BIM技術(shù)在建筑機(jī)電工程設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用

文｜ 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 鄭周寅

引言

近年來，因具有信息共享、一體化和建筑全生命周期等方面的優(yōu)勢(shì)，BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)獲得了越來越多的應(yīng)用。建筑機(jī)電作為建筑業(yè)中必不可少的重要組成部分，在當(dāng)前項(xiàng)目規(guī)模越來越大、涉及專業(yè)越來越多的趨勢(shì)下，將BIM 技術(shù)作為指導(dǎo)建筑機(jī)電工程設(shè)計(jì)和施工的重要工具應(yīng)用到項(xiàng)目建設(shè)中具有積極意義，有利于保障設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高施工效率、完善項(xiàng)目效果。

一、BIM 技術(shù)在建筑機(jī)電工程的主要應(yīng)用

（一）設(shè)計(jì)階段

1、協(xié)同不同專業(yè)之間的設(shè)計(jì)

建筑機(jī)電工程系統(tǒng)性較強(qiáng)，涉及的專業(yè)多。在設(shè)計(jì)的工作中，采用BIM 技術(shù)可以有效進(jìn)行機(jī)電工程的平面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在工作之前可以使用相應(yīng)的軟件，按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況合理設(shè)計(jì)其中的給排水、暖通、電氣、消防、建筑智能化、供電等，確保整體工程施工建設(shè)的安全性，提升整體機(jī)電工程設(shè)計(jì)的合理性。在實(shí)際工作中全面搜集各種數(shù)據(jù)信息，明確設(shè)計(jì)方案與內(nèi)容的應(yīng)用特點(diǎn)與情況，利用BIM 技術(shù)調(diào)整機(jī)電安裝的設(shè)計(jì)方案，全面提升整體機(jī)電工程設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性與合理性。

2、管線碰撞檢查及排布優(yōu)化

建筑機(jī)電工程具有明顯的集成特性，各類管線和橋架的碰撞檢查一直是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的碰撞檢查方面，只能采用二維圖紙的方式進(jìn)行檢查，由于各類管線、橋架尺寸等均無法通過二維圖紙的方式精準(zhǔn)呈現(xiàn)出來，難以將構(gòu)件碰撞的風(fēng)險(xiǎn)隱患準(zhǔn)確反映出來，因此各構(gòu)成要素之間易發(fā)生沖突，隨之提升了管線排布難度。而采用BIM 技術(shù)措施可轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的工作方式，建立3D 管理方案，在建模功能的支持下，有助于全面開展碰撞檢查活動(dòng)，一旦發(fā)現(xiàn)有碰撞方面的問題，可以通過調(diào)整管片位置等方法避免沖突。

因此整合各專業(yè)模型，將其集中呈現(xiàn)于BIM 平臺(tái)之中，此方式能夠在工程前期發(fā)現(xiàn)問題，有效避免了返工等現(xiàn)象，從根本上提升整體的建筑機(jī)電工程施工質(zhì)量。

3、可視化交底技術(shù)

在碰撞檢查的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)，根據(jù)檢查情況修改模型，隨后可形成施工模擬視頻，通過此方式呈現(xiàn)給廣大施工人員，從而達(dá)到可視化施工技術(shù)交底的效果，提高認(rèn)知程度。

（二）施工階段

1、施工深化模型創(chuàng)建

施工深化模型是施工正式實(shí)施前開展的準(zhǔn)備工作。施工管理人員以設(shè)計(jì)階段施工圖紙、模型成果為依據(jù)，根據(jù)自身的施工設(shè)施設(shè)備情況、施工組織規(guī)劃和現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)設(shè)計(jì)模型成果進(jìn)行進(jìn)一步深化和調(diào)整，使模型中包含所有信息能合理滿足施工工藝、管理流程上的需求。深化后的模型最終應(yīng)通過各參建單位的審核確認(rèn)，最終用于指導(dǎo)施工作業(yè)。

