基于BIM技術(shù)地下車(chē)庫(kù)管線綜合應(yīng)用研究

郝小楊 李 昊 張 園

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 呼和浩特 010070)

引言

管線綜合一直是機(jī)電安裝工程的重點(diǎn)難題，管線綜合是由多專(zhuān)業(yè)協(xié)作完成，但是傳統(tǒng)二維管綜設(shè)計(jì)與深化有很大的局限性，如隱藏在空間上的碰撞矛盾與問(wèn)題難以徹底的暴露，管線綜合表達(dá)不夠準(zhǔn)確合理，為施工現(xiàn)場(chǎng)留下了不可控的弊端因素，直接或者間接造成經(jīng)濟(jì)損失[1]。信息技術(shù)已然成為建筑產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與管理的關(guān)鍵因素[2]，建筑信息模型(Building Information Modeling)被認(rèn)為是建筑行業(yè)的又一次信息技術(shù)革命，以高效、智能的三維數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，并以其獨(dú)特的工作方式將項(xiàng)目信息集成匯總，最終生成數(shù)據(jù)模型[3]。BIM不僅僅是單一或多個(gè)軟件集合，更重要的是信息集成的管理方式[4]。BIM技術(shù)輔助機(jī)電設(shè)備安裝施工，相當(dāng)于對(duì)建筑設(shè)計(jì)的提前“預(yù)演”及圖紙的“三維校核”[5]，實(shí)現(xiàn)保質(zhì)提效的目的，同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺(tái)的基礎(chǔ)上[6]，確保多專(zhuān)業(yè)工程信息獲取及時(shí)準(zhǔn)確，破除各專(zhuān)業(yè)間的信息壁壘、數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)象[7]，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)間的信息共享，同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)家倡導(dǎo)的綠色施工的理念要求。

1 BIM輔助管線綜合優(yōu)勢(shì)分析

1.1可視化

以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的項(xiàng)目綜合交付模式，將帶來(lái)新的項(xiàng)目管理模式的變更，實(shí)現(xiàn)信息共享及團(tuán)隊(duì)間的高效協(xié)作[8]。BIM技術(shù)的基礎(chǔ)是集成項(xiàng)目信息的數(shù)據(jù)模型，將線條式的構(gòu)件變成三維模型，直觀的查看項(xiàng)目狀況，提前消除設(shè)計(jì)階段未發(fā)現(xiàn)的隱蔽問(wèn)題，最終輸出能夠指導(dǎo)施工的綜合圖紙[9]。

1.2 集成化

BIM模型是隨著項(xiàng)目進(jìn)行，工程信息的實(shí)時(shí)錄入并進(jìn)行優(yōu)化[10]，再提交、共享給所需人員的過(guò)程。將建筑供應(yīng)鏈上的各參與制信息集成到整體模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，將建筑供應(yīng)鏈各成員企業(yè)的信息模型協(xié)同的集成到建筑供應(yīng)鏈的整體信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)中[11]。因此BIM模型應(yīng)用于管線綜合階段，BIM模型可以真實(shí)反映管道的尺寸、高度、管道類(lèi)型等信息，在模型中以不同顏色區(qū)別不同類(lèi)型管道，碰撞檢測(cè)及管道優(yōu)化更加方便，施工模擬階段對(duì)有疑問(wèn)的位置查看更為方便,同時(shí)利用信息集成的手段保證項(xiàng)目的管控水平有效提高。

1.3優(yōu)化性

根據(jù)施工圖紙搭建模型過(guò)程中，相當(dāng)于對(duì)圖紙的二次審核，克服傳統(tǒng)二維審圖效率低、易遺漏的問(wèn)題，及時(shí)處理施工圖存在的不足及問(wèn)題[12]。模型搭建完成后，將模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)并進(jìn)行人工復(fù)核找出有效碰撞點(diǎn)，解決碰撞問(wèn)題，對(duì)于管線密集區(qū)域，在保證滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下預(yù)先排布，通過(guò)BIM模型進(jìn)行事前模擬，檢查凈高不滿(mǎn)足的區(qū)域，再通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整及優(yōu)化布置實(shí)現(xiàn)凈高需求，并輸出剖面圖、三維管綜圖指導(dǎo)施工[13]。

由以上分析可知，BIM技術(shù)在管線綜合方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，以三維可視化立體的方式將復(fù)雜管線呈現(xiàn)給管理者，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)于模型中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、管理一體化[14]。

