基于BIM技術(shù)的上海海昌極地海洋公園場館及管廊機(jī)電綜合應(yīng)用

吳京戎 楊 娜 熊能超

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

引言

隨著國家對(duì)BIM技術(shù)相關(guān)各種政策的發(fā)布，BIM技術(shù)的推廣和普及為建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)注入了強(qiáng)大的活力，特別是運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)的管線綜合，是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，但卻是效果最明顯、帶來收益最大、也是最廣泛的應(yīng)用。BIM技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行管線綜合各專業(yè)間的協(xié)調(diào)，碰撞檢查和深化設(shè)計(jì)，避免施工階段存在無效的返工和材料的浪費(fèi)，進(jìn)而可以達(dá)到控制項(xiàng)目的工期、節(jié)約成本和精益建造的目的，提升項(xiàng)目的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

隨著BIM技術(shù)不斷運(yùn)用到各類項(xiàng)目當(dāng)中，取得了巨大的項(xiàng)目收益的同時(shí)，基于BIM的管線綜合排布得到了快速發(fā)展，尤其是在機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜、管線錯(cuò)綜多樣、專業(yè)涉及廣的大型項(xiàng)目中，效果顯著。劉卡丁等用BIM技術(shù)結(jié)合實(shí)際的工程案例，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的碰撞檢查功能能夠有效解決機(jī)電管線綜合中的問題，推進(jìn)施工進(jìn)程，避免資源浪費(fèi)[1]。林耀等利用BIM技術(shù)對(duì)動(dòng)車所室外管線進(jìn)行研究，通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、管線碰撞等方法對(duì)綜合管線排布進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，合理安排管線位置[2]。Zhongjun Han等將傳統(tǒng)二維圖紙與BIM三維模型對(duì)比，突出BIM的優(yōu)勢； 將模型與實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，對(duì)圖紙進(jìn)行深度優(yōu)化[3]。王欣睿以京張高鐵清河站管線綜合設(shè)計(jì)為例，分析BIM技術(shù)的優(yōu)勢，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行深化，指導(dǎo)項(xiàng)目完成[4]。萬傳軍等利用BIM技術(shù)對(duì)地鐵出入口綜合管線進(jìn)行三維模擬，根據(jù)模型確定施工方案，對(duì)工程的質(zhì)量提高、工期縮短有著很大的幫助[5]。Dongyang Geng 等將BIM技術(shù)的協(xié)同工作模式用于地鐵管線綜合設(shè)計(jì)中，對(duì)管線碰撞以及空間布局進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了BIM集成管道優(yōu)化[6]。

可見，基于BIM的機(jī)電系統(tǒng)的管線綜合首先在設(shè)計(jì)階段就需考慮到機(jī)電專業(yè)之間與其他專業(yè)之間的協(xié)同問題，主要是管線碰撞、管線綜合排布、凈空協(xié)同和精準(zhǔn)定位的問題。本文主要在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合上海海昌極地海洋館工程項(xiàng)目來分析BIM技術(shù)在機(jī)電工程中的綜合應(yīng)用。 主要結(jié)合項(xiàng)目中的重難點(diǎn)，提出運(yùn)用BIM技術(shù)的技術(shù)路線，得出相應(yīng)的解決方法，最后通過項(xiàng)目的實(shí)際建設(shè)，驗(yàn)證了該路線的可行性和BIM技術(shù)的實(shí)用性[7]。

1 項(xiàng)目概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

上海海昌極地海洋公園，坐落于浦東新區(qū)南匯新城滴水湖畔，總占地面積約29.7公頃，總規(guī)劃建筑面積約為19公頃，包含12個(gè)展示場館、4個(gè)大型海洋動(dòng)物互動(dòng)體驗(yàn)項(xiàng)目、3個(gè)特效影院以及15項(xiàng)大中型游樂設(shè)備。

1.2 項(xiàng)目中的重難點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

在各空調(diào)機(jī)房、水泵房、管道井等位置的機(jī)電管線排布復(fù)雜，管道之間易發(fā)生碰撞，預(yù)留孔洞位置、專業(yè)設(shè)備定位以及支架的樣式位置難以準(zhǔn)確確認(rèn)，易造成施工資源浪費(fèi)，工程延誤等問題，可以利用BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)功能進(jìn)行確認(rèn)，調(diào)整施工方案，做出最佳選擇。

