基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程設(shè)計與交付研究

劉麗莎 ， 馬茂源， 李 航， 賀提勝

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司GBIM工程實驗室，河南 鄭州 450007；2.國機(jī)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 研發(fā)部，河南 鄭州 450007)

設(shè)計企業(yè)傳統(tǒng)上以圖紙作為最終交付成果，目前已無法滿足建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的總體要求。尤其在多曲面造型、多功能空間、復(fù)雜管線的綜合性建筑項目中，受限于傳統(tǒng)點線面表達(dá)方式的局限性，常規(guī)建筑平立剖加節(jié)點詳圖的做法已無法準(zhǔn)確地表達(dá)建筑體內(nèi)部功能邏輯和交叉管線的確切關(guān)系，更無法滿足工程建設(shè)中核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建的要求，為后期施工策劃和建造帶來了一定的困難。與傳統(tǒng)的二維設(shè)計方式相比，基于BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的設(shè)計表達(dá)具有可多方案論證、模型數(shù)據(jù)信息豐富、便于多專業(yè)協(xié)同工作和系統(tǒng)化集成設(shè)計等優(yōu)勢[1]。具體來說，BIM技術(shù)的應(yīng)用讓工程設(shè)計從傳統(tǒng)的單一點線面繪圖表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓ㄖ畔⒌目梢暬?、參?shù)化、模型化設(shè)計；從傳統(tǒng)的工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、電氣等各專業(yè)獨(dú)自設(shè)計或文件級協(xié)同設(shè)計，轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄥⑴c方、多專業(yè)、圖元級的實時協(xié)同工作；從傳統(tǒng)的單層、分區(qū)域設(shè)計，轉(zhuǎn)變?yōu)榛谕荒Ｐ偷牟⑿袇f(xié)同設(shè)計；從傳統(tǒng)的設(shè)計圖紙、計算書等紙質(zhì)文檔交付轉(zhuǎn)變?yōu)榛诮桓镀脚_的模型、數(shù)據(jù)、文檔的數(shù)字化交付。

本文基于BIM技術(shù)和編制國家、地方BIM標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗，研究BIM技術(shù)在機(jī)電工程設(shè)計與交付中的應(yīng)用問題。

1 基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程設(shè)計

1.1 協(xié)同設(shè)計

基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計，能夠?qū)⒃醋圆煌O(shè)計軟件、不同專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)集成于同一設(shè)計平臺，實現(xiàn)專業(yè)間、專業(yè)內(nèi)的資料互提、文件校對審核等，支持建筑全生命周期的信息傳遞、共享和交換[2]。協(xié)同設(shè)計可有效改善資源、行為流程，改變交付成果的割裂狀態(tài)，提升設(shè)計質(zhì)量。

以Revit軟件應(yīng)用為例，協(xié)同設(shè)計通常采用工作集方式和文件鏈接方式。項目級的協(xié)同設(shè)計一般應(yīng)以工作集方式對中心文件進(jìn)行劃分，要求工作組各成員在本地終端對服務(wù)器中的同一個BIM模型進(jìn)行同步并行設(shè)計，并將階段性設(shè)計內(nèi)容及時同步到文件服務(wù)器的中心文件中。協(xié)同設(shè)計允許工作組的成員之間根據(jù)權(quán)限相互借用設(shè)計文件。基于同一項目模板文件、統(tǒng)一軸網(wǎng)和標(biāo)高體系的文件鏈接方式，支持階段性成果文件的鏈接。該鏈接方式簡單、便捷，但因其鏈接模型一般不進(jìn)行編輯，所以同步性、實時性較差。在實際項目中，這兩種方式通常是并用的，專業(yè)內(nèi)多采用工作集方式實時進(jìn)行專業(yè)內(nèi)各系統(tǒng)、各功能分區(qū)的協(xié)同設(shè)計，專業(yè)間則多采用文件鏈接方式[3]。

1.2 模型拆分和組合

通過模型拆分和組合，可建立清晰的層級和并列組織關(guān)系，更好地管理模型及其成果文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

基于BIM技術(shù)，項目模型可從多種不同的角度進(jìn)行分類，在專業(yè)協(xié)作時，按照專業(yè)協(xié)同的模型組合關(guān)系進(jìn)行劃分；在全生命周期管理時，按照工程建設(shè)階段進(jìn)行劃分，以體現(xiàn)不同階段的模型細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)完善過程；在基于模型的多場景應(yīng)用時，應(yīng)對同一建筑單體進(jìn)行樓層、區(qū)域劃分。

