际尺寸进行建模，同时调整 BIM 软件自带连接方式，确保系统建模与施工现场一致，保证管线间距、尺寸、连接方式与进场设备一致，充分考虑空调机组风管送、回两系统与静压箱的连接方式，提高后期预制化装配率。BIM 建模中的设备与系统组合时，应使管线与设备连接形式简洁、美观，支架安装与组合高效、合理。

图5 管线装配 BIM建模效果图

图6 冷水机组装配施工实例

利用 BIM 建模进行精细化测算与部署，尽量降低设备与管线的连接偏差，在工厂预制加工时需重点关注风管的异形件、弯头等连接件。综合支吊架实际横担尺寸与连接件立杆应搭配清晰合理，同时根据空间尺寸和立体架构对管线间距进行适当调整，确保 BIM 模型精度满足施工要求，确保各类管道阀门操作方向与高度保持一致，仪器仪表整齐成线或成面，各类机组、水泵检修空间≥ 700 mm，消防泵房模型示意与施工实例如图 7、8 所示。

图7 消防泵房 BIM建模效果图

风管外包防火板需考虑支架承载力要求。通风空调专业中风管截面任一边长≥1.25 m 时，支架间距需≤1.4 m（间距超过 1.4 m 的支架需核算承载力）；风管截面任一边长＜1.25 m 时，支架间距需≤2 m（间距超过 2 m 的支架需核算承载力）。

图8 消防泵房施工实例

5 综合支吊架安装工艺

测量放线时充分考虑设备房间墙体砌筑尺寸，通过与管线垂直相交的墙体位置线确定风阀位置，并据此反推支吊架整体施工区域和优先施工支吊架底座的区域。施工作业时采用先风管后墙体施工时，垂直墙面的管线与路由如遇到不同高差时应优先施工较大截面的管线。为控制预留段两侧综合支吊架同层管线高程差，可通过支吊架立杆进行二次测量与控制线调整，同时在支吊架立杆上画控制线与定位线。

环控机房是管线密集的集中区域，易存在支吊架冲突、管线冲突、支吊架与吊装葫芦冲突等情况，施工作业时应优先大跨度区域，管线施工时优先大风管、紧后小风管、然后桥架、紧后水管。通风空调专业风管受混凝土与墙体砌体工程的制约较大，应将设备区走廊作为施工管理的关键路线，设备区垂直管线的墙体作为次要路线，统筹进行施工作业工序安排与部署。完成综合支吊架安装后，通过水平仪控制两侧支架横担及墙体预埋套管的高程差，使施工误差控制在安装允许范围内，同时在支架立杆上进行标高控制点的标识。管线密集区域优先施工最上层管线，采用先附件与异形件、后平直与标准段工序，在距离异形件 1 200 mm 内的标准风管、2 000 mm 内标准桥架需保留平直段，用以调整生产制造与施工作业中的误差。

设备机房内风机设备定位应优于异形件与管道附件施工，通过实测风机高程对各系统管线进行走向排列。桥架预制加工与通风专业略有不同，桥架与桥架的拼缝应避开下引漏斗，以免出现不均匀高低差拼缝现象。上层风管装配式施工完毕后，下层桥架的水管根据风管预留段、调整段进行深化设计与调整，使水管、配电管线与风管装配施工一致，达到排列有序、整体美观的效果，如图 9、10 所示。

图9 BIM 管线综合模型

图10 装配式管线预制施工效果图

6 施工管理措施

预制管线装配式施工时应与施工计划横道图相结合，协调各专业施工工序，及时调整各专业间制约因素。管线装配施工时充分利用 BIM 模型的立体性、直观性和协调性，厘清各专业错综复杂的相互关系，利于工程建设动态的进度控制。管线装配式施工通过 BIM 模型实现施工现场与管线模型的综合联动，可体现机电安装工程中影响工期的关键工作和关键路线，利于抓住主要矛盾，可有效反映出工作路径具有的机动时间，以便进行更为合理的组织保障与管理指挥。

