BIM 技術在醫(yī)藥廠房工程設計中的應用及案例分析

黃柯棋，宋楊

（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，成都 610021）

2020 年初新冠疫情爆發(fā)，火神山醫(yī)院的建設刻不容緩，24 h 內(nèi)完成方案設計和施工圖設計，接下來的72 h，6 名BIM 設計人員完成了34 km3的BIM模型設計，在機電施工前規(guī)劃出各管路的空間位置，避免在施工過程中的管線碰撞問題，為10 天完成整個項目建設提供了保障。

BIM 技術在火神山案例的成功應用，再次引發(fā)了BIM 技術在醫(yī)藥廠房工程設計領域應用的熱烈討論。本文通過介紹醫(yī)藥廠房設計難點和BIM 技術的優(yōu)勢，結合案例分析BIM 技術可快速高效地解決醫(yī)藥廠房工程設計中的難點，最后對BIM 技術在醫(yī)藥廠房工程設計中的應用提出建議，展望BIM 技術未來的發(fā)展趨勢，供同行參考。

1 醫(yī)藥工程的設計難點及BIM 技術的重要性

醫(yī)藥工程設計是一門運用藥學理論和工程設計理論，結合企業(yè)的生產(chǎn)工藝來籌劃設計，實現(xiàn)藥品工業(yè)化生產(chǎn)、藥品質量可控等一系列理論與實踐結合的綜合性學科。

在設計過程中，不同的生產(chǎn)工藝需要把生產(chǎn)車間細分成多個工藝生產(chǎn)模塊，各個模塊又有不同的設備（如反應罐、凍干機等），這些設備的大小不一造成吊頂空間高度多變，同時各個生產(chǎn)設備需要的公用工程介質復雜多樣，這使得整個吊頂空間內(nèi)管線布局非常復雜，需要工藝管道、暖通、自控、電氣等專業(yè)協(xié)同設計滿足工藝需求。

面對如此復雜的空間關系，傳統(tǒng)的二維設計很容易出現(xiàn)碰撞、干涉、空間規(guī)劃不合理等問題，所以迫切地需要一種快速高效的設計工具幫助我們解決問題。

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱，是建筑及其設施的物理和功能特性的數(shù)字化表達，在建筑工程全壽命期內(nèi)提供共享的信息資源，并為各種決策提供基礎信息[1-2]。BIM 技術有著可視化、相互協(xié)作、碰撞檢查等優(yōu)點，不僅可以解決二維設計的缺陷，還可以模擬施工、統(tǒng)計材料，使得這類復雜的醫(yī)藥工程設計更加高效。

2 案例分析

為了對比BIM 技術和Autodesk-Autocad 技術在醫(yī)藥工程設計中的優(yōu)劣情況，選擇同一個案例分成兩個設計小組（A、B 組），用這兩種不同的方法來完成項目的設計，A 組使用BIM 技術，B 組使用Autodesk-Autocad 技術，每組的人員配置相同，工作時間相同。

該案例是在已建成的空廠房內(nèi)建設流感病毒裂解疫苗車間，原建筑性質為丙類工業(yè)廠房，車間共分為三層，案例建筑信息如表1 所示。根據(jù)建設內(nèi)容確定整個功能布局：第一層布置動力站、生物廢水處理站等，第二層和第三層均布置疫苗生產(chǎn)車間和配套的空調機房。整個廠房已經(jīng)建好，需要盡量利用原廠房的風井、管井，節(jié)約施工成本。

表1 案例建筑信息表Tab.1 Case building information sheet

以第二層為例進行案例分析，車間第二層層高7.5 m，其中梁高0.8 m，工藝方案的吊頂高度2.7 m，局部吊頂高度5.2 m，空調機房和水站無吊頂，首先對空間初步規(guī)劃，各專業(yè)根據(jù)規(guī)劃的空間。規(guī)劃結果如表2 所示。

表2 空間初步規(guī)劃表Tab.2 Preliminary space plan sheet

本案例需要解決三個問題：

（1）管道、風管、排水管、消防管、電纜橋架等多達幾十種管線，管線極其復雜，應規(guī)劃各自的標高，避免專業(yè)間的碰撞；

（2）建筑的管井、風井不能夠滿足現(xiàn)在的需求。為了節(jié)約成本，應盡可能地利用現(xiàn)有條件，減少新增洞 口；

（3）管線綜合檢查，滿足現(xiàn)場施工需求。

基于以上情況，A 組用BIM 技術，設計精度為LOD300（LOD：Level of Development，模型精度），B 組用Autodesk-Autocad 設計，最終，各專業(yè)需合理規(guī)劃管線，盡量利用現(xiàn)有的預留洞口，并提出新的預留洞口，出管道平面布置圖，流程圖、材料統(tǒng)計表等。

