BIM技術(shù)在建筑設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用

李 惠 何愛(ài)利

1 引言

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些高檔辦公建筑、商業(yè)建筑、公共建筑對(duì)設(shè)備專業(yè)的設(shè)計(jì)提出了更高和更嚴(yán)格的要求，設(shè)備專業(yè)的工程師在進(jìn)行中央空調(diào)系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，普遍認(rèn)為目前的二維CAD存在許多不足，主要體現(xiàn)在［1］:

1)走廊、地下室、避難層等地方會(huì)出現(xiàn)很多復(fù)雜的管道，經(jīng)常導(dǎo)致在施工過(guò)程中遇到管線碰撞、穿梁、無(wú)法排布等問(wèn)題［2］;

2)不同的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息不能共享交流。研究表明，土木工程建設(shè)約產(chǎn)生30%的浪費(fèi)，其中很大部分的浪費(fèi)體現(xiàn)在工程項(xiàng)目的信息溝通方面［3］;

3)由于新的設(shè)計(jì)變更不能及時(shí)在設(shè)計(jì)人員間傳遞而造成的錯(cuò)、漏、碰、缺問(wèn)題;

4)二維圖紙不能反映對(duì)象的幾何和屬性特性信息，同時(shí)也增加了施工人員的讀圖難度。

傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)生的上述問(wèn)題一直得不到有效的解決，導(dǎo)致設(shè)備專業(yè)的設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量無(wú)法得到有效地提升，而BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠有效的克服上述問(wèn)題，同時(shí)還能有效的提升設(shè)計(jì)的效率。如何保證設(shè)備工程在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確、高效，就成為建筑設(shè)備BIM工程師們首要解決的問(wèn)題。隨著我國(guó)《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《建筑工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列標(biāo)準(zhǔn)的編制，BIM技術(shù)也迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)［4］。與此同時(shí)，建筑設(shè)備領(lǐng)域面臨著復(fù)雜的管線設(shè)計(jì)、繁重的模型體量、易錯(cuò)漏碰缺等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，所以建筑設(shè)備專業(yè)在BIM設(shè)計(jì)中的發(fā)展是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

2 BIM及ABD簡(jiǎn)介

BIM即建筑信息模型(Building Information Model)是21世紀(jì)初開始出現(xiàn)的全新概念，也是信息技術(shù)在建筑領(lǐng)域發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。即通過(guò)特定工具軟件，將建筑內(nèi)全部構(gòu)件賦予屬性信息，直觀地以三維可視化的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、分析，并形成可用于方案設(shè)計(jì)、建造施工、運(yùn)營(yíng)管理等建筑的全生命周期所參考的文件［5］［6］，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。

目前關(guān)于建筑信息模型的概念已經(jīng)在學(xué)術(shù)界、建筑界和軟件開發(fā)商中獲得共識(shí)。Graphisoft公司、Bentley公司和Autodesk公司是引領(lǐng)潮流的建筑設(shè)計(jì)軟件公司，本文就Bentley公司的AECOsim Building Designer(以下簡(jiǎn)稱ABD)設(shè)計(jì)建模軟件作介紹。

ABD是美國(guó)Bentley公司基于Microstation圖形平臺(tái)開發(fā)的一款建筑三維建模軟件，包含建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電全專業(yè)內(nèi)容，即由Architectural Building Designer、Structural Building Designer、Mechanical Building Designer、Electrical Building Designer四個(gè)模塊軟件組成。使用時(shí)按照按需加載進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存小、運(yùn)行快、方便快捷的制圖模式，從方案設(shè)計(jì)、信息提取到專業(yè)配合、工程管理，打造在建筑的全生命周期內(nèi)實(shí)施工程的創(chuàng)新理念。

3 BIM 模型的創(chuàng)建

3．1 工作空間(workspace)

