BIM協(xié)同設計在長春某綜合樓機電工程中的應用

韓風毅，林書帆，施　維，趙　麒

(長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012)

1　工程概況

1.1　項目簡介

該工程總建筑面積為19 544 km2，共6層，高22.2 m。西樓和主樓為辦公樓，東樓為賓館，東樓一樓為餐廳，第二層到第六層為賓館客房。用地面積：12 100 km2。容積率：1.62，綠地率：28%，地上停車泊位共77個。工程規(guī)劃施工圖如圖1所示，建筑立面圖如圖2所示。

1.2　工程特點和難點

該工程包括室內采暖工程、給排水工程、消防工程、空調工程和強電弱電工程(低壓配電系統(tǒng)、動力配電系統(tǒng)、照明插座系統(tǒng)、有線電視及綜合布線系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng))，機電綜合管線較多，專業(yè)交叉頻繁。采暖系統(tǒng)采用上供下回單管系統(tǒng)，采暖熱源引自城市24 h連續(xù)供熱外網，采暖供水溫度為60 ℃，回水溫度為50 ℃。建筑內部給水系統(tǒng)是將城鎮(zhèn)給水管網或自備水源給水管網的水引入室內，選用適用、經濟、合理的最佳供水方式，經配水管送至室內各種衛(wèi)生器具、用水嘴、生產裝置和消防設備，并滿足用水點對水量、水壓和水質要求的冷水供應系統(tǒng)。給水系統(tǒng)一般由引入管、給水管道、給水附件、給水設備、配水設施和計量儀表等組成。生活給水水源由外網供應，給水方式為變頻給水，由市政給水管網經室外水池通過變頻水泵加壓給建筑內部供水。

空調系統(tǒng)采用風機盤管加新風方式：辦公室、教室、客房和實驗室等小空間人員集中程度大，各房間的負荷根據運行時間不一致，且各自有不同要求，因而采用風機盤管加新風系統(tǒng)[1]。風機盤管直接放置在各個空調房間內，對室內回風進行處理；新風則由新風機組集中處理后通過新風管道送入室內與回風混合。在每層的空調機房內放置一臺新風機組，制冷機組放置在一層。風機盤管加新風系統(tǒng)的冷量或熱量由空氣和水共同承擔，所以屬于空氣—水系統(tǒng)。

建筑消防系統(tǒng)采用消火栓給水系統(tǒng)和自動噴淋系統(tǒng)[2]。消火栓系統(tǒng)采用環(huán)狀管網，用水量為30 L/s，滅火可持續(xù)時間為3 h。消火栓火龍水帶長25 m，水槍口徑19 mm，充實水柱長度10 m。自動噴淋系統(tǒng)火災等級為輕危險級，采用下垂式裝飾噴頭，動作溫度為68 ℃。噴淋管道采用熱鍍鋅鋼管，用水量為22 L/s,滅火可持續(xù)時間為1 h。消防水源為設在室外的蓄水池。屋頂設消防水箱來滿足火災期前10 min噴淋和消火栓的用水量。消防水箱間設有消防水泵，為一用一備消防增壓設備。

2　BIM組織與應用環(huán)境

2.1　BIM應用愿景

BIM是建筑行業(yè)技術發(fā)展的必然趨勢，是實現建筑工程設計、施工組織及全壽命運行管理等過程信息化的必要手段。掌握BIM技術將大大提高土木建筑相關專業(yè)畢業(yè)生適應行業(yè)需求的能力和就業(yè)競爭力。BIM技術顛覆了對施工圖的理解，BIM的協(xié)調工作效果、各種視角轉換，可以最大程度地還原建筑和施工現場，協(xié)調建筑、結構、暖通、電氣、給排水、管理工程各專業(yè)，BIM的三維視角使我們加深了對工程的理解和把握，能主動適應建筑行業(yè)技術發(fā)展需求，機電工程各專業(yè)協(xié)同設計要求設計人員掌握BIM相關技術在工程中的應用[3]。

圖1　工程規(guī)劃施工圖

圖2　建筑立面圖

2.2　BIM應用目標

設計團隊使用Revit等建模軟件進行BIM協(xié)同設計，進行機電工程建模，達到協(xié)同工作、信息共享，完成碰撞檢查，優(yōu)化機電綜合管線，熟悉建模過程并解決管線常見的問題[4]。最后，還可以在三維模型基礎上加上時間進度進行4D模擬，完成模型可視化制作。

