建筑技术丨基于BIM的大型交通枢纽工程机电安装技术应用

1  工程概况

长沙西站综合枢纽位于长沙市望城区，建筑总规模按40.1万m²设计，包括地下地上各2层、局部夹层，其中站房工程为8.54万m²；城市通廊、市政及铁路停车场等线下配套设施10.06万m²；市政配套设施8.9万m²，主站房区主要为预应力混凝土框架结构与钢桁架结构屋盖的混合框架结构体系，如图1所示。

图1  长沙西站项目主体设计示意

新建常德经益阳至长沙铁路长沙西站站房及相关工程主要建设工程机电安装施工内容包括：弱电系统、给排水系统、环控通风系统、电力系统、监控设施、门禁系统、车场设施、电梯系统、通信设施等机电系统安装装配及运行调测操作。

2  问题分析

2.1  施工重难点

作为大型铁路综合枢纽，长沙西站站房工程中机电系统种类繁多且涉及多方参与单位，其中布设强弱电、给排水、通风空调、铁路四电等二十多个复杂管线和支架系统，各个专业间需要广泛进行交叉施工，但现场施工专业众多，不具备现场加工作业条件，物料转运困难，管理人员协调责任和协调难度也随之上升。

此外，本工程单体施工面积大、建设质量要求高、施工状况复杂，需满足既有长株潭城际铁路二次倒边要求，在施工过程中还存在与长沙西站站前标段的交叉施工相互制约，工期紧张，施工进度管理难度较大等问题。

因工程邻近既有运营线，需要提前分析、预测，以控制施工过程安全风险，实现施工保护，综合协调及管理各分包单位难度大。

项目信息化、绿色化、智能化管理和施工要求高，需要以信息技术、BIM技术为基础，将项目管理、施工生产融合应用，最终达到项目施工全过程“先进、安全、实用、简便”的绿色智能管理要求。

2.2  解决对策

项目总体施工管理难度大，传统管理方法存在效率低、安全风险判断依赖人员经验﹑智能化程度低等问题，难以在保证质量的前提下按时完工。

因此，基于现场施工的管控要点及难点，本工程引入BIM技术搭建施工三维数字模型，利用BIM技术完成三维图纸会审、技术交底、虚拟碰撞检查、管线综合排布、施工方案4D模拟、可视化沟通等智慧化绿色施工需求，并以先进的技术手段辅助机电安装设计及施工，以提升施工设计和质量水平。

通过开展机电设备和物资的全生命周期管理应用，提升站房工程数字化和精细化管理水平。

3  基于BIM的机电深化设计

3.1  BIM模型搭建管理

BIM技术将建筑物的几何结构、空间关系、建筑系统、数量估算等信息数字化整合在一个动态的三维模型中，形成可视化的数据库。

通过BIM技术，为多专业的信息共享和协同工作提供统一的智能协作平台，帮助大型交通枢纽工程中机电安装设计和施工，提高项目质量、决策效率和可持续性，降低施工成本，有效缩短工期。

选用Revit软件进行机电管线及设备工厂化预制装配应用，按照机电工程的系统、子系统将长沙西站站房工程中项目复杂机电模型拆分建模，搭建基于工程的各专业机电模型，再通过链接和中心模型将各专业模型关联起来。

为进一步提高模型精度，满足国内机电系统设备标准，便于后期机电施工实现预制化加工，对机电BIM模型内管线、桥架、风管进行精准切分，对机电设备末端依照产品采购外形尺寸建立LOD500级别的、详细的特定机电设备BIM族模型，如图2所示。

（a）                  （b）                （c）

图2  特定机电设备BIM族

（a）消防增压稳压泵；

（b）箱式离心风机；

（c）自冲搅拌型潜水排污泵

该特定机电设备的BIM族包括该设备的详细几何模型、构件属性、材料信息、安装要求、操作指南等信息，可方便后期运维应用。对设备的连接头位置进行优化，减少非标尺寸的设计，使机电系统族中包含更多专业信息，大幅提升项目施工中形成的三维模型质量和加工生产效率。

3.2  管线优化设计

BIM模型将二维设计图纸设计信息提升到三维信息模型设计，真实还原施工过程中机电系统在项目任意空间内的管道走向及位置关系。

当某机电专业发生调整后，整个关联的BIM机电系统能够实时更新和相互查看，设计管理效率大幅提升；还可以将模型中心文件导入Navisworks软件中，以检查定位碰撞点并生成碰撞检测报告，在碰撞点消除后可实现实时更新检测报告。

通过建立机电全专业模型对长沙西站站房工程进行管线可视化碰撞检查，累计检查出582处管线碰撞部位，如图3所示。

图3  长沙西站项目主体设计

按照管线优化基本原则和管线空间分析，对管线系统进行针对性的优化设计，包括管道布局、设备选型、管径选择等，避免在施工过程中出现管线干涉问题，以提高系统的效率和节能性，最后形成优化BIM机电管综模型，并出具二维管综深化CAD图纸。

3.3  穿墙管预留预埋

长沙西站综合交通枢纽主站房区主要为预应力混凝土框架结构体系，且工程中存在管线穿墙施工需求，因此需要在施工前期对现场进行预留预埋施工设计工作，将优化后的BIM机电管综模型同时与建筑、结构模型链接，提前做好基于BIM模型的预留孔洞自动化设计，避免传统二维设计导致的错开、漏开及二次堵洞的弊病，利用二次正向设计进一步提升施工设计质量和现场施工效率，如图4所示。