三維協(xié)同設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容應(yīng)為在同一個(gè)環(huán)境下，用同一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)共同完成同一個(gè)項(xiàng)目。不同行業(yè)有不同的需求，同一行業(yè)不同地區(qū)需求也不盡相同，標(biāo)準(zhǔn)也就不盡相同。這就需要用不同的工作空間來(lái)滿足不同的用戶。每當(dāng)啟動(dòng)軟件，就需要選擇用戶和項(xiàng)目。選擇了這兩點(diǎn)，也就進(jìn)入了特定的工作空間，啟動(dòng)界面如圖1所示。

工作空間分為國(guó)家級(jí)，企業(yè)級(jí)，項(xiàng)目級(jí)等。工作空間可存放繪制模型的規(guī)則，切圖的規(guī)則及庫(kù)，族等。用戶也可企業(yè)需要或項(xiàng)目需要自行定制。企業(yè)級(jí)的工作空間具有延續(xù)性，可供多個(gè)項(xiàng)目使用。例如，繪制矩形風(fēng)管的時(shí)候，只需要輸入風(fēng)管的寬度和高度，其他的信息都可以在工作空間中提前定義好，最大程度節(jié)省設(shè)計(jì)繪制模型時(shí)間，如圖2所示。

圖1 啟動(dòng)工作空間

圖2 工作空間的定制

圖3 文件參考

3．2 文件參考

建筑設(shè)備模型的繪制是建立在建筑模型基礎(chǔ)之上的，所以在搭建設(shè)備模型之前將建筑模型進(jìn)行參考，如圖3所示。

被參考的建筑模型的特點(diǎn):

1)即時(shí)參考:在同一個(gè)工作平臺(tái)和工作空間上，被參考的建筑等模型若有修改，設(shè)備師能夠在第一時(shí)間了解改動(dòng)之處隨之進(jìn)行交流;

2)參考的控制:參考界面的開關(guān)按鈕可以根據(jù)設(shè)備建模過(guò)程的需要，進(jìn)行開啟與關(guān)閉，并能夠控制參考的選擇和捕捉;

3)可進(jìn)行弱化顯示:在設(shè)備建模過(guò)程中，建筑模型可以根據(jù)需要進(jìn)行弱化處理，即達(dá)到制圖模型與參考模型的主次分明，方便制圖，如圖4所示。

圖4 參考的弱化顯示

3．3 管線的幾何定位

3．3．1 基準(zhǔn)平面的確定

在ABD模型建立過(guò)程中，設(shè)備管線基準(zhǔn)平面的設(shè)置通常有兩種:樓層管理器和ACS。樓層管理器一般用于建筑單體的層高設(shè)置，可進(jìn)一步對(duì)設(shè)備管線的標(biāo)高進(jìn)行定位;ACS可直接定位管線標(biāo)高。如圖5所示。

圖5 樓層標(biāo)高管理器

圖6 ACS平面

根據(jù)工程模型建立的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議建筑單體的各層標(biāo)高用樓層管理器，管線基準(zhǔn)平面的標(biāo)高用ACS平面進(jìn)行定位。如圖6所示。

3．3．2 幾何定位

在選定了基準(zhǔn)平面后，設(shè)備管線的幾何定位主要依靠設(shè)備的屬性表格進(jìn)行設(shè)置，主要包括:管線方位尺寸、管線定位點(diǎn)、管線坡度、連接件的偏移等。在工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要，選擇合理的定位點(diǎn)。

3．4 管線的智能連接

ABD中，設(shè)備軟件強(qiáng)大便捷的功能之一即，管線的智能連接。它能夠完成管道與管道之間、管道與設(shè)備之間的智能連接，并且可以根據(jù)需要選擇連接件的類型和角度。特別在風(fēng)管與風(fēng)口的連接中使用非常方便快捷，如圖8－9所示。