2 BIM輔助管線綜合應(yīng)用

2.1模型精度

BIM技術(shù)最大的特征是改變了傳統(tǒng)二維紙質(zhì)媒介傳遞建筑信息的方式，通過(guò)管理軟件將設(shè)備構(gòu)件、管理人員及技術(shù)設(shè)備聯(lián)結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)建筑信息化的高效管理[15]。BIM技術(shù)服務(wù)于項(xiàng)目的基礎(chǔ)是BIM數(shù)據(jù)模型，模型搭建的精度與速度對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用有極大的影響，數(shù)據(jù)模型始終貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，模型的內(nèi)容與細(xì)節(jié)是由項(xiàng)目生命周期內(nèi)各專(zhuān)業(yè)在應(yīng)用階段對(duì)模型信息需求決定的，因此項(xiàng)目各主要參與方前期及早的確定并及時(shí)參與進(jìn)來(lái)，協(xié)同工作[16]，確定各階段項(xiàng)目需求，以需求為導(dǎo)向確定各階段數(shù)據(jù)模型的精度標(biāo)準(zhǔn)。

BIM模型建立精度(Level of Detail, LOD)現(xiàn)今已有英國(guó)AEC(UK)以及美國(guó)建筑學(xué)會(huì)(AIA)組織提出相關(guān)定義與標(biāo)準(zhǔn)。AIA將模型精度分為五階段，各分別為L(zhǎng)OD 100、LOD 200、LOD 300、LOD 400 及LOD 500，每一階段LOD模型內(nèi)容必須符合所訂定的度要求[17]。如表1所示：

表1 美國(guó)建模精度

2.2深化設(shè)計(jì)

施工前依據(jù)設(shè)計(jì)方輸出的施工圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，有效的提高施工質(zhì)量與效率。BIM技術(shù)輔助管線綜合其深化設(shè)計(jì)主要包括將水、暖、電等專(zhuān)業(yè)模型鏈接整合在一起，同時(shí)將結(jié)構(gòu)模型與機(jī)電模型進(jìn)行鏈接整合，有效的利用BIM技術(shù)的可視化功能，查找碰撞點(diǎn)、局部空間狹小管線密集難排布、空間布局優(yōu)化，根據(jù)管線調(diào)整原則及施工規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際情況對(duì)管線進(jìn)行優(yōu)化綜合排布，深化設(shè)計(jì)圖流程如圖1所示：

圖1 BIM輔助深化設(shè)計(jì)流程圖

2.2.1碰撞檢查

機(jī)電安裝系統(tǒng)主要包含采暖、空調(diào)、通風(fēng)防排煙、給排水、消防、供配電等，BIM輔助管綜充分首先創(chuàng)建不同專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)模型，并將模型與構(gòu)件屬性關(guān)聯(lián)，之后把數(shù)據(jù)模型在軟件中進(jìn)行整合，連接模型導(dǎo)入到Navisworks中進(jìn)行碰撞檢查，根據(jù)檢查報(bào)告的構(gòu)件ID進(jìn)行準(zhǔn)確定位，根據(jù)屬性面板的信息進(jìn)行篩選有效的碰撞點(diǎn)，通過(guò)報(bào)告可以清晰明了的找尋碰撞位置、碰撞原因及碰撞類(lèi)型等信息。

2.2.2車(chē)道、車(chē)位專(zhuān)項(xiàng)分析

傳統(tǒng)車(chē)道車(chē)位進(jìn)行分析時(shí)將二維圖紙層疊，對(duì)于車(chē)道坡度、中心線高、梁高的檢查，需要車(chē)道平面圖同剖面詳圖核對(duì)，二維圖紙缺乏聯(lián)動(dòng)性，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)，造成疏漏。車(chē)道高度計(jì)算方面，二維圖紙需以人工方式計(jì)算車(chē)道中心線個(gè)點(diǎn)高度，在一一核對(duì)車(chē)道平面詳圖與立面詳圖的車(chē)道中心線各點(diǎn)高度與水平為是否一致，進(jìn)而考慮凈高問(wèn)題。車(chē)道因設(shè)計(jì)問(wèn)題需要重新設(shè)計(jì)時(shí)，需要將結(jié)構(gòu)圖、建筑圖層疊，才能得知是否出現(xiàn)沖突。

基于BIM技術(shù)的車(chē)道車(chē)位專(zhuān)項(xiàng)分析，利用平面圖紙建立模型，以模型作為介質(zhì)，將3D模型與2D圖紙進(jìn)行結(jié)合，可以利用模型減少車(chē)道設(shè)計(jì)人工核算的疏漏，同時(shí)可以直觀的查驗(yàn)車(chē)道凈高是否滿(mǎn)足要求，車(chē)道調(diào)整較為便捷，且直觀的查看調(diào)整后車(chē)道與周邊構(gòu)件的空間關(guān)系。

2.3管綜出圖

在完成碰撞檢查、管綜優(yōu)化等工作后，能得到完整的管綜優(yōu)化模型及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的三維模型，利用數(shù)據(jù)模型輸出機(jī)電三維圖，三維模型圖準(zhǔn)確的定位管線的安裝的先后順序、標(biāo)高及管線詳盡的尺寸標(biāo)注等信息，相對(duì)于二維圖紙而言，三維模型圖視覺(jué)上更加直觀，對(duì)于管線密集、空間關(guān)系復(fù)雜的設(shè)備機(jī)房和走道區(qū)域，能清晰的表達(dá)管線的空間關(guān)系，利用已經(jīng)完善的數(shù)據(jù)模型制作施工技術(shù)動(dòng)畫(huà)、實(shí)景交互動(dòng)畫(huà)及二維碼等，簡(jiǎn)化復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工技術(shù)交底，提高施工人員對(duì)項(xiàng)目的熟悉程度，保證施工質(zhì)量與進(jìn)度。

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文從內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市某高層住宅項(xiàng)目地下車(chē)庫(kù)為例，該項(xiàng)目為北區(qū)第二標(biāo)段，其總建筑面積為107,357.04m2，地上建筑面積88,159.13m2，地下車(chē)庫(kù)整體建筑面積為40159.82m2。設(shè)置停車(chē)位1326個(gè)，該地下車(chē)庫(kù)南北高差大，車(chē)庫(kù)自北向南傾斜。該項(xiàng)目體量巨大工期緊張，且設(shè)計(jì)方輸出的圖紙中采用的是絕對(duì)標(biāo)高，不利于項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型的搭建、管綜優(yōu)化及凈高分析。

由于項(xiàng)目自北向南傾斜，車(chē)庫(kù)梁頂部標(biāo)高均不相同。管線排布最低點(diǎn)處能否滿(mǎn)足規(guī)范要求的凈空標(biāo)準(zhǔn)、最高點(diǎn)處空間布局是否合理及同一管道在敷設(shè)在底高度不同的梁下時(shí)等問(wèn)題的解決尤為重要。因此，只依靠二維圖紙進(jìn)行深化、調(diào)整，基本無(wú)法形成有保障的排布方案。

鑒于上述難點(diǎn)，項(xiàng)目采用BIM技術(shù)輔助管線綜合應(yīng)用，應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題。

3.2各專(zhuān)業(yè)BIM模型搭建

BIM模型作為后期應(yīng)用的基礎(chǔ)，模型精度與細(xì)節(jié)的掌握都需要預(yù)先制定相應(yīng)的規(guī)則加以約束(如圖2)。

圖2 模型精度流程圖

不同專(zhuān)業(yè)在不同階段所需要表達(dá)的模型精度也大相徑庭。機(jī)電安裝項(xiàng)目涵蓋了暖通、給排水、消防、電氣等專(zhuān)業(yè)。本項(xiàng)目是地下車(chē)庫(kù)管綜項(xiàng)目機(jī)電安裝項(xiàng)目，涉及的專(zhuān)業(yè)繁多，輸出的施工圖需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)。因此在項(xiàng)目初期就進(jìn)行模型精度的探討，將模型精度定義到LOD300，即表現(xiàn)模型元素的數(shù)量、形狀、位置、方向及構(gòu)件關(guān)系，如圖3所示為低區(qū)熱水循環(huán)泵房與管道連接。

圖3 低區(qū)熱循環(huán)水泵連接

本項(xiàng)目地下車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，地下車(chē)庫(kù)管綜模型如圖5所示

圖4 地庫(kù)結(jié)構(gòu)模型

圖5 地庫(kù)管綜模型

3.3 碰撞檢測(cè)

碰撞檢查能夠在施工前對(duì)施工圖紙進(jìn)行一次審查，避免因尚未發(fā)現(xiàn)的圖紙問(wèn)題導(dǎo)致施工過(guò)程返工，同時(shí)對(duì)于二維圖紙不能發(fā)現(xiàn)的密集區(qū)域隱蔽問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)先排除，減少大面積拆改的現(xiàn)象，把控施工質(zhì)量進(jìn)度及造價(jià)。