图4  基于BIM模型的预留孔洞自动化设计

结合施工规范中穿墙管道及楼板消防、防水等套管要求，对于模型中存在管线墙体冲突的位置上留设相关洞口，并对洞口配筋参数进行设置，最后生产对应孔洞图、套管预埋图、套管清单等，并生成管件和设备标准加工参数、编制编码。

利用BIM技术不仅能够通过管线综合模型和正向设计所生成图纸指导预留预埋套管的施工，也能够利用编码对安装施工进行全过程跟踪监控，提升了施工管理中图纸实用性和便捷性。

3.4  金属风管预制安装施工技术

传统薄壁钢板风管施工工艺工序复杂且无法有效保障施工质量，为此，本工程在镀锌铁皮法兰风管内壁粘贴离心玻璃保温棉的内保温技术，并通过数控流水线实现风管的全自动生产。

通过运用该创新技术，实现了加工场地从施工现场到专业加工工厂的转移，避免了由于项目施工现场场地有限导致风管加工困难。同时，流水线加工式的工厂化预制生产也能实现产品质量可控，有效提高了现场风管安装效率。

同时，内保温技术相比于外保温技术，风管运行噪声更小，施工过程中保温层由于交叉施工产生破损的可能性较低，节省了消声器等设备的安装空间并降低了施工后期管道结露的可能。

长沙西站站房项目在BIM综合模型设计搭建内保温金属预制风管加工深化模型，形成精确风管尺寸参数并按照不同系统、部位进行风管分类编号，生成预制风管加工大样图，录入至数字化预制加工设备，完成一体化流水化作业。

该技术所生产出来的风管切割精度高、周期短、成品率高、损耗低，还实现了施工现场无防腐施工，也降低了风管加工对环境的污染。

3.5  机电消声减振综合施工技术

长沙西站大型交通枢纽工程在建造和设计中坚持绿色化、智能化、以人为本的原则，为避免机电设备在日常运维阶段产生不良噪声和振动影响公共建筑使用体验。

项目采用机电消声减振综合施工技术，以进一步保障建筑机电系统设计实施功能运作良好。

在机电系统设计与施工前，运用工程BIM综合模型实现施工方案4D模拟，对机电系统噪声及振动产生的源头、传播方式与传播途径、受影响因素及产生的后果等进行细致的可视化方案比对分析，最终制订具体消声减振措施，对其中的关键环节加以适度控制，实现对机电系统噪声和振动的有效防控。

选用箱式、变频或缓闭式等低噪声低振动或备有消声降噪类型的机电设备，在长沙西站管线综合设计中，在水泵、压力管上安装速闭消声止回阀和水锤消除器以实现管道使用过程中的消声减振，如图5所示，并对需要吊装的设备采用减振吊架。

图5  消声降噪管道设备BIM模拟展示示意

在会产生噪声振动的管道与结构、设备之间采用避振器、套管等进行隔离、隔断，实现消声减振，项目对敷设在房间吊顶上方排水管采用25 mm厚度的橡塑泡棉保温材料做防噪声处理。穿墙管道与墙壁之间应填充硬质保温材料做好封堵工作。

风管噪声传播在大型交通枢纽工程项目中最为明显，因此项目不仅在风管与套管之间采用不燃柔性材料封堵，并在设备进出口安装了消声器。

3.6  工厂化成品支吊架技术

支吊架属于机电专业中电缆系统、管道系统的重要组成部分，在建筑中通过支吊架可以将各专业的管道支吊于楼层顶部，再通过对楼层天花板平面进行吊顶精装，不仅大量节约建筑内部空间而且也能起到装饰美观的作用。

不同建筑结构中所对应的支吊架数量庞大且需要根据管线优化情况进行深化调整，支吊架并非具有通用性，因此，为进一步提高项目施工质量，施工现场选用工厂化成品复合式支吊架技术。

采用工厂化成品支吊架进行装配，包括连接管道的管夹构件、连接结构的锚固件和承载、减震、绝热构件等。这种支吊架适用于不同规格的风管、桥架和工艺管道，尤其适用于复杂管路定位。

在长沙西站综合交通枢纽工程中，工厂化支吊架技术能够有效地解决复杂集中管线存储空间问题，具有整体性好、空间节约、便于规范化建模、维护扩容便捷、组装质量好等特点。

项目采用工厂化成品支吊架技术在整合后的BIM整体项目模型中深化机电管线的附属支吊架，通过参数化3D建模识别定位设计管线支吊架最优安装部位、连接形式和具体尺寸。不但能够提出满足实际施工要求的施工方案，也能同时针对机电管综模型中支架外伸空间进行细化设计。

将BIM模型导入Abaqus软件进行力学计算深化校核，分析调整其大小间距等搭建参数，保证机电深化支吊架的安全可靠，从而降低施工现场材料损耗率和安全隐患。

最后通过深化后的BIM管综模型生成二维CAD施工图纸、设计文件等材料直接指导支吊架施工设计，实现施工场地内的高精度生产和高效率安装。

4  结论

本研究充分挖掘了BIM技术在大型交通枢纽项目机电安装设计中的应用优势。以长沙西站交通枢纽项目为例，结合各种新型机电安装施工技术，进行了系统分析和技术推进尝试，得到以下结论。

（1）利用BIM技术形成可视化的模型参数数据库，为总包和各专业分包之间协同共享施工信息提供了统一智能协作平台，从而大幅提高了施工质量和效率。

（2）通过虚拟碰撞检查和管线综合排布，能够提前对施工中的机电安装进行管线综合优化和穿墙管预留预埋，避免返工和延误工期。

（3）采用金属风管预制安装、机电消声减振综合施工技术和工厂化成品支吊架技术，以提高加工效率和质量，并保障施工安全绿色。