數(shù)據(jù)中心裝配式建筑開放式BIM應(yīng)用工具集研究

唐懷坤，史一飛

（1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司；2.北京世紀晟輝咨詢服務(wù)有限公司）

1 引言

隨著近年來國際形勢的巨變和我國自身人口紅利的消失、勞動力緊缺等問題的出現(xiàn)，我國推動工業(yè)經(jīng)濟向數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。2018年全國建筑業(yè)總產(chǎn)值23.5萬億元，同比增長9.9%，高于GDP增速，2019年預(yù)計增速不會超過8%，但仍屬于高增長產(chǎn)業(yè)，如何適應(yīng)新的環(huán)保要求、如何快速高效保質(zhì)保量的完成項目，成為我們現(xiàn)在需要考慮的現(xiàn)實問題。我們需要改變固有粗放式建筑思維。根據(jù)不完全統(tǒng)計，全國每年數(shù)據(jù)中心建筑投資規(guī)模在500億元～800億元，如果再涵蓋5G時代電信運營商網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，越來越多的CO機房將DC化。SDN/NFV推動網(wǎng)絡(luò)云化，將會帶動新建數(shù)據(jù)中心對舊機房的替代（舊機房的承重、配電改造成本不如新建DC）。行業(yè)內(nèi)目前對建筑領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用討論較多，但是對于開放式BIM(OPENBIM）在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用討論和研究較少，筆者嘗試通過數(shù)據(jù)中心建筑行業(yè)特點分析和實踐總結(jié)探索相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)中心建筑的特點和行業(yè)趨勢

1）對建筑節(jié)能技術(shù)要求較高

目前大部分新建的超大型、大型數(shù)據(jù)中心的PUE值約束在1.5以內(nèi)，PUE值的影響因素有很多，包括與氣候地理環(huán)境，如南方的數(shù)據(jù)中心建筑對墻體保溫要求較高；當?shù)仄骄鶜鉁剌^低的地區(qū)對墻體保溫要求較低；制冷方式，如自然蒸發(fā)冷卻技術(shù)，自然冷源技術(shù)；外墻保溫厚度與不同地區(qū)的參數(shù)不同。對于數(shù)據(jù)中心來說，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國數(shù)據(jù)中心圍護結(jié)構(gòu)的傳熱、耗熱量占建筑物總耗熱的70%以上，分布于墻體、屋面、門窗等各個部位，因此大幅度降低圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能的重要途徑之一。

2）數(shù)據(jù)中心建筑應(yīng)用的靈活性、模塊化

數(shù)據(jù)中心建筑的一個重要發(fā)展趨勢就是模塊化，因為只有模塊化才能實現(xiàn)分期投資，將數(shù)據(jù)中心全生命周期的TCO成本降到最低。模塊化的角度包括數(shù)據(jù)中心園區(qū)級的樓宇模塊化、樓層級模塊化、機房級的模塊化、列架微模塊、機架模塊化、服務(wù)器模塊化等。其中與數(shù)據(jù)中心建筑有關(guān)的是園區(qū)級的模塊化、樓層級的模塊化、機房級的模塊化，這種模塊化非常適合采用BIM形式模塊化設(shè)計，而且業(yè)主方、設(shè)計方、施工方、運營方都可以在數(shù)據(jù)中心BIM模型中運作。傳統(tǒng)的CAD制圖是二維的平面，實際上數(shù)據(jù)中心建筑平面的信息只占1/3，更多是立體方向之間的協(xié)同。

3）數(shù)據(jù)中心建筑的標準化、規(guī)范化

數(shù)據(jù)中心與其他民用建筑不同，其標準化程度要求較高，包括選址、建筑導(dǎo)熱系數(shù)、建筑體型系數(shù)、防火分區(qū)、樓板承重等。如，一個氣體消防防護區(qū)的面積不宜大于800m2，容積不宜大于3600m3。樓板承重方面，電池區(qū)的承重要求達到了15kN/m2以上，數(shù)據(jù)中心機架區(qū)根據(jù)設(shè)備區(qū)的不同功耗密度而異，高于5kW/機架的區(qū)域功耗要達到10kN/m2以上，在BIM平臺上如果確定了每個模塊的功能就可以通過標準化插件工具，快速計算建筑材料和配筋模型等。