(2)維生管道重難點(diǎn)

極地海洋世界項(xiàng)目內(nèi)有大量的維生管道，維生管道占用了大量的建筑頂部空間及相關(guān)機(jī)電密集區(qū)的預(yù)留機(jī)電管道空間，但同時(shí)又要滿足其他建筑相同的機(jī)電功能，所以必須通過合理的綜合排布及管線走向的優(yōu)化，在滿足游客觀賞角度的前提下保證機(jī)電管道的使用功能，建模過程中在考慮對(duì)維生管道的避讓的同時(shí)，要保證相關(guān)區(qū)域?qū)b吊頂標(biāo)高的控制要求。通過BIM技術(shù)避免了維生管道和其它機(jī)電管道的碰撞，在滿足精裝吊頂高度的前提下，保證了機(jī)電管道的綜合排布要求。

(3)管廊綜合重難點(diǎn)

極地海洋世界—地下綜合管廊因本項(xiàng)目場館較多，各個(gè)場館間通過地下管廊連接相關(guān)的機(jī)電管線，最多的管廊內(nèi)有54根各系統(tǒng)管線通過，因現(xiàn)場結(jié)構(gòu)空間有限，需要精確定位所有相關(guān)管道附件及支架位置，需要協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)電專業(yè)，選用綜合支架才能滿足安裝空間要求，并且需要為后期運(yùn)營方的檢修預(yù)留足夠的操作空間。

(4)管線綜合重難點(diǎn)

海洋館因其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為異型結(jié)構(gòu)，館內(nèi)管線數(shù)量、種類繁多，在以往項(xiàng)目施工過程中，常因管線之間的相互碰撞、糾集等原因?qū)е鹿芫€排布不美觀、返工，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)致使設(shè)計(jì)圖紙發(fā)生變更、工程返工等問題，既影響工期又浪費(fèi)資源。海洋館施工周期緊，項(xiàng)目機(jī)電施工總時(shí)間不到1年，這就使得項(xiàng)目難度更高，施工時(shí)需做到快速準(zhǔn)確，才能在工期內(nèi)完成項(xiàng)目建設(shè)。

2 BIM技術(shù)在機(jī)電系統(tǒng)中的基本流程

2.1 機(jī)電系統(tǒng)建模流程

海洋館項(xiàng)目是一個(gè)大型的異形結(jié)構(gòu)工程，研究BIM技術(shù)在機(jī)電工程中的應(yīng)用需要一個(gè)合理的工作流程，只有充分利用BIM技術(shù)，才能通過BIM實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目價(jià)值的最大化。主要是利用BIM技術(shù)對(duì)上海海昌極地海洋公園場館及管廊管線綜合進(jìn)行圖紙會(huì)審、深化設(shè)計(jì)、碰撞檢查、重難點(diǎn)分析和施工模擬，機(jī)電系統(tǒng)建模流程圖如圖1所示。

圖1 機(jī)電系統(tǒng)建模流程圖

2.2 管線綜合排布總體設(shè)計(jì)原則

在管線的綜合排布中，要嚴(yán)格依據(jù)建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容以及管線的敷設(shè)和排列原則，如圖2所示[8]。

圖2 綜合管線避讓原則圖

2.3 圖紙會(huì)審

圖紙會(huì)審一般都是CAD出圖的二維圖紙，嚴(yán)重限制了空間想象力的發(fā)揮。特別是機(jī)電系統(tǒng)的管線綜合部分對(duì)空間要求高，各類管線既要排布合理，又要考慮預(yù)留空間，在圖紙會(huì)審階段很難排查出問題，利用BIM技術(shù)圖紙會(huì)審，大大提高了項(xiàng)目各參建方之間的溝通效率，實(shí)現(xiàn)了信息資源共享。在本項(xiàng)目中的冰山一層機(jī)電某個(gè)部位的剖面圖，很難看出冷凍水供水管與門的空間關(guān)系，通過建立BIM模型，利用BIM技術(shù)的可視化可以方便快捷查看這兩個(gè)部位的空間關(guān)系，根據(jù)管線的排布規(guī)則和施工經(jīng)驗(yàn)，以及專業(yè)人員的溝通，決定將門移動(dòng)600mm，滿足機(jī)電安裝空間，同時(shí)不影響后期的運(yùn)營維修，如圖3所示。