2.3　BIM模式和級別的確定

BIM模式分為BIM1.0、BIM1.5、BIM2.0 3種模式，BIM2.0是設計全過程直接利用BIM軟件，運用3D思維進行3D設計，最后利用三維軟件直接獲取二維施工圖完成設計、報審與交付工作。全專業(yè)全過程利用BIM技術直接進行三維設計，是真正的BIM技術應用。具體區(qū)別見表1，該工程設計采用BIM1.5模式。LOD表示模型的細致程度，英文稱作Level of Details，也叫作Level of Development。描述了一個BIM模型構件單元從最低級的近似概念化的程度發(fā)展到最高級的演示級精度的步驟。LOD—100為概念級；LOD—200為方案及擴初模型；LOD—300為施工圖及深化施工圖模型，可以進行成本估算以及施工協(xié)調，包括碰撞檢查、施工進度計劃以及可視化；LOD—400加工和安裝模型；LOD—500竣工模型將作為中心數據庫整合到建筑運營和維護系統(tǒng)中去。該機電工程協(xié)同設計采用LOD-300級別。

表1　BIM2.0與BIM1.0、BIM1.5的區(qū)別

2.4　BIM協(xié)同設計流程

BIM的協(xié)同設計的建模軟件很多，不止一個軟件，至少有十幾個核心軟件，基于目前具有國際和行業(yè)影響力并應用于中國市場的多款BIM軟件的分析，該工程BIM協(xié)同設計的軟件選擇Revit系列BIM軟件。Revit主要應用于項目的前期及設計階段，在碰撞檢查時選擇Navisworks軟件，軟件版本以2016版為主。協(xié)同設計采用工作集方式，利用BIM專業(yè)機房，架設BIM中心模型服務器。機電工程多專業(yè)BIM協(xié)同設計如圖3所示。

圖3　機電工程多專業(yè)BIM協(xié)同設計

3　BIM應用

3.1　創(chuàng)建局域網及工作集

創(chuàng)建局域網，使所有成員組成一個網絡并創(chuàng)建工作集，每個人在工作集內選擇自己所對應的權限。筆者所選擇的工作集是空調水、空調新風和防排煙。每個人在自己的工作集內繪圖可以使繪圖工作條理分明，分工清晰。

3.2　制訂標高

大致定位各個專業(yè)的標高：橋架在最上層，接下來是水管，最下層為風管。首先定位排水管(無壓管)。排水管為無壓管，不能上下翻轉，應保持直線，滿足坡度。一般應將其起點(最高點)盡量貼梁底，使其盡可能提高。沿坡度方向計算其沿程關鍵點的標高，直接接入立管處。定位風管(大管)。因為各類暖通空調的風管尺寸比較大，需要較大的施工空間，所以接下來應定位各類風管的位置。風管上方有排水管的，安裝在排水管之下；風管上方沒有排水管的，盡量貼梁底安裝，以保證天花板高度整體的提高。確定了無壓管和大管的位置后，余下的就是各類有壓水管，橋架等管道。此類管道一般可以翻轉彎曲，布置較靈活。此外，在各類管道沿墻排列時應注意以下方面：保溫管靠里，非保溫管靠外；金屬管道靠里，非金屬管道靠外；大管靠里，小管靠外；支管少、檢修少的管道靠里，支管多、檢修多的管道靠外。管道并排排列時應注意管道之間的間距。一方面要保證同一高度上盡可能排列更多的管道，以節(jié)省層高；另一方面要保證管道之間留有檢修的空間。管道距墻、柱以及管道之間的凈間距應不小于100 mm。

3.3　處理CAD圖紙

將未處理的平面圖紙中不需要的圖層關閉并保存，可以減少導入圖紙后模型過大的現象，也可以使圖紙更明朗清晰。

3.4　創(chuàng)建風管、繪制機械設備和繪制空調水管

創(chuàng)建風管類型，定義類型顏色等，并選擇連接件。在導入處理過的CAD圖紙后，根據圖紙中風管所在位置以及確定好的標高繪制風管，并插入各規(guī)格的防火閥、調節(jié)閥、排煙閥、止回閥、電動雙位風閥、消聲器、靜壓箱等管路附件。其次，繪制散流器排風口等末端裝置。繪制風管干管和分支管時應采用T型三通連接，在將風道末端連接到風管時，若仍采用T型三通連接，有時風管中沒有足夠的空間放置三通構建，這時應當修改風管，首選連接類型為“接頭”，并載入接頭族。通過復制模版中原有族并修改有關參數，創(chuàng)建工程中所用到的機械設備。將繪制好的風管連接到所對應的機械設備?？照{冷凍水機房三維視圖如圖4所示。