2.1 建模準備對比

A 組基于BIM 技術建模，使用了歐特克公司的Autodesk-Revit 軟件。機電專業(yè)的BIM 工程師需要工藝交流建設單位提供的主要設備清單，建立該案例的機電族模型數(shù)據(jù)庫（如圖1 所示），為下一步的BIM工作做好準備。而這個過程B組的成員并不需要，Autodesk-Autocad 只需要圖塊即可，各專業(yè)可以直接開始設計工作。從建模準備這一點看，B 組更靈活，在時間上領先A 組。

圖1 機電族庫模型Fig.1 Electromechanical family library model

2.2 機電綜合的對比

A 組在建筑和結構BIM 完成后，其他專業(yè)以建筑模型和結構模型為基準，完成各管線模型的設計，然后將各個專業(yè)的模型導入到Autodesk-Navisworks軟件，合并后的整個模型如圖2 所示，為了便于觀察，建筑和結構模型為半透明顯示。

圖2 管線碰撞前的模型Fig.2 The model before the collision

利用Navisworks 軟件開始進行管線綜合和檢查碰撞。圖3 是暖通與給排水碰撞檢查后的模型圖片，其中綠色高亮是暖通有碰撞的管線，紅色高亮是給排水有碰撞的管線。圖4 是碰撞檢查的結果，顯示檢查異常的管線的位置和種類，指導設計師調整設計模型，調整結束后再進行檢測，重復上述過程，直到檢測無管線碰撞為止。

圖3 碰撞檢查后的模型Fig.3 The model after the collision

圖4 碰撞檢查結果Fig.4 Collision inspection result

碰撞檢查前的馬道模型圖片（如圖5）和碰撞檢查后相同位置的馬道模型圖片（如圖6），可以明顯看出：BIM 技術可以幫助設計師檢查各種難以發(fā)現(xiàn)的碰撞，優(yōu)化管道走向，提高設計質量，避免施工現(xiàn)場因為碰撞引起的返工和浪費。

圖5 碰撞檢查前的馬道模型Fig.5 The model before the collision in the overhaul space

圖6 碰撞檢查后前的馬道模型Fig.6 The model after the collision in the overhaul space

B 各專業(yè)互相提出設計條件完成各自的設計圖紙，各專業(yè)的圖紙已經(jīng)很復雜。不同介質的管道分成了不同的圖紙，不同類型的風管也分成了不同的圖紙，如圖7 所示。

圖7 排風系統(tǒng)局部截圖Fig.7 Partial shot of the exhaust system

如果對單一專業(yè)，以暖通為例，將二樓的所有風管都放在同一張圖上，在不關閉圖層的情況下，管線就已經(jīng)非常密，很難保證不同管線之間不碰撞，如圖8 所示。

圖8 暖通二層風管局部截圖Fig.8 Partial screenshot of HVAC air duct on the second floor

綜上所述，A 組運用BIM 技術很輕松地完成了本專業(yè)和其他專業(yè)的碰撞檢查。B 組用Autodesk-Autocad 設計，不能直接利用軟件找到各管線相應的碰撞點，只能靠設計師的設計經(jīng)驗和對管線高度計算去找問題，在醫(yī)藥廠房復雜的管線空間里，很難完全找到所有的碰撞點，如果要保證圖紙質量，人工校核管線碰撞問題需要花大量的時間完成。在機電綜合的對比中，A 組在設計質量和工作效率上都優(yōu)于B 組。

2.3 預留洞口應用的對比

A 組在做碰撞檢測和優(yōu)化電機模型時，在Navisworks 軟件里可以第一視覺看見管線通過現(xiàn)有的管井、預留洞口是否合理，也可以通過碰撞檢測發(fā)現(xiàn)肉眼難以觀察的碰撞，做到充分利用現(xiàn)有的管道井。建筑和結構專業(yè)在引用電機模型時，確定需要新增開洞的管線通過的適合尺寸，幾乎無偏差，預留洞口如圖9。

圖9 預留洞口圖Fig.9 The reserved hole

B 組在不關閉圖層的情況下，各專業(yè)重疊在一起后圖面非常復雜，如圖10。在機電綜合時，由于沒法保證管線所有碰撞問題都能解決，在利用現(xiàn)有的管道井和預留洞口以及新開的預留洞口時，不能保證完全正確，可能造成二次返工。