圖7 屬性對(duì)話框

圖8 不同定位點(diǎn)的組件連接形式

智能連接的命令使用范圍很廣，在管件之間，管路之間，管件與管路之間都可以使用。圖10是兩根獨(dú)立的管路在智能連接中的應(yīng)用。

智能連接具有智能、快速、高效的特點(diǎn)。但是在智能連接的使用上，由于其使用對(duì)元器件和組件的連接過(guò)程中的連接順序、位置關(guān)系等要求較高。所以，智能連接在使用過(guò)程中除智能高效等諸多優(yōu)點(diǎn)外，還存在著一些限制條件影響著智能連接的使用。

圖9 風(fēng)管與風(fēng)口智能連接示意圖

圖10 管線智能連接示意圖

3．5 管線系統(tǒng)的組裝

眾所周知，建筑二維制圖是按照樓層進(jìn)行劃分的，例如首層、頂層、標(biāo)準(zhǔn)層等，建筑三維制圖亦可如此。而建筑設(shè)備作為整個(gè)樓宇的“呼吸機(jī)”，旨在為整棟樓宇提供上下關(guān)聯(lián)的冷熱空氣等，所以在制圖過(guò)程中，建筑設(shè)備模型的建立是根據(jù)樓層還是根據(jù)功能(即根據(jù)系統(tǒng))就成為當(dāng)前設(shè)備師建模過(guò)程中的又一個(gè)問(wèn)題。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn):建筑設(shè)備組建模型建議按照功能不同進(jìn)行分解，逐一搭建模型。當(dāng)某一系統(tǒng)體量較大，甚至出現(xiàn)占用內(nèi)存大、運(yùn)行速度慢的問(wèn)題時(shí)，也可采用分層搭建模型的方法。

與模型劃分對(duì)應(yīng)的是模型組裝，即在ABD中使用參考的命令將模型進(jìn)行拼裝并保存到一個(gè)文件上。該文件中沒(méi)有真實(shí)存在的模型，都是組裝其它模型的參考，這也是ABD較同類軟件占用內(nèi)存小、運(yùn)行操作快的原因所在。

為了模型的正確組裝，在進(jìn)行模型組裝前，要保證統(tǒng)一單位、統(tǒng)一原點(diǎn)和方向、統(tǒng)一顯示比例。

3．6 管線的碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)即對(duì)建筑模型中的建筑構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管線設(shè)備等進(jìn)行檢查，以排除它們之間的錯(cuò)漏碰缺，以至于無(wú)法進(jìn)行施工的現(xiàn)象［7］。碰撞檢測(cè)的原理是利用數(shù)學(xué)方程描述檢測(cè)對(duì)象輪廓，調(diào)用函數(shù)求檢測(cè)對(duì)象的聯(lián)立方程是否有解［8］。在碰撞檢測(cè)過(guò)程中可能發(fā)生實(shí)體碰撞的“硬碰撞”，也可能發(fā)生非實(shí)體碰撞，被稱為“軟碰撞”。Thomas M．Korma在其研究中將管線設(shè)計(jì)中的碰撞分為五類［9］［10］:

1)實(shí)體碰撞:即直接接觸的“硬碰撞”;

圖11 碰撞檢測(cè)工作界面

2)延伸碰撞:當(dāng)某設(shè)備周圍需要預(yù)留一定距離的維修空間，或者設(shè)備之間由于安全考慮必須滿足一定的距離要求，則此預(yù)留距離范圍內(nèi)不能存在其他設(shè)備對(duì)象的干擾;

圖12 軟碰撞參數(shù)設(shè)置

圖13 碰撞結(jié)果顯示設(shè)置

3)功能性阻礙:例如設(shè)備管道擋住了日光燈的光照，雖然它們之間沒(méi)有實(shí)體硬碰撞，但是影響了后者的功能，此類稱為功能性碰撞;

4)程序性碰撞:即在模型設(shè)計(jì)中管線間不存在碰撞問(wèn)題，但施工中因工序錯(cuò)誤，一些管線先施工導(dǎo)致其他管線無(wú)法安裝到位;