2、進(jìn)度計(jì)劃管理

在BIM 技術(shù)的支持下，能夠改變進(jìn)度計(jì)劃與工程構(gòu)件相互隔絕的局面，從而形成動(dòng)態(tài)連接。通過動(dòng)態(tài)化的模擬方式，可綜合對(duì)比多種工藝方法，分析各自的可行性，以此為基準(zhǔn)形成科學(xué)的方案。通過BIM 技術(shù)，可實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)際施工情況，考慮現(xiàn)有施工資源，針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)做出合理的分配，在掌握實(shí)際施工進(jìn)度后，將其與計(jì)劃進(jìn)度加以對(duì)比，總結(jié)出現(xiàn)偏差的原因，制定富有針對(duì)性的措施，從而調(diào)節(jié)項(xiàng)目進(jìn)度，確保在既定工期內(nèi)完成各環(huán)節(jié)施工作業(yè)。

3、模擬施工應(yīng)用

依托于BIM 技術(shù)，可完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的模擬，事先優(yōu)化各道工序，創(chuàng)建科學(xué)的施工方案。在復(fù)雜管線系統(tǒng)中，模擬工作極具必要性，此舉可確保施工質(zhì)量并提升施工效率，有限的工程資源得到充分的利用，加快工程進(jìn)度，在同一時(shí)間投入到多條生產(chǎn)線的施工作業(yè)之中。

二、BIM 技術(shù)在某市政污水廠項(xiàng)目建筑機(jī)電工程中的應(yīng)用實(shí)例

1、工程概況：

某市政污水廠項(xiàng)目的主要工程內(nèi)容：排水工藝系統(tǒng)，建構(gòu)筑物、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的改造、電氣系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)。工程主要難點(diǎn)特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施如下：

（1）工程規(guī)模特大、專業(yè)類型多

本工程涉及排水工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、儀表自控、暖通、除臭、給水、燃?xì)獾榷鄠€(gè)專業(yè)。設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)過程復(fù)雜，交接過程繁瑣，各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度、成果的一致性把控難度大。

本工程將根據(jù)BIM 正向設(shè)計(jì)的工作模式和流程進(jìn)行BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨區(qū)域間的的模型整合、信息共享和交流，加強(qiáng)協(xié)作水平，避免由于信息不對(duì)稱造成的溝通不暢、中斷等一系列現(xiàn)實(shí)問題。通過BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)管理，將多專業(yè)的設(shè)計(jì)成果整合，將協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)作為基于三維模型的在線交流渠道，設(shè)計(jì)人員在平臺(tái)中對(duì)完成的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行聯(lián)合審查，使設(shè)計(jì)人員之間的溝通更加清晰和全面，設(shè)計(jì)成果更加準(zhǔn)確。

（2）管線設(shè)備復(fù)雜、傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)困難

本工程管線種類和數(shù)量繁多，包括給排水、強(qiáng)弱電、通風(fēng)空調(diào)等，布線錯(cuò)綜復(fù)雜；主要設(shè)備包括污泥切割機(jī)、污泥干燥機(jī)、冷卻器、廢氣風(fēng)機(jī)、余熱鍋爐、污泥緩沖倉、半干脫酸塔、布袋除塵器等，設(shè)備數(shù)量多、體積大。

傳統(tǒng)二維制圖方法自由、修改靈活，但是各個(gè)視圖需要單獨(dú)繪制，工作周期較長(zhǎng)，錯(cuò)、漏、碰、缺難以避免。對(duì)于規(guī)模特大、設(shè)計(jì)復(fù)雜的建筑機(jī)電工程，上述問題的嚴(yán)重性更加凸顯。本工程中應(yīng)利用BIM 模型協(xié)調(diào)、整合的特點(diǎn)作為輔助優(yōu)化工程設(shè)計(jì)成果表達(dá)的重要手段，通過各專業(yè)設(shè)計(jì)模型的碰撞檢查校核，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)表達(dá)不合理之處，發(fā)現(xiàn)并解決結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線之間的空間沖突等問題。通過各個(gè)視圖的自動(dòng)生成，減少圖紙表達(dá)不完全、不一致的問題。BIM 三維可視化的表達(dá)方式更好的輔助二維圖紙的表達(dá)，清晰的表達(dá)工程內(nèi)復(fù)雜的管線設(shè)備的空間排布。

利用BIM 技術(shù)的應(yīng)用，預(yù)先解決管線碰撞沖突的問題，減少由此產(chǎn)生的變更，減少施工和管理的成本。

（3）設(shè)備管線安裝難度高

本工程污泥處理處置系統(tǒng)對(duì)安全、可靠、穩(wěn)定的要求特別高。工程內(nèi)的工藝設(shè)備、管線眾多，對(duì)其安裝、維修空間要求嚴(yán)格，需要做到仔細(xì)、認(rèn)真，確保工程最終的施工質(zhì)量。