碰撞檢查分為單專(zhuān)業(yè)內(nèi)部碰撞檢查和多專(zhuān)業(yè)碰撞檢查，本項(xiàng)目首先進(jìn)行單專(zhuān)業(yè)之間內(nèi)部碰撞檢查，然后進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)之間碰撞檢查，碰撞檢查結(jié)果如表2所示：

表2 碰撞檢查統(tǒng)計(jì)

單專(zhuān)業(yè)碰撞檢查圖6所示為風(fēng)管專(zhuān)業(yè)與直飲水碰撞檢查。

圖6 單專(zhuān)業(yè)碰撞檢查

多專(zhuān)業(yè)碰撞檢查如圖7，圖示為管道與整個(gè)項(xiàng)目的其他專(zhuān)業(yè)進(jìn)行碰撞檢查。

圖7 多專(zhuān)業(yè)碰撞檢查

3.4車(chē)位、車(chē)道專(zhuān)項(xiàng)分析

管線進(jìn)行綜合排布與優(yōu)化時(shí)，不僅需要管線綜合排布美觀合理，同時(shí)需要將空間凈高作為重要參考因素，需滿(mǎn)足規(guī)范要求的凈高標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的優(yōu)化，盡可能的提高空間高度，空間凈高的減少，每平方米的造價(jià)成本也會(huì)隨之減少，有效的節(jié)約成本，同時(shí)減少土方開(kāi)挖量，工期也隨之縮短。針對(duì)車(chē)位凈高(圖9)以及車(chē)位使用方面，提出優(yōu)化建議；輔助優(yōu)化車(chē)位設(shè)計(jì)，提前暴露不利因素，降低風(fēng)險(xiǎn)，便于營(yíng)銷(xiāo)定價(jià)。

本項(xiàng)目地庫(kù)層高3700mm，板厚250mm，板下凈高3450mm，最高梁900mm，梁下凈高2800mm。風(fēng)管底距地面2500mm，支吊架按50mm考慮，采暖管道、消火栓管道、噴淋主管、給水管道同層安裝，車(chē)位處管道中心距地2450mm，車(chē)道處管道中心距地2650mm，支吊架按100mm考慮。橋架車(chē)位處底部距地為2400mm，車(chē)道處底部距地為2600mm，支吊架按50mm考慮。機(jī)電管線所占用的空間高度大約為1000mm，部分管線距頂板底50mm。

管線調(diào)整已考慮支吊架及燈槽所需空間共150mm，管線間距排布已將保溫層厚度考慮在內(nèi)。

經(jīng)過(guò)管線優(yōu)化后如圖8，車(chē)道凈高可達(dá)到2400mm，車(chē)位凈高可達(dá)到2200mm。

圖8 車(chē)道、車(chē)位管線優(yōu)化排布 圖9 車(chē)道車(chē)位凈高分析

3.5管線優(yōu)化實(shí)踐

利用碰撞檢查報(bào)告中的ID進(jìn)行碰撞點(diǎn)精確定位，然后根據(jù)管線調(diào)整的基本原則及施工規(guī)范要求進(jìn)行管綜優(yōu)化。

管線優(yōu)化的基本原則：總體原則是充分利用梁內(nèi)空間，避免與其他管道沖突，滿(mǎn)足層高要求；避讓原則：有壓讓無(wú)壓，小管避讓大管，冷水管道避讓熱水管道，管道附件少的避讓管道附件多的，臨時(shí)管道避讓永久管道，低壓避讓高壓，空氣管道避讓水管道；垂直排列原則：熱介質(zhì)管道在上，冷介質(zhì)在下；無(wú)腐蝕介質(zhì)的管道在上，腐蝕介質(zhì)的管道在下，氣體介質(zhì)在上，液體介質(zhì)在下；保溫管道在上，不保溫管道在下；高壓管道在上，低壓管道在下；金屬管道在上，非金屬管道在下；不經(jīng)常檢修的管道在上，經(jīng)常檢修的管道在下等。