4）數(shù)據(jù)中心管線復(fù)雜對土建設(shè)計圖紙要求高

數(shù)據(jù)中心管線有空調(diào)水管、空調(diào)風管、密集母線管、配電電纜走線架、信息號線走線架、光纜走線架、消防管線、環(huán)境監(jiān)控管線、等種類多、走向復(fù)雜，需要在提前在設(shè)計之前就要做好機房布局設(shè)計、走線規(guī)劃，在圖紙上預(yù)留號相應(yīng)的孔洞。在傳統(tǒng)建筑模式下，很容易出現(xiàn)二次返工、建筑改造的問題，增加了機房的建筑施工難度、裝修難度、延長了工期；有時孔洞不符合標準會帶來管線高度、交叉位置不符合標準，如果現(xiàn)場為了節(jié)省成本和工期的趕工，不嚴格按照標準驗收，會帶來較大安全隱患。

3 裝配式建筑技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

1）設(shè)計階段可以深度介入

由于各種裝配建筑板材、預(yù)埋件、空洞設(shè)置、管孔都是提前在工廠預(yù)制，大大減少了現(xiàn)場的工作量，各專業(yè)設(shè)計人員在項目經(jīng)理和BIM設(shè)計經(jīng)理的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，可以深化相關(guān)設(shè)計，納入到預(yù)制件中，設(shè)計可以考慮數(shù)據(jù)中心使用全生命周期的需求、系統(tǒng)之間的互相影響、管線之間的碰撞等，都可以在模型中提前設(shè)計，避免了現(xiàn)場改造工作量。

2）提高了項目建設(shè)速度，縮短了建設(shè)周期

由于地面上的建筑部分在工廠提前預(yù)制，地面部分和地基、地下建筑部分并行實施，大大提高了項目的響應(yīng)速度，縮短了建設(shè)周期，因此，進度及成本提前可控，有利于項目進度管理。

據(jù)統(tǒng)計，如果通過全國統(tǒng)一規(guī)范、建筑產(chǎn)業(yè)鏈合作完善，數(shù)據(jù)中心采用裝配式方式建設(shè)，將縮短50%的建設(shè)進度要求，從立項到交付可以實現(xiàn)周期縮短一半，快速的市場響應(yīng)，帶來的是資金時間成本的節(jié)省和市場機會的把握。

3）裝配式建筑符合未來建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的趨勢

建筑工業(yè)化是建筑的必然趨勢，現(xiàn)澆建筑帶來噪聲污染、空氣污染、無法模塊化、靈活度低的問題一直是行業(yè)的難題，并且無法實現(xiàn)在一個系統(tǒng)內(nèi)對數(shù)據(jù)中心全生命周期進行整體管理，數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目涉及到產(chǎn)業(yè)鏈各類企業(yè)，從業(yè)主、建筑設(shè)計企業(yè)、建筑預(yù)制企業(yè)、建筑工程公司、建筑監(jiān)理公司、運營公司等都需要將整個數(shù)據(jù)中心納入數(shù)字化環(huán)境內(nèi)進行統(tǒng)一管理，并且在一個平臺上信息實時同步。這是未來數(shù)據(jù)中心的必然趨勢。

4 BIM應(yīng)用價值最大化：BIM并不是簡單的建筑建模

BIM咨詢已經(jīng)進入中國已近15年時間，但是我國的建筑行業(yè)市場的軟件一直被美國某A公司所壟斷，即便它推出BIM某R軟件后，這個市場也沒有真正得到發(fā)展。某R軟件本身屬于單線程工作類型，且其“基因”是機械設(shè)計行業(yè)，因此不能充分適應(yīng)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