5)未來(lái)可能發(fā)生的碰撞:如系統(tǒng)擴(kuò)建、變更。

ABD中碰撞檢測(cè)規(guī)則分為三類:層、參考、項(xiàng)集或命名組。一般而言，a)以層為規(guī)則主要用于專業(yè)內(nèi)的碰撞檢測(cè);b)以建筑為參考的設(shè)備碰撞結(jié)果，稍作修改可作為設(shè)備專業(yè)提給建筑專業(yè)的留洞圖紙，同理，設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的碰撞亦可如此;c)如高壓電纜等特殊組件的碰撞檢測(cè)可以項(xiàng)集或命名組為規(guī)則。ABD中可以設(shè)定一些“軟碰撞”的距離參數(shù)等，碰撞檢測(cè)后的結(jié)果會(huì)用不同顏色標(biāo)出，處理之后的碰撞會(huì)被標(biāo)記為“已處理”，工作界面詳見(jiàn)圖11～13。

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用ABD軟件對(duì)設(shè)備專業(yè)的三維設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索，其“所見(jiàn)即所得”的三維信息模型使得設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)成果直觀、形象，管線綜合排布更容易調(diào)整和控制，大大降低各種碰撞的發(fā)生，降低施工過(guò)程的返工率。同時(shí)在應(yīng)用的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了它的一些不足之處，

比如本地化族庫(kù)類型較少、管件的某些參數(shù)的不全，若管線較復(fù)雜的建筑使用ABD完成設(shè)備模型，工作量還是相對(duì)較大，但相信隨著軟件的不斷完善，這些問(wèn)題都將得到有效的解決。

總之，BIM技術(shù)在設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展方向，核心建模軟件作為BIM技術(shù)應(yīng)用的重要載體工具，必將發(fā)揮重要的作用，認(rèn)識(shí)并熟練駕馭它，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使其真正成為設(shè)計(jì)師的一把利刃，發(fā)揮其BIM應(yīng)用的價(jià)值，有效地提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

［1］高遠(yuǎn)，鄧雪原．基于BIM的建筑MEP設(shè)計(jì)技術(shù)研究．土木建筑工程信息技術(shù)．2010，2(2):92-96．

［2］尚昆．BIM軟件在暖通中的應(yīng)用．科技傳播．2013，2(2):110-112．

［3］Dianne Davis．LEAN，Green and Seen．The Issues o f Societal Needs，Business Drivers and Converging Technologies are Making BIM an Inevitable Method of Delivery and management of the Built Environment［J］．Journal of Building Information Modeling，F(xiàn)all 2007，16-18．

［4］劉建華，劉文新，孟廣明．管線綜合規(guī)劃管理信息系統(tǒng)的建設(shè)及其應(yīng)用探討［C］．第三屆中國(guó)國(guó)際數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會(huì)，2007，366-369．

［5］胡振中，陳祥祥，王亮．基于BIM的機(jī)電設(shè)備智能管理系統(tǒng)［C］．計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用-第十六屆全國(guó)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．廣州，2012．

［6］劉業(yè)炳，裴以軍，黃立鵬．Auto desk Revit MEP軟件在深圳證券營(yíng)運(yùn)中心工程中的應(yīng)用安裝．2010，12:54-56．

［7］Thomas M．Korma，Martin A．Fischer，C．B．Tatum．Know ledge and Reasoning for MEPCoordination［J］．Journal of Construction Engineering And Management，2003，11，627-634．

［8］Thomas M．Korma，C．B．Ta tum．Using Construction，Operations，and Maintenance Know ledge to better Coordinate Mechanical Electrical and Plumbing systems in Buildings［C］．AEI 2006:Building Integration Solutions-Proceedings of the 2006 Architectural Engineering National Conference．

［9］何關(guān)培．BIM總論［M］．1版．中國(guó)建筑工業(yè)出版社．2011．

［10］趙志安，劉國(guó)杰．管道綜合碰撞檢查軟件的開發(fā)［C］．全國(guó)暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)．