如圖10所示，風(fēng)管在梁下100mm敷設(shè)時(shí)，630×400的風(fēng)管底部高程為-3.94m，風(fēng)管底部距地面高度小于業(yè)主要求的凈空標(biāo)準(zhǔn)，在與設(shè)計(jì)溝通協(xié)商后，在保證不影響風(fēng)管功能的前提下，使用800*320mm的風(fēng)管進(jìn)行替換。

a 優(yōu)化前 b 優(yōu)化后

3.6管線綜合出圖

相對(duì)于傳統(tǒng)圖紙信息雜亂無(wú)序，利用BIM技術(shù)出圖性很好的克服了傳統(tǒng)圖紙問(wèn)題，將設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系起來(lái)，由于三維模型不能在二維圖紙?bào)w現(xiàn)，所以需要繪制各種二維圖紙[18]，利用BIM技術(shù)不僅可以導(dǎo)出二維平面圖，還可以對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)大樣圖(如圖11)，管道的層次關(guān)系直觀、明確，加強(qiáng)施工人員對(duì)項(xiàng)目的了解，提高工作效率，可以依照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成管道的施工質(zhì)量和進(jìn)度控制。

圖11 節(jié)點(diǎn)大樣圖及剖面詳圖

4 BIM技術(shù)效益分析

4.1 成本分析

通過(guò)BIM技術(shù)輔助管線綜合應(yīng)用，預(yù)先解決機(jī)電管線之間的問(wèn)題，減少了施工過(guò)程中不必要的返工和材料的浪費(fèi)，減少了工程變更，提高工作效率，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資源曲線、資金曲線及物資查詢(xún)功能管控現(xiàn)場(chǎng)人、材、機(jī)并制定合理的計(jì)劃，通過(guò)清單三算與資源三算對(duì)項(xiàng)目做出最合理的決策[19]。進(jìn)而控制了造價(jià)，極大的節(jié)約了成本。在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范及業(yè)主要求的情況下，對(duì)項(xiàng)目層高進(jìn)行合理的優(yōu)化降低，層高降低可以減少土方的開(kāi)挖量，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目標(biāo)。

4.2 進(jìn)度分析

本項(xiàng)目解決管線碰撞問(wèn)題，降低返工率，縮短工期；復(fù)雜節(jié)點(diǎn)三維可視化交底，提高安裝施工人員工作效率，節(jié)省工期；以模型為中心連接各個(gè)參與方，有效的提高協(xié)作解決問(wèn)題的效率。

4.3 社會(huì)效益分析

利用BIM技術(shù)的可視化和模擬性使得施工人員對(duì)整個(gè)機(jī)電管線的安裝更加熟悉，模擬管道的安裝過(guò)程進(jìn)一步增加施工人員的安裝經(jīng)驗(yàn)，提高管道安裝的質(zhì)量和效率，促進(jìn)機(jī)電設(shè)備安裝綠色施工，同時(shí)利用BIM技術(shù)的協(xié)同性，使得各個(gè)參與方聯(lián)系更加緊密，更加便捷的解決項(xiàng)目過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高整個(gè)項(xiàng)目的管理效率。BIM技術(shù)的優(yōu)化性預(yù)先解決管道碰撞問(wèn)題，減少施工過(guò)程返工量及拆改面積，縮短工期，同時(shí)在項(xiàng)目施工過(guò)程中，對(duì)比工程實(shí)況與實(shí)時(shí)施工模型，以動(dòng)態(tài)管理的方式輔助施工,通過(guò)BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，最大程度的實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！蓖苿?dòng)建筑產(chǎn)業(yè)低碳化[20]。

結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)被認(rèn)為是能對(duì)建筑行業(yè)帶來(lái)二次信息革命的新技術(shù)，正在被應(yīng)用于不同階段發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值，但是BIM技術(shù)普及還需要過(guò)程，BIM技術(shù)在我國(guó)發(fā)展已經(jīng)從單一的數(shù)據(jù)模型為中心轉(zhuǎn)向模型的多方面應(yīng)用，以實(shí)際案例為中心，分析BIM技術(shù)輔助管綜的主要應(yīng)用點(diǎn)，從模型精度的確定到深化設(shè)計(jì)階段，碰撞檢測(cè)、車(chē)位車(chē)道專(zhuān)項(xiàng)分析及施工模擬等多方面應(yīng)用點(diǎn)，有效的克服傳統(tǒng)管綜的問(wèn)題，以數(shù)據(jù)模型為中心，以階段需求為目標(biāo)，將BIM技術(shù)的價(jià)值最大化解決項(xiàng)目實(shí)際問(wèn)題，從成本、施工進(jìn)度、社會(huì)效益方面進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)價(jià)分析，結(jié)果表明基于BIM技術(shù)的管綜應(yīng)用有效的管控成本、增強(qiáng)各參與方的協(xié)作交流、提高現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題解決的效率、保證施工進(jìn)度計(jì)劃等。本文為BIM技術(shù)輔助管綜應(yīng)用提供一定的參考，促進(jìn)BIM技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的推廣。