圖4 BIM出圖流程

圖3 二維CAD圖紙與三維BIM模型

2.4 BIM出圖流程及成果圖輸出

各專業(yè)的BIM模型經(jīng)過優(yōu)化后，利用Revit軟件生成優(yōu)化后各專業(yè)的剖面圖、平面圖、立面圖和大樣詳圖，在Revit軟件中應(yīng)用標(biāo)記族，注釋管線名稱、類型、標(biāo)高、尺寸等各個(gè)細(xì)節(jié)，然后按專業(yè)類別與層數(shù)的不同分別導(dǎo)出相應(yīng)圖紙，如圖4所示。

3 BIM技術(shù)在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 深化設(shè)計(jì)

利用BIM技術(shù)對(duì)本項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)管線綜合進(jìn)行建模，通過硬碰撞檢測和軟碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)圖紙中的缺陷，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改正； 利用BIM的可視化，能夠清晰看到各管線及設(shè)備位置，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)定位，利用軟件本身具有的系統(tǒng)校核功能可以對(duì)模型進(jìn)行校核修正，對(duì)海洋館項(xiàng)目的管廊管線進(jìn)行二次優(yōu)化使其滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。根據(jù)碰撞檢測結(jié)果，總計(jì)優(yōu)化碰撞位置160多處，明顯改善建筑的舒適性、實(shí)用性和合理性。結(jié)合極地海洋公園生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝施工實(shí)際情況，對(duì)圖紙進(jìn)行進(jìn)一步的修改、完善，使圖紙、計(jì)劃盡可能細(xì)化到每一方面。經(jīng)過深化設(shè)計(jì)后的圖紙能夠在滿足業(yè)主、設(shè)計(jì)方要求的同時(shí)，避免因返工等導(dǎo)致的工期延誤、資源浪費(fèi)，進(jìn)而保證項(xiàng)目在規(guī)定工期內(nèi)完工。

3.2 維生管道

維生管廊內(nèi)大量機(jī)電管線貫穿整個(gè)建筑，維生管道與建筑原有管道交叉排布，根據(jù)不同區(qū)域要求調(diào)整管線排布，既保證了凈高，又預(yù)留了足夠的檢修空間。BIM設(shè)計(jì)通過深化設(shè)計(jì)前置，把原本可能直至施工才暴露的問題提前在擴(kuò)初和施工圖設(shè)計(jì)階段解決，項(xiàng)目價(jià)值在BIM的助力下得到了最大的體現(xiàn)。

在海洋館維生管道設(shè)計(jì)中利用BIM技術(shù)來模擬和優(yōu)化管道布局，提前解決問題。如圖5所示，在冰山北極館一層，在實(shí)際施工過程中此處管道因其原設(shè)計(jì)規(guī)劃的走廊區(qū)域被大量維生管道占據(jù)，使得其他的橋架、管道沒有足夠空間來進(jìn)行安裝，經(jīng)深化人員現(xiàn)場核對(duì)后利用BIM技術(shù)重新優(yōu)化，使得管道得以順利安裝； 如圖6所示，冰山地下管廊，管廊和冰山地下室連通道處，BIM模型的提前預(yù)處理，此處管道局部抬高，保證了后期運(yùn)營維修的通道。

圖5 冰山北極館1F管線三維圖形

圖6 局部管道

3.3 管廊綜合

利用BIM技術(shù)建立三維可視化模型，可將整個(gè)工程三維立體地展示在各參與方面前，清晰直觀，方便溝通。同時(shí)，BIM模型采用面向?qū)ο蠛蛥?shù)化的概念，將項(xiàng)目中所有管道和設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)合并之后，可以將一些不易被發(fā)現(xiàn)的部分，或者更加難以察覺的問題考慮到設(shè)計(jì)當(dāng)中，從實(shí)際上解決深層次存在的隱患[9]。

上海海昌極地海洋館場館中觀眾、動(dòng)物、工作人員共同存在一個(gè)建筑里，空間錯(cuò)綜復(fù)雜。通過BIM的可視化、施工模擬等功能，對(duì)施工過程中需要用到的支架、設(shè)備位置進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整方案，確定支架設(shè)備的準(zhǔn)確位置以及對(duì)施工點(diǎn)的精準(zhǔn)定位； 各場館之間管廊管道互相連接，通過BIM技術(shù)確定合適的預(yù)留點(diǎn)，同時(shí)預(yù)留后期運(yùn)營維修所需空間，使得管廊管道之間能夠有效連接，保證后期修護(hù)時(shí)的可操作性及方便性[10]。