借助BIM 模型檢驗(yàn)設(shè)備管線安裝籌劃方案的合理性、可實(shí)施性，以及不同工序、施工內(nèi)容之間安排穿插的可行性和合理性，減少不必要的工期浪費(fèi)。根據(jù)BIM 布置模型，預(yù)測(cè)設(shè)備管線安裝工程中重點(diǎn)、難點(diǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行前期決策，對(duì)施工方案、過程進(jìn)行可視化模擬，提高安裝實(shí)施的合理性。

2、本項(xiàng)目中建筑機(jī)電工程在設(shè)計(jì)階段的BIM 應(yīng)用

（1）多專業(yè)正向設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建

利用多種BIM 軟件，由本工程設(shè)計(jì)人員依照設(shè)計(jì)實(shí)際進(jìn)度同步完成工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、電氣、暖通除臭等各專業(yè)模型的創(chuàng)建，并依照設(shè)計(jì)過程的推進(jìn)，逐漸加強(qiáng)設(shè)計(jì)模型的深度，各專業(yè)的設(shè)計(jì)討論、溝通、協(xié)調(diào)、決策宜基于三維模型進(jìn)行（如圖1、2）。

（2）管線搬遷模擬

本工程與位置臨近、同步進(jìn)行的某提標(biāo)工程交界面多，基于對(duì)現(xiàn)狀工程及擬建工程整體統(tǒng)籌的考慮，需對(duì)現(xiàn)狀地塊內(nèi)的管線（雨水管、電纜）進(jìn)行改造遷移，保證盡量減少對(duì)某污水處理廠正常運(yùn)行的影響。

基于周邊地形、現(xiàn)有建筑、道路等信息及地下管線探測(cè)、障礙物、管線等的探測(cè)成果，擬借用BIM 技術(shù)對(duì)管線搬遷方案進(jìn)行驗(yàn)證，建立搬遷模擬，校驗(yàn)管線搬遷方案的合理性和準(zhǔn)確性（如圖3）。

（3）沖突檢測(cè)與管線綜合

工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、儀表自控、暖通除臭各專業(yè)模型的管線經(jīng)軟件設(shè)置后，通過相機(jī)視口觀察、漫游、碰撞檢查等手段，發(fā)現(xiàn)工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的沖突和碰撞，從而加強(qiáng)細(xì)部控制的力度，整合出三維校審和管線綜合優(yōu)化報(bào)告，交由各專業(yè)繼續(xù)進(jìn)行深化，反復(fù)重復(fù)上述過程，直至全專業(yè)協(xié)同解決復(fù)雜區(qū)域的所有碰撞問題（如圖4、5）。

（4）輔助設(shè)計(jì)成果表達(dá)

二維圖紙仍然是設(shè)計(jì)成果表達(dá)和存檔的重要形式。本工程管道設(shè)備復(fù)雜，傳統(tǒng)二維制圖方法自由、修改靈活，但各視圖需單獨(dú)繪制，錯(cuò)、漏、碰、缺難以避免。

本工程在借助BIM 技術(shù)和專業(yè)軟件完成工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化后，以BIM 模型為基礎(chǔ)形成平面、剖面、詳圖等視圖，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成滿足審批審查、施工要求的二維圖紙，盡可能減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段中圖紙表達(dá)不一致的問題。對(duì)于復(fù)雜部位，可采用三維透視圖等方式對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充說明（如圖6）。

（5）管配件工程量統(tǒng)計(jì)

本工程管線包括工藝排水、給水、中水、強(qiáng)電、弱電、消防噴淋、通風(fēng)空調(diào)、防排煙、天然氣等，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，管配件繁多，傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計(jì)工作易發(fā)生錯(cuò)漏。利用校驗(yàn)的BIM 模型進(jìn)行精確的工程量統(tǒng)計(jì)，有效避免人工算量過程中的誤差損耗。同時(shí)，BIM 算量中信息聯(lián)動(dòng)性的特點(diǎn)，在出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更時(shí)，可通過模型的調(diào)整，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)工程量的變化，減少造價(jià)人員的重復(fù)工作量，也方便建設(shè)單位在不同的變更方案間，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和合理性進(jìn)行選?。ㄈ鐖D7）。

