探索BIM技术在福州地铁机电工程中的应用

黄道营

(福州市地铁建设工程质量安全监督站 福建福州 350011)

0 引言

地铁机电工程不同于传统的建筑工程，它不仅包括建筑工程中的水电、暖通、电气等工程，同时还包括铁路工程中的通信、信号、轨道等，系统多且复杂。在机电设备安装过程中，往往存在设备多、系统复杂、设备材料运输安装工程量大、工艺要求高、管线综合布置难度大、送电调试工期紧等[1]，造成多个专业协调难度大，施工困难，整体质量、安全难以保障，在施工中出现的问题比较多。BIM技术出现为解决这些问题提供了很好的帮助。

1 BIM简介

1.1 涵义

BIM，即建筑信息模型，BIM施工技术顾名思义建筑信息模型与施工相结合，即建筑信息模型在建筑施工过程中的应用。把BIM技术引入到建筑工程，对提升施工现场质量安全管理、优化变更成本及减少错漏、提高生产率、加快工程进度、构建绿色建筑等均具有积极的意义。

1.2 优点和潜力

BIM技术作为建筑施工管理的一种辅助手段，可全过程地运用于建筑管理的各个环节，能够更好地对建筑全寿命过程进行管理，对质量、安全、进度、造价等进行智能控制，对多专业工序、工种进行协同管理，提高工作效率，增加经济效益。

1.3 国内外发展情况

BIM实践最初主要由北欧的芬兰、挪威及新加坡等国家所主导，美国等一些发达国家紧随其后。经过长期的酝酿及实践，BIM在美国逐渐成为主流，并对包括中国在内的其他国家BIM实践产生影响。如今，BIM应用在国外已经相当普及[2]，其中英国政府更是发文要求截至2016年，全面协同3D-BIM强制使用BIM。

我国BIM发展目前还处于起步阶段，潜力巨大。国家和地方政府均重视BIM的发展，其中住建部《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中谈到“十三五时期，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力” “普及项目管理信息系统，开展施工阶段的BIM基础应用。有条件的企业应研究BIM应用条件下的施工管理模式和协同工作机制，建立基于BIM的项目管理信息系统”[2]。上海市作为全国首个发布BIM政策的省级政府，至2014年开始先后发布包括《关于在本市推进BIM技术应用的指导意见》等多个BIM技术推广政策。其他如北京、天津、浙江、黑龙江、深圳、成都、济南等省市地方政府也不同程度推出相关政策，推进BIM技术在地方区域的发展。如表1所示。

表1 部分推行BIM技术的政策汇总

2 工程概述

根据《福州市城市总体规划(2017-2035年)》，福州市轨道交通线网将由14条地铁线路组成，其中地铁2号线西起闽侯县苏洋村，东至晋安区鼓山镇，整体呈东西走向，线路全长30.167km，均为地下敷设。全线共设车站22座，1个停车场，1个车辆段，其中换乘车站5座，如图1所示。目前，2号线主体已大部分完工，进入机电(安装)施工阶段。项目的机电工程主要包括通风空调、给排水与消防、动力照明、信号、通信、BAS、FAS等。

图1 福州地铁2号线示意图

因基于传统二维图纸的机电安装工程中，由于安装空间狭窄或管线过于密集等方面原因，施工现场存在着大量的“错漏碰缺”现象，不同专业的管线交叉碰撞严重，导致安装空间严重不足或安装效果极差，给机电工程项目管理造成了很大困扰。同时，由于采用二维尺寸图，图纸繁且复杂，尺寸多变，容易造成安装偏差，造成既影响使用功能又影响感官质量，此种情况下，为有效解决上述难点，减少现场协调、管理压力，2号线部分站点采用BIM技术以走出遇到的管理困境。采用Revit、Rebro等软件进行BIM建模，主要实现BIM的工厂化预制，并指导工程施工，能够在施工前提前发现设计矛盾，优化管线布设，降低后期施工返工率，节省变更费用。通过方案设计、扩初和深化施工图设计，利用Revit、Rebro等软件对管线布置进行BIM建模，模拟机电设备的安装顺序，模拟不同专业安装可能存在的碰撞问题，在实现工厂化预制化的同时，提高机电工程安装准确度，降低工程成本，提升施工现场标准化水平。

3 BIM应用过程

3.1 BIM实施步骤

第一，收集结构、建筑、机电安装等各专业CAD图纸，在完成结构及建筑模型的基础上，依据二维图纸进行BIM管线建模。

第二，根据管线综合图纸，对管线模型进行优化排布，消除碰撞，生成管综模型。

第三，在管线综合模型的基础上对风管三通、弯头等异形件进行进一步优化，对水管构件、桥架、支吊架按照工厂化加工要求添加标准族库构件，保证管件、阀门等构件与实物一致，使模型能够达到工厂化加工水平。

第四，由业主组织各参建方及专家组对BIM模型进行审查，审查修改完成后，对BIM模型图进行会签、封模。

最后，对管线模型进行定长分割、编码，并发工厂进行预制化加工，如图2所示。

图2 BIM技术实施流程

3.2 主要应用范围

在机电项目施工过程中，BIM技术主要运用以下5个方面：

(1)机电管线综合排布、风水电设备机房深化设计;

(2)墙体孔洞的精确预留、预埋件的精准布设;

(3)水管、风管、桥架、综合支吊架等工厂化预制；消防泵房，环控机房装配式安装;