圖10 二層綜合局部截圖Fig.10 Layer 2 comprehensive partial screenshot

綜上所述，A 組利用BIM 技術對預留洞口應用無論是效率還是準確性都優(yōu)于B 組的設計。

2.4 生成施工圖的對比

A 組利用Autodesk-Revit 軟件將管線綜合后的模型導出成二維平面圖，再一鍵輸出成dwg、PDF 等常用格式，交付施工單位指導施工，如果方案需要修改，只需修改模型，平面圖也會隨之修改。立面剖視圖、大樣圖可以通過模型直接生成，但系統(tǒng)原理圖、流程圖、文字說明等非模型生成的圖Revit 繪制效率就不夠高。B 組設計過程中已經(jīng)完成了平面施工圖，Autodesk-Autocad 設計繪制系統(tǒng)原理圖、流程圖、文字的處理非常方便，但對剖面圖、立面圖等繪制相比Revit 效率不夠高。綜上所述，在出圖方面A 組和B 組各有優(yōu)勢，我們在設計過程中不同的應用可以選擇更優(yōu)的方案，提高設計效率。

2.5 生成工程量清單的對比

每一個構件在BIM 模型里都擁有自己獨有的信息，A 組利用BIM 技術通過Autodesk-Revit 軟件將這些信息快速統(tǒng)計項目工程量清單，同時BIM 軟件可以隨著模型變化，施工圖和工程量清單也會自動更新，施工現(xiàn)場可根據(jù)清單提前確定數(shù)量的采購材料，避免材料少買影響工期、多買影響庫存等問題，如圖11。B 組通過對圖形中塊的數(shù)量等手段也能統(tǒng)計出相應的數(shù)量，相比A 組，B 組需要更多的人工，耗費更多的時間。綜上所述，在工程量清單統(tǒng)計方面，A組在工作效率和準確性上都優(yōu)于B 組。

圖11 管線統(tǒng)計表Fig.11 Pipeline statistics table

2.6 設計時間進度對比

A 組整個案例BIM 的設計進度如表3 所示。

表3 設計進度時間表Tab.3 Design schedule

B 組整個案例BIM 的設計進度如表4 所示。

表4 設計進度時間表Tab.4 Design schedule

設計進度上，A 組在前期準備上需要花時間做足，落后于B 組，但在碰撞檢查階段，修改的管線相對應的平面圖也能同步更新，A 組則需要花更多時間檢查問題、更新圖紙。A 組最終用了38 天完成整個案例，B 組用了45 天完成整個案例，A 組在設計和進度上領先于B 組。

2.7 可視化漫游有助于設計和施工

此外，A 組還可以利用Autodesk-Navisworks 軟件的漫游模式（如圖12 所示）幫助設計師以第一視覺去感受管線設計是否合理、美觀，同時幫助項目管理者在計算機上模擬現(xiàn)場的物料分區(qū)管理、施工方案、施工步驟、施工時間節(jié)點等，增強項目現(xiàn)場管理、施工計劃、施工進度節(jié)點、施工的可行性和合理性，減少現(xiàn)場返工，提高施工效率，這是B 組不具備的。

圖12 站房、走廊和吊頂上布局的局部截圖Fig.12 Power station corridor and suspended ceiling of layout plan

通過兩個小組不同設計過程的對比可以看出，BIM 技術相對于Autodesk-Autocad 設計在管線綜合、可視化、智能檢查碰撞、管線的平面出圖、統(tǒng)計材料方面優(yōu)勢明顯，提高設計質量。Autodesk-Autocad 設計在流程圖、原理圖方面效率高于BIM 技術。在設計項目時，可以將兩者結合起來，揚長避短，將設計效率和質量都最大化。

3 結束語

在醫(yī)藥工程領域，管線錯綜復雜，BIM 技術把整個項目轉化成一個可視化的數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化管線空間，避開管線碰撞，出平面施工圖，統(tǒng)計材料用量，提升設計質量，提高了設計效率。

但還有一些不足的地方：不同的專業(yè)使用的BIM 軟件可能不一樣，數(shù)據(jù)之間相互轉換還不夠完善，運維軟件和BIM 軟件的數(shù)據(jù)交付也存在很多障 礙。

在未來的發(fā)展過程中，隨著BIM 軟件的升級，不同軟件之間的數(shù)據(jù)互換將更加便捷，同一個項目由多個施工方利用BIM 技術在同一個平臺上協(xié)作完成后，交付給業(yè)主達到LOD500 精度的模型和數(shù)據(jù)[3]，業(yè)主將模型和數(shù)據(jù)完美的導入運維軟件，協(xié)助管理整個工廠。電腦硬件的升級以及5G 技術的成熟，一個項目開始，VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）設備能讓設計者在虛擬的空間身臨其境的設計繪圖，AI（Artificial Intelligence，人工智能）算法協(xié)助設計者分析選擇最優(yōu)化管道排布路徑，業(yè)主利用AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）技術在BIM 模型中培訓新員工模擬操作流程。BIM 技術也將會在生物醫(yī)藥領域發(fā)揮更大的作用。