圖1 某車間BIM 設(shè)計(jì)圖

圖2 某車間BIM 設(shè)計(jì)圖

圖3 管線搬遷模擬示意圖

圖4 某污泥處理工程焚燒區(qū)設(shè)備、管線模型與鋼平臺(tái)模型整合

圖5 碰撞檢查結(jié)果示意

圖6 BIM 模型輔助生成工程施工圖

3、本項(xiàng)目中建筑機(jī)電工程在施工階段的BIM 應(yīng)用

（1）施工深化模型創(chuàng)建

根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃編輯WBS 并根據(jù)WBS 使用BIM 軟件搭建對(duì)應(yīng)精度的模型；上傳BIM 應(yīng)用成果文件，其中方案模擬(.mp4)、交互文件(.exe)等成果文件上傳至BIM 平臺(tái)；項(xiàng)目實(shí)施過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)度，通過平臺(tái)上報(bào)：最小級(jí)WBS 上報(bào)施工開始時(shí)間，施工完成時(shí)間。施工場(chǎng)地重大設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)進(jìn)行線上登記，完成平臺(tái)線上整改單審批流程（如圖8）。

（2）可視化指導(dǎo)施工

在項(xiàng)目實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)配備高性能電子計(jì)算機(jī)和大型觸摸顯示屏，包含了所有施工圖設(shè)計(jì)、施工深化設(shè)計(jì)信息的BIM 模型和施工模擬文件等BIM 成果，在大型觸摸顯示屏中進(jìn)行展示和瀏覽，使一線施工人員以及施工管理人員能快速、直觀、方便地查看設(shè)計(jì)方案（如圖9）。

（3）施工組織模擬

施工現(xiàn)場(chǎng)組織基于施工深化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行開展，包括：施工場(chǎng)地規(guī)劃、設(shè)備材料運(yùn)輸路線模擬等，充分利用BIM 技術(shù)對(duì)施工組織方案提前進(jìn)行模擬并優(yōu)化，從而使施工組織過程更具有可控性，施工實(shí)施更高效、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理。

（4）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工方案模擬

采用BIM 可視化手段，對(duì)施工過程中復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工方案進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，從而優(yōu)化相應(yīng)工作內(nèi)容的施工方案（如圖10）。

（5）施工進(jìn)度計(jì)劃管理

根據(jù)施工深化設(shè)計(jì)模型、施工進(jìn)度計(jì)劃資料，按照不同深度、不同周期的進(jìn)度計(jì)劃要求，將進(jìn)度計(jì)劃與施工深化模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)與施工技術(shù)對(duì)項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)度和虛擬進(jìn)度進(jìn)行跟蹤和對(duì)比，從而科學(xué)有效的發(fā)現(xiàn)進(jìn)度偏差，及時(shí)采取糾偏措施（如圖11）。

（6）竣工模型構(gòu)建

竣工交付階段應(yīng)根據(jù)BIM 實(shí)施策劃及基于BIM 項(xiàng)目管理計(jì)劃整合完成項(xiàng)目竣工模型，竣工模型保證與實(shí)際建造的工程信息保持一致，為運(yùn)維階段的BIM 技術(shù)應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

隨著建筑建筑業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)電工程領(lǐng)域所應(yīng)用的二維圖紙已無法滿足建筑機(jī)電工程實(shí)施的需要，而依托BIM 技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，能很好地呈現(xiàn)出機(jī)電安裝工程的具體情況，對(duì)施工方案做出合理的優(yōu)化，特別是能避免因多專業(yè)分別設(shè)計(jì)導(dǎo)致的管線碰撞等傳統(tǒng)技術(shù)難以在前期發(fā)現(xiàn)的問題，為后續(xù)各環(huán)節(jié)施工提供可行指導(dǎo)。該技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了建筑工程電氣設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，其在建筑機(jī)電工程的應(yīng)用有進(jìn)一步提高的空間。

圖7 工程量統(tǒng)計(jì)

圖8 某建筑機(jī)電工程的施工深化設(shè)計(jì)示意

圖9 某工程的可視化指導(dǎo)施工方法示意

圖10 某工程的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工方案模擬

圖11 某工程的施工進(jìn)度計(jì)劃管理