建筑行業(yè)傳統(tǒng)觀念認為，BIM是一個軟件，但其實BIM是一種工程解決方案、一種建筑項目管理模式、也是一套工具集，在工具集方面，其包含的軟件非常多，僅僅在建筑設(shè)計方向就有ArchiCAD、Allplan、Revit、Microstation、CatiaDP等。再結(jié)合我們國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準使用軟件PKPM以及機電設(shè)計軟件和Planbar的深化設(shè)計軟件，這樣才能完整的形成一個綜合解決方案——多專業(yè)、多軟件的相互配合，當前，沒有一款軟件可以解決系統(tǒng)化需求，這與我國現(xiàn)階段建筑工程領(lǐng)域所倡導(dǎo)的EPC總包理念、行業(yè)政策相匹配。

ArchiCAD平臺被譽為建筑設(shè)計師開發(fā)的三維設(shè)計軟件，可見其在建筑專業(yè)上的設(shè)計能力非常之強大，他屬于德國內(nèi)梅切克集團旗下圖軟公司所有。其建筑領(lǐng)域可以達到出國標施工圖的深度，究其原因，因為此軟件至今誕生30余年，與Autodesk幾乎同時誕生，而從誕生之日起便致力于三維設(shè)計，其設(shè)計方案可以輕松傳遞至C4D進行渲染。在其它專業(yè)上，可以通過MEP插件來完成，此外還可以和MagiCAD、Rebro等機電軟件相配合。在現(xiàn)今市場上，ArchiCAD和機電軟件Rebro的配合是大家公認的機電深化（優(yōu)化）的最優(yōu)組合（見圖1）。

裝配式建筑方面，Planbar是德國內(nèi)梅切克集團旗下內(nèi)梅切克工程軟件公司的產(chǎn)品，德國內(nèi)梅切克集團是全球第二大AEC軟件公司。德國是最早實施裝配式建筑的地區(qū)，BAUHAUS的發(fā)源地，內(nèi)梅切克工程軟件公司最初也是裝配式構(gòu)件機械加工設(shè)備的生產(chǎn)廠商，隨著IT行業(yè)的發(fā)展，這些工程師轉(zhuǎn)型成為軟件開發(fā)人員，在上世紀80年代就已經(jīng)有了第一代產(chǎn)品，隨著機械設(shè)備和行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)人員不斷進行完善，形成了強大功能的專業(yè)BIM軟件，建模、圖模聯(lián)動、碰撞檢測都僅僅是該軟件的最基本功能，該軟件是全球唯一一款能夠處理復(fù)雜鋼筋的軟件，關(guān)鍵是具備輕量化特點（對系統(tǒng)配置要求不高）；同時，該軟件也是唯一獲得最先進的預(yù)制構(gòu)件機械設(shè)備廠商認可的、可以實時導(dǎo)出機械設(shè)備語言PXML和BVVS的軟件。進入中國僅僅幾年時間內(nèi)，已經(jīng)成為東南沿海發(fā)達地區(qū)裝配式建筑不可或缺的BIM軟件之一。