在歡樂劇場1F，風(fēng)機(jī)房正好處于斜梁下，原供應(yīng)商提供設(shè)備尺寸高度為1 650mm，但是經(jīng)模型校核后，只有設(shè)備高度為1 350mm，寬度為2 000mm時(shí)，才能安裝。經(jīng)過交涉，最終采用加長風(fēng)機(jī)，降低其高度，保證了設(shè)備的順利安裝、工程的按時(shí)完工。 如圖7所示，該管廊內(nèi)管道閥門原設(shè)計(jì)為閘閥，其體積非常大，經(jīng)BIM技術(shù)建模后發(fā)現(xiàn)，無論怎么調(diào)整，都無法滿足其安裝空間，后改為渦輪式蝶閥。

圖7 閥門

3.4 管線綜合

首先對(duì)模型進(jìn)行硬碰撞的檢查，應(yīng)用Navisworks軟件設(shè)置土建與機(jī)電碰撞參數(shù)[11]，如圖8所示。根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，消除碰撞，再進(jìn)行軟碰撞檢查，設(shè)置好機(jī)電專業(yè)之間和機(jī)電土建專業(yè)之間軟碰撞參數(shù)，得到檢查報(bào)告，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)和管道維修的地方預(yù)留施工空間，調(diào)整模型，直到各專業(yè)之間沒有碰撞問題產(chǎn)生。例如建筑的某部位的風(fēng)管與管道相撞，得到碰撞的位置，如圖9所示，經(jīng)專業(yè)人員討論，進(jìn)行調(diào)整，管道高度位于風(fēng)管下方，管道排布更加美觀，理論上可以達(dá)到零碰撞的結(jié)果。Navisworks軟件還能進(jìn)行動(dòng)畫漫游分析，能更好地進(jìn)行各管道空間排布和凈空分析檢查，能夠進(jìn)一步輔助做好碰撞檢查工作，為管線綜合后續(xù)的深化設(shè)計(jì)做好虛擬漫游。

圖8 機(jī)電綜合管線碰撞檢測 圖9 (碰撞點(diǎn))調(diào)整前后對(duì)比

圖10 排煙風(fēng)管

根據(jù)BIM三維模型，專業(yè)人員對(duì)工程中重點(diǎn)區(qū)域管線的走向、位置進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)先安排，根據(jù)模型制定施工方案、繪制多套管線綜合排布剖面圖，通過軟件碰撞檢查與虛擬漫游功能，結(jié)合實(shí)際施工，將發(fā)生碰撞的管道管線位置進(jìn)行調(diào)整，合理排布，制定相應(yīng)的解決方案，在保證管道管線不發(fā)生碰撞的同時(shí)，盡量使其排布美觀且不影響游客視覺范圍內(nèi)的美觀效果[12]。在冰山北極館一層，海豹蓄養(yǎng)池的亞克力玻璃施工通過BIM模型確定最合理的永久控制點(diǎn)坐標(biāo)，減小偏差，對(duì)埡口施工精度進(jìn)行控制，確保安裝一次成功； 在亞力克玻璃前方發(fā)現(xiàn)施工計(jì)劃以及設(shè)計(jì)圖紙中排煙風(fēng)管的位置會(huì)影響游客的觀賞空間，因此將其提前改道并對(duì)其他系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最佳效果，如圖10所示。

4 結(jié)論

上海海昌極地海洋館建設(shè)過程中涉及的機(jī)電管線復(fù)雜，基于BIM技術(shù)，提前對(duì)空間進(jìn)行分析和管線路徑的優(yōu)化排布，對(duì)后期設(shè)備、閥門的采購以及整個(gè)項(xiàng)目機(jī)電安裝的順利推進(jìn)，起到了不可替代的作用。 不僅節(jié)省了材料、人工，而且更重要的是避免了施工中重復(fù)施工，可以明顯地縮短施工周期，節(jié)約成本，提升項(xiàng)目的綜合經(jīng)濟(jì)效益，也為后期類似項(xiàng)目的研究提供了一定的參考。