在項目實施過程中，應(yīng)根據(jù)軟件要求和應(yīng)用場景，選擇適當(dāng)?shù)牟鸱址绞剑员阋阅Ｐ蛻?yīng)用和協(xié)同工作為原則來構(gòu)建合適的分工合作模型。項目模型的拆分與組合關(guān)系如圖1所示。

圖1 項目模型的拆分與組合關(guān)系

1.3 模型配色

模型配色即機(jī)電工程各專業(yè)模型的顏色設(shè)置，旨在為基于BIM模型的跨部門、跨階段協(xié)同工作提供統(tǒng)一顏色設(shè)置的參考，方便設(shè)計人員快速識別，避免或減少混淆導(dǎo)致的錯誤。

在全生命周期應(yīng)用管理時，各階段模型應(yīng)采用統(tǒng)一配色體系，以便參與項目的各方溝通協(xié)作。當(dāng)機(jī)電設(shè)備歸屬一個專業(yè)系統(tǒng)時，模型配色應(yīng)與其所歸屬專業(yè)系統(tǒng)的顏色保持一致；當(dāng)機(jī)電設(shè)備歸屬兩個及以上專業(yè)系統(tǒng)時，可采用設(shè)備本身材質(zhì)或原色進(jìn)行設(shè)置。各專業(yè)系統(tǒng)中涉及消防的相關(guān)管線及設(shè)備均應(yīng)采用紅色，以起到醒目警示作用。

1.4 模型編碼

模型編碼可實現(xiàn)物理實體、模型與信息的關(guān)聯(lián)。在工程全生命周期過程中保持編碼的唯一性和一致性，可保證信息從設(shè)計、建造到運(yùn)維的有效傳遞，并為項目后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

模型編碼的對象涵蓋給排水、暖通、電氣、動力等機(jī)電工程系統(tǒng)的設(shè)備及其管線。針對不同的應(yīng)用場景，模型編碼可分為空間編碼、系統(tǒng)編碼和設(shè)備編碼?？臻g編碼主要是針對模型中各物理空間按照層級進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識，用于設(shè)施設(shè)備在所屬空間的定位。系統(tǒng)編碼是對設(shè)施設(shè)備所屬專業(yè)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)識。設(shè)備編碼主要用于區(qū)分設(shè)施設(shè)備所屬類型，以便后續(xù)工程應(yīng)用階段設(shè)施設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和維護(hù)。機(jī)電設(shè)備的模型編碼示例如圖2所示。

圖2 機(jī)電設(shè)備的模型編碼示例

1.5 管線綜合設(shè)計

管線綜合設(shè)計是BIM技術(shù)在機(jī)電工程中的典型應(yīng)用之一[4]。管線綜合設(shè)計應(yīng)基于各專業(yè)模型來協(xié)調(diào)各種設(shè)備、管線與建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間位置，遵循設(shè)計合理、安裝可行、檢修方便、運(yùn)行可靠的基本原則，從全局、全階段應(yīng)用出發(fā)，綜合考慮各種因素，使管線排布優(yōu)化、空間位置協(xié)調(diào)、預(yù)留預(yù)埋和安裝定位合理，按規(guī)范完成多專業(yè)綜合設(shè)計工作[5]。

管線綜合設(shè)計包括各子項管線綜合設(shè)計、各子項主干管路支吊架模型設(shè)計、機(jī)電安裝設(shè)備材料統(tǒng)計等。管線綜合設(shè)計效果示例如圖3所示。

圖3 管線綜合設(shè)計效果示例

1.6 綜合支吊架設(shè)計

在機(jī)電工程設(shè)計中，對于管線繁雜、安裝空間有限的局部區(qū)域，需要進(jìn)行綜合支吊架設(shè)計。綜合支吊架設(shè)計包括：支吊架編碼設(shè)計、支吊架布置、支吊架定位尺寸的標(biāo)注和支吊架詳圖設(shè)計等[6]。

以Revit軟件應(yīng)用為例，平臺只能手動放置支吊架，且無法支持支吊架的力學(xué)和詳圖生成。為此，應(yīng)通過二次開發(fā)，采用綜合支吊架設(shè)計工具來實現(xiàn)綜合支吊架設(shè)計。首先，可根據(jù)Revit API，利用 Visual Studio開發(fā)工具，在C#語言環(huán)境下開發(fā)綜合支吊架輔助設(shè)計工具；然后，采用有限元分析法，自動進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力分析；最后，將計算分析結(jié)果用于支吊架的選型，通過參數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)支吊架的自動選型和布置。圖4所示為綜合支吊架詳圖示例。