圖1 德國內(nèi)梅切克產(chǎn)品發(fā)展演進圖

大家可以看出我們熟知的在非常多領(lǐng)域中的頂級軟件均來自于這個集團。

近年來，我國建筑施工領(lǐng)域開始了EPC總包模式，這恰恰為BIM行業(yè)帶來新機。每一個EPC總包單位的總體目標都是以高質(zhì)、低成本、快流轉(zhuǎn)為核心。以基于BIM軟件PLANBAR的鋼筋處理為例，鋼筋在我們整體建筑成本當中的成本高達40%以上，我們傳統(tǒng)對于鋼筋的加工和處理，往往浪費嚴重，尤其在施工過程中損耗更大，如何避免此類問題的產(chǎn)生，這就需要我們進行針對鋼筋的優(yōu)化和處理。在前期建模的同時，PLANBAR 就可以針對模型對于簡單構(gòu)件自動布筋；優(yōu)化過程中，僅僅需要很少的修改就可以完全解決碰撞等問題，出圖的同時，軟件自動計算整個建筑、單個構(gòu)件或組件的鋼筋、水泥、預(yù)埋件等數(shù)量，快速準確；使得我們可以提前預(yù)估進度和使用情況，降低庫存，增加周轉(zhuǎn)效率，很大程度上解決了項目管理的相關(guān)問題，同時軟件生成的數(shù)據(jù)，可以讓構(gòu)件廠直接生產(chǎn)，降低設(shè)計師工作難度，構(gòu)件廠也不會因為構(gòu)件生產(chǎn)的構(gòu)件不合格而浪費資源。

國內(nèi)一原上市房地產(chǎn)公司，在幾年前開始了轉(zhuǎn)型之路，大批量進口全球最為先進的德國進口構(gòu)件制造機械設(shè)備，他們采用歐洲A公司和V公司的產(chǎn)品，可以做到80%的自動化生產(chǎn)。國內(nèi)第一個工廠早已在湖北江夏完工，當然，鋼筋加工設(shè)備還是采用了國產(chǎn)最好的T公司產(chǎn)品。有業(yè)內(nèi)同行評論，說進口設(shè)備那么貴，產(chǎn)能又有限，如何才能盡早收回投資？但是從實際情況來看，進口設(shè)備整個車間的工人不會超過20人，而我們國產(chǎn)設(shè)備車間少則100人，多則近300人的工人隊伍，這何其不是一個龐大的隱形管理成本呢？

5 數(shù)據(jù)中心行業(yè)BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

在實際項目中，BIM的應(yīng)用多以立項、維保為基礎(chǔ)。在整個過程中，BIM的優(yōu)勢并沒有獲得應(yīng)用。由于建筑本體上和普通民建有著根本上的區(qū)別，所以應(yīng)該更好的利用BIM軟件解決問題。

機電深化的重點，首先機電的深化難點是由現(xiàn)場施工所帶來的，施工過程中，圖紙中的各種管線是否碰撞，型號是否正確，這都影響我們的施工質(zhì)量，有的軟件竟然碰撞都不規(guī)避、法蘭接口都不統(tǒng)一就可以順利通過自身檢查，這恰恰是基于EPC的重大失誤。

數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)計階段最重要的是鋼筋模型。在運用裝配式方案解決本身數(shù)據(jù)中心的建筑施工問題的時候，最難處理的就是鋼筋的碰撞問題了。這也就是為什么數(shù)據(jù)中心行業(yè)還沒有批量使用裝配式的原因。由于數(shù)據(jù)中心建筑本身用筋量大、結(jié)構(gòu)計算復(fù)雜，所以一般的水平構(gòu)件的布筋都沒有辦法用傳統(tǒng)的CAD來解決，豎向構(gòu)件的解決方案——灌漿套筒方案、整體剪力墻方案也更是難上加難。其實這恰恰也反應(yīng)出來，現(xiàn)階段BIM軟件的應(yīng)用并不如意，整體水平較低。

最后來說下工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)化。首先，國民經(jīng)濟分類中，建筑業(yè)是歸為工業(yè)的，在工業(yè)整體的其他領(lǐng)域中，已經(jīng)基本完成了自動化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型，其中包括我們大家熟知的KUKA機器人等大家熟知的自動化流水設(shè)備，但是，在建筑行業(yè)中我們一直還都是手工生產(chǎn)，大量的人力、物力就無形的浪費在這個過程當中。生產(chǎn)裝配式建筑構(gòu)件，是否能夠自動化、數(shù)據(jù)化是現(xiàn)在急需解決的問題之一。

6 基于OPEN BIM （開放式建筑信息模型）理念的數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)計工具集方案

真正好的BIM解決方案，不是一個軟件能夠解決的。我們利用IFC模型中充分的數(shù)據(jù)，開展真正的深化，才是根本。但是IFC模型中的數(shù)據(jù)真的是很好調(diào)用么？答案是否定的。舉一個例子，IFC中的數(shù)據(jù)好比是一個暗盒，一種暗盒是完全不透明，它告訴你了，所有你想要的東西都在其中，但是你需要自己伸手進去摸，這個時候你要想拿到所有的東西，就要一遍一遍重復(fù)的，完全的摸完，費時費力；另外一種暗盒，它自己已經(jīng)給你整理過其中的東西，其中的幾個小盒子中，分別放著你想要的東西，分門別類，這個時候你只需要在你想要東西的小盒子中摸索即可完成，相當方便。

OPEN BIM（開放式建筑信息模型）是基于開放標準和工作流進行協(xié)同設(shè)計、建筑實現(xiàn)和運營的一個普遍方式。具有以下優(yōu)勢：

①OPEN BIM 為眾多項目創(chuàng)建一個共同的語言——IFC，形成服務(wù)評價和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證的方法。

②OPEN BIM 為整個項目全生命周期提供唯一的數(shù)據(jù)源，避免多次輸入相同數(shù)據(jù)帶來的重復(fù)工作和認為錯誤。

③OPEN BIM 為各種大、中、小型平臺的軟件供應(yīng)商提供獨立系統(tǒng)的最佳解決方案。

④OPEN BIM 鼓勵供應(yīng)商在網(wǎng)上提供產(chǎn)品服務(wù)，為用戶提供更精確的需求搜索。

OPEN BIM代表了AEC行業(yè)所有成員跨學科協(xié)作的現(xiàn)代方法。OPEN BIM社區(qū)歡迎所有軟件供應(yīng)商、AEC從業(yè)人員(設(shè)計師、工程師、施工人員)，OPEN BIM標志是有效實施BIM項目協(xié)作的保證。

如下可以看出，多軟件的配合才是最好的解決方案。

圖2 開放式BIM實施工具集

7 案例分析

近年來，隨著BIM技術(shù)的普及和我們廣大技術(shù)人員的不斷摸索，已經(jīng)漸漸認識到BIM技術(shù)的重要性，但是整個地理環(huán)境上，東西區(qū)域的差異性還是較大的。以上海為例，作為我國BIM技術(shù)的最前沿，裝配式技術(shù)的爆發(fā)地來說，以O(shè)PENBIM為基礎(chǔ)理念的BIM技術(shù)解決方案已經(jīng)初具規(guī)模。早在2014年，上海就出現(xiàn)了全裝配的項目案例，上海市浦東區(qū)惠南新市鎮(zhèn)17-11-05，17-11-08地塊23號樓，建筑面積近萬平米。利用某P軟件將建筑模型轉(zhuǎn)換成預(yù)制構(gòu)件，在原始的空間位置上將預(yù)制構(gòu)件拆分出來，從源頭上解決構(gòu)件碰撞、避免再次進行BIM碰撞檢查，節(jié)省時間、節(jié)約成本。隨著BIM技術(shù)的深入，才慢慢發(fā)現(xiàn)，原來還是有真假BIM之分的。

以下是在探索過程中的另外一個案例，如圖3所示，如此復(fù)雜的鋼筋，在BIM建模時，就已經(jīng)解決了基本的碰撞問題，準確的BOM再加上自動生成的BVBS數(shù)據(jù)，在一定程度上做到了建筑工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)化。

圖3 BOM與自動生成的BVBS數(shù)據(jù)演示圖

8 展望

BIM進入中國僅僅10余年時間，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈已初具規(guī)模，未來建筑產(chǎn)業(yè)建筑OPENBIM、工業(yè)聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)將進入數(shù)字經(jīng)濟+建筑產(chǎn)業(yè)的增長新通道。