水管的繪制與風管類似，在創(chuàng)建完系統(tǒng)類型后根據CAD圖紙中水管所在位置繪制水管。水管應從末端畫起，也就是從機械設備畫起。同時根據定義好的標高與風管合理做出避讓，盡量減少專業(yè)自身碰撞。除此之外還要注意定義冷凝水管的坡度，并注意冷凝水管的最低點應高于吊頂，使模型符合常理。給排水專業(yè)和建筑電氣專業(yè)與空調工程專業(yè)繪制方法相同。

圖4　空調冷凍水機房三維視圖

4　應用效果

4.1　碰撞檢查

對于安裝量大的企業(yè)來說，影響成本與資金風險控制的最主要的問題之一就是安裝內部各專業(yè)在施工過程中的碰撞，由于不能提前對施工過程中出現的管線碰撞進行預警，因此導致的材料浪費、造價增加等情況在現在的安裝現場數不勝數。

碰撞檢查是指提前查找和報告在工程項目中不同部分之間的沖突，將安裝水、電、暖、消防等幾大專業(yè)合并起來，真實地模擬出實際施工的情景，通過碰撞檢測，提前預知施工中可能出現的不合理的地方，從而及時更改施工方案，避免返工，降低建設成本，很好地解決了施工中關于碰撞檢測的問題[5]。碰撞分硬碰撞和軟碰撞(間隙碰撞)兩種，硬碰撞指實體與實體之間交叉碰撞，軟碰撞指實體間并沒有實際的碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求。例如，空間中兩根管道并排架設時，因為要考慮到安裝、保溫等要求，兩者之間必須有一定的間距，如果這個間距不夠，即使兩者未直接碰撞，但其設計也是不合理的。目前BIM的碰撞檢查主要集中在硬碰撞。通常出現碰撞問題最多的是安裝工程中各專業(yè)設備管線之間的碰撞、管線與建筑結構部分的碰撞以及建筑結構本身的碰撞。

目前設計院全部都是分專業(yè)設計，機電安裝專業(yè)甚至還要區(qū)分水、電、暖等專業(yè)。且大部分設計都是二維平面，要把所有專業(yè)匯總在一起考慮還要賦予高度變成三維形態(tài)，這對檢查人員的素質等要求很高，遇到大型工程更是難上加難。后來才誕生了利用系統(tǒng)和軟件進行碰撞檢查的方式，系統(tǒng)直接把二維圖紙變成三維模型并整合所有專業(yè)，如門和梁打架，通過軟件內置的邏輯關系可以自動查找到問題，即所謂的碰撞檢查。通過沖突報告，可查詢碰撞發(fā)生位置及部件ID號，如圖5所示為消防管道與通風風道發(fā)生碰撞。

圖5　消防管道與通風風道發(fā)生碰撞

4.2　利用revit軟件進行碰撞

設計碰撞檢查使用的軟件是Revit和Navis works，Navisworks，提供了4種檢查沖突的方式，分別是硬碰撞、硬碰撞(保守)、間隙和重復項。其設計中側重的是硬碰撞和間隙。硬碰撞檢查用于查找場景中兩個模型圖元間發(fā)生交叉、接觸方式的干涉和碰撞沖突，而間隙的檢查方式則用于檢測所指定未發(fā)生空間接觸的兩個模型圖元之間的間距是否符合要求，所有小于指定間距的圖元均被視為碰撞。之后返回Revit修改模型中的各種碰撞。本次設計使用Revit來進行檢查碰撞。

5　結語

BIM協(xié)同設計很好地實現了各專業(yè)在同一個環(huán)境下，采用同一套標準來共同完成同一個項目，做到了工作內容集中存儲，對工作環(huán)境集中管理，對工作流程集中控制。BIM協(xié)同畢業(yè)設計還充分展示了學科交叉與專業(yè)協(xié)同，能提高學生的實際應用能力、專業(yè)水平并能提升學生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神，具有重要的實踐意義。

[1] 陳志行.某建筑物空調系統(tǒng)的選擇方案分析[J].河南建材,2016(5):220-221.

[2] 劉邦營.論BIM環(huán)境下如何實現高效的建筑協(xié)同設計[J/OL].[2017-10-31].http://hns.cnki.net/kcms/detail/11.1243.TU.20171031.2055.006.html

[3] 張國祥.杭州某綜合建筑給排水工程設計[J].浙江制冷,2013(1):28-29.

[4] 郭梅芳.BIM技術在建筑機電安裝工程中的應用[J/OL].[2017-11-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1243.TU.2017.20171102.1709.036.html

[5] 楊科,康登澤,車傳波,等.基于BIM的碰撞檢查在協(xié)同設計中的研究[J].土木建筑工程信息技術,2013,5(4)：71-75.