(4)利用3D扫描技术，通过虚实对比查漏补缺，实现3D扫描技术与BIM模型相结合，保证模型与实体一致;

(5)三维建模，确保尺寸精确，施工看图过程简单明了，减少误差操作，减少后期变更及养护成本。

管综建模如图3所示。

图3 BIM技术管综建模

4 BIM技术应用效益

4.1 技术效益

地铁项目机电工程往往具有工程量大、工作环境复杂等特点，在以往施工中，经常会遇到材料运输管理困难、多专业交叉施工沟通协调难度大、工人野蛮施工现象多、质量安全隐患大等一系列问题，运用BIM技术进行三维可视管理，可以最大限度地降低施工管理过程中一些不确定因素产生：

(1)能够对原材进行统筹管理，通过归集材料耗量等，建立主要材料数据库；

(2)通过对工程材料的工厂化加工和模块化安装，实现了机电项目的标准化施工作业；

(3)能够精准按照设计要求，对机电工程孔洞、管线布置等进行综合优化，在提升工效的同时降低了反复拆装造成的材料、人员、时间浪费；

(4)实现了对工程现场的可视化监控，使工程进度管理更加科学，有效解决机电项目中多专业交叉施工问题；

(5)能够有效减少中间变更手续，提升施工现场生产水平；

(6)在地铁机电施工领域形成了标准化模式，对优化项目资源配置，提升工程质量安全具有重要意义。

现场实景照片如图4～图6所示。

图4 某站点现场墙体孔洞预留

图5 现场成品工厂化预制

图6 现场管线综合排布

4.2 经济效益

实施BIM意味着企业前期要增加投入，包括购买软硬件、聘请专业人才等，但根据研究发现，在实施BIM后期，“随着相应生产效率的提高，BIM产生的质量、经济效益将逐步显现，并对企业产生长期的影响”[3]。美国斯坦福大学整合设施工程中心(CIFE)根据32个项目总结使用BIM技术产生的效果：“能够消除40%预算外变更，能够把造价估算控制在3%精确度范围内；造价估算耗费的时间缩短80%；通过发现和解决冲突，将合同价格降低10%；项目时限缩短7%，及早实现投资回报”。地铁2号线共设22站，经测算，节约的成本也相当可观。

4.2.1可节约的成本

(1)风管

每个站大约7000m2，人工制作需要3个大工，3个小工，4个月完成一个车站

单个车站人力成本：(3×260+3×200)×30×4=16.5万元

22个车站：16.5×22=364.5万元

机械加工每天800m2，每个站大约9d完成，成本：(3×260+3×200)×9=12.4万元

22个车站：12.4×22=27.3万元

节约成本：364.5-27.3=337.2万元

(2)桥架

每个站大约20万元，使用BIM后材料成本节约率约为12%(通过优化路径和科学下料节约)

节约成本 20×12%×22=52.8万元

(3)水管

每个站大约110万元，使用BIM后材料成本节约率约为8%(通过优化路径和科学下料节约)

节约成本：110×8%×22=193.6万元

(4)采用BIM后实现了孔洞精准预留

使用传统的综合管线蓝图孔洞预留准确率为70%,采用BIM孔洞预留准确率为96%，准确率提高了26%，避免了孔洞预留不准确导致后期重新施工成本，每个站节约6万元

节约成本：22×6=132万元

(5)使用BIM后提高的施工效率

使用BIM前每个站的施工周期约为7个月，使用BIM每个站的施工周期缩短了1.5个月，节省了人力成本。每个站总计施工成本为300万元。

1个站节约成本 300/(7-1.5)=54.5万元

节约成本：54.5×22=1199万元

4.2.2需增加投入

(1)购置风管加工厂设备总计150万元，设备折旧率为每年20%，最终残值为50万元。2号线生产风管需要1年，折旧费：

(150-50)×20%=20万元

(2)风管运输费

由加工厂送至现场，每个站需运送风管25趟，每趟产生成本500元。

累计成本：500×25×22=27.5万元

(3)BIM技术团队投入

采用BIM，技术团队预计投入30号人，每人工资每年15万元计，产生费用。

30×15=450万元

(4)软硬件购买及更新维护

购买各项软硬件及后期维护预计投入100万元。

4.2.3累计产生的经济效益

22个站累计约节约成本：337.2+52.8+193.6 +132+1199-20-27.5-450-100=1317.1万元。

4.3 安全及社会效益

采用BIM后，施工材料采用工厂化预制、现场装配式施工，大大降低了现场的噪音及使用加工机具带来的安全隐患，极大改善了现场的施工环境。

同时，由于地铁工程等均为民生工程，投资大、工期紧、社会关注度高，采用BIM技术，能够有效加强各方面管理，对减少工程损耗、节约投资、加快进度及确保施工现场质量、安全、文明均具有重大的意义。

5 结语

BIM技术的最大魅力在于做好前期工作，后期即可产生不可估量的技术、经济及社会效益。福州地铁BIM技术的应用尚处于探索阶段，深度及潜力还有待挖掘，从目前运用部分来看,其作为一种新兴技术和工具，优势明显且潜力巨大，具有很大的推广价值。

参考文献

[1] 熊贤树，曲啸.BIM技术在城市轨道交通中的施工前景分析[J].科技致富向导，2015.

[2] 住房和城乡建设部.2016-2020年建筑业信息化发展纲要[Z].2016.

[3] 张锡坤.BIM的应用价值及经济效益分析[J].中国电子商务，2013.