墙体砌筑与粉刷完成后，将风阀与标准管段连接，管段吊装放置后进行局部调整性施工，调整节尺寸按照 BIM 模型进行生产，管线装配施工效果如图 11 所示。BIM 技术与施工现场的有效融合，可将拆分的管线模块化，同时预留标准段与调整节以满足现场施工的临时调整，确保上下层的梯形排列。同时桥架异形件、三通、四通在 BIM 模型中应单独生成族文件，将线槽调整节设置在直线段，保证异形件处因电缆堆积造成的桥架高低差错位。

图11 设备机房装配施工成品效果图

7 本技术的创新性

BIM 技术结合现场勘察与测量，既保证了图纸的准确性、合理性、优化性，又能及时发现图纸中的管线碰撞、交叉、错位等问题，实现综合管线整体的合理性、包容性、美观性。采用常规性的综合管线施工方法，因无法有效地完成异性件、附件的准确放样，宜造成施工现场的误差和错位等。

施工现场引入 BI M 模型的应用，积极采用族文件细化连接方式，实现异形件的尺寸稳定与准确放样，确保预制件加工的准确性。BIM 模型中高低差 1 000 mm 的桥架默认生成的是 90°垂直连接件，如采用自建族文件设置连接方式，把 90°连接件换成 45°～60°缓坡进行放样，就能有效保障预制件尺寸形状与现场施工的一致性。传统工艺的异形连接件生产周期为 15～20 d，引入 BIM 模型后可将生产周期缩短至 5 d。

BIM 模型中应对预制管线进行分段编码、分机房编码，能有效区分管线位置与用途，能有效区分材料领用与使用部署，能有效统计施工现场的材料使用状况和作业进展。利用 BIM 模型进行机电管线的工厂化预制，不仅加快了机电管线的生产制造进度，又能减少施工现场的二次加工与切割量，更是利于施工现场的安全文明管理。

8 经济效益

基于 BIM 模型的机电管线装配式智能施工技术具有精度施工、工序科学、材料节省、施工安全、节约造价的特点［8］。现以无锡地铁三号线五湖大道站为例，具体分析本工法在节约造价方面的经济效益情况。无锡地铁四号线五湖大道站为地下 2 层岛式车站，车站外包总长 184 m，标准段宽度为 19.7 m，车站有效站台中心里程处基坑深度为 15.79 m，覆土 3 m。原管综设计方案为正常工序施工，新方案采用 BIM 模型科学调整管综施工工序，优先施工管道异形件与附件，达到动态施工、智慧施工的效果。现将原方案与新方案的主要材料设备单价和数量情况进行对比，该数据来源于本工程的投标报价及变更工程的审定单价［9］，如表 1 所示。

表1 主要材料设备造价对比表

从表 1 对比分析可以看出，应用 BIM 模型进行管线综合装配式方案相比于常规管线综合施工方案节约材料成本造价 455 131.9 元。若考虑到施工机械投入减少、人工作业效率提升、施工安全性能提升等方面，经济效益将更加显著。

9 结语

基于 BIM 机电管线装配式智能施工技术，具有施工精度高、工序转换科学、合理节省材料、施工安全可靠、成本节约明显等特点，提高了装配式管线的一次成型率和材料的损耗率，减少管线碰撞和后期拆改工作，且减少现场加工更具有节能环保特性。积极地引入 BIM 技术参与管线碰撞、异形件分析、机电安装三维展示，提高了装配式管线的一次成型率、综合利用率、生产周期率，对机电安装装配式施工等类似工程具有很高的参考价值。

基于 BIM 模型的机电管线装配式智慧施工技术，更是得到了当地市质检站、建设单位、监理单位及设计单位的一致认可，在项目实施过程中不仅缩短了整体工期，更是提升了施工安全性，更为运营单位的检修与维护创造了便捷的条件。Q