圖4 綜合支吊架詳圖示例

1.7 預(yù)留洞口設(shè)計

為確保管線設(shè)備現(xiàn)場安裝時能正常穿越樓板、墻體、屋面或結(jié)構(gòu)構(gòu)件，避免因預(yù)留位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致的返工問題[7]，可采用合適的軟件工具，精確、快速地創(chuàng)建預(yù)留洞口；也可基于二次開發(fā)工具，進(jìn)行預(yù)留洞口的自動生成和分類標(biāo)注。

在Revit軟件環(huán)境下，將土建專業(yè)模型鏈接機(jī)電設(shè)備模型，根據(jù)管線或設(shè)備穿越墻體或樓板時預(yù)留洞口的要求，能生成結(jié)構(gòu)預(yù)留洞口，必要時可設(shè)置綜合預(yù)留洞口，并在模型平面圖上對洞口進(jìn)行標(biāo)注。預(yù)留洞口設(shè)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 預(yù)留洞口設(shè)計結(jié)果

1.8 凈空分析與優(yōu)化

對空間狹小、管線密集和凈空要求高的地下車庫行車通道和入口坡道、貨車通道、公用站房、走廊等區(qū)域，可通過BIM技術(shù)進(jìn)行凈空分析，量化機(jī)電工程凈高控制方案，若發(fā)現(xiàn)不滿足凈空要求和美觀需求的部位，則應(yīng)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備和管線排布的優(yōu)化[8]。例如，通過凈空分析與優(yōu)化，車位凈空高度由3.20 m變?yōu)?.45 m(圖6)。

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

2 基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程交付

作為指導(dǎo)工程建設(shè)的唯一依據(jù)，傳統(tǒng)二維設(shè)計模式的主要交付物是工程圖紙。采用BIM設(shè)計模式后，交付成果的形式多樣，除二維工程圖紙以外，還包括模型文件、數(shù)據(jù)文件、多媒體文件等。

2.1 模型交付

采用輕量化平臺進(jìn)行機(jī)電工程BIM模型交付，能夠解決傳統(tǒng)工程交付中存在的數(shù)據(jù)不兼容、利用率低、可讀性差等問題，保證機(jī)電工程項目各參與方基于同一模型環(huán)境進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳遞、共享和交換，實現(xiàn)輕量化的模型交付。輕量化模型交付界面如圖7所示。

圖7 輕量化模型交付界面

2.2 模型出圖

目前，圖紙不但仍然是表達(dá)設(shè)計意圖和設(shè)計結(jié)果的重要途徑，而且是施工安裝的重要依據(jù)。為保證專業(yè)圖紙具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，可直接由模型及模型視圖生成二維圖紙?；谌S模型的二維出圖方式能保證專業(yè)內(nèi)平立剖圖、系統(tǒng)圖、詳圖等表達(dá)的一致性和及時性，消除專業(yè)間設(shè)計沖突與信息不對稱的情況。

以Revit軟件應(yīng)用為例，為提高出圖表達(dá)效率，可借助Revit API進(jìn)行二次開發(fā)出圖、標(biāo)注和算量，實現(xiàn)管線綜合設(shè)計圖紙、特殊部位設(shè)計圖紙等的快速表達(dá)。圖8所示為給排水系統(tǒng)的BIM模型。

圖8 給排水系統(tǒng)的BIM模型

2.3 碰撞檢測與漫游瀏覽

基于各專業(yè)模型，可進(jìn)行專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間沖突和碰撞的檢測，并形成檢測報告。該報告的內(nèi)容主要包括模型檢測版本、檢測規(guī)則、檢測范圍、碰撞位置、問題描述和優(yōu)化調(diào)整建議、檢測日期等。

基于BIM技術(shù)的模型漫游是指結(jié)合虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，為各參與方提供身臨其境的視覺、空間感受，并輔助完成多方案比選、可視化設(shè)計交底和可視化校審。在機(jī)電工程項目中，結(jié)合項目關(guān)注重點，如管線錯綜復(fù)雜區(qū)域、凈高特殊要求區(qū)域、特殊構(gòu)造區(qū)域，通過直觀瀏覽視頻，由多參與方全方位地對項目進(jìn)行細(xì)致的把握。

3 結(jié)束語

隨著行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)電工程設(shè)計和交付領(lǐng)域所應(yīng)用的二維圖紙已無法滿足需求，應(yīng)用BIM技術(shù)能很好地實現(xiàn)基于模型的協(xié)同設(shè)計、管線綜合設(shè)計、支吊架快速自動生成，以及基于模型的出圖、工程數(shù)字化交付等。BIM技術(shù)為機(jī)電工程設(shè)計與交付技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐。