BIM技术在建筑设备专业设计中的软件应用

李 惠 何爱利

1 引言

随着建筑业的蓬勃发展，一些高档办公建筑、商业建筑、公共建筑对设备专业的设计提出了更高和更严格的要求，设备专业的工程师在进行中央空调系统、防排烟系统、喷淋系统、消火栓系统的设计过程中，普遍认为目前的二维CAD存在许多不足，主要体现在［1］:

1)走廊、地下室、避难层等地方会出现很多复杂的管道，经常导致在施工过程中遇到管线碰撞、穿梁、无法排布等问题［2］;

2)不同的专业设计软件数据标准不统一导致数据信息不能共享交流。研究表明，土木工程建设约产生30%的浪费，其中很大部分的浪费体现在工程项目的信息沟通方面［3］;

3)由于新的设计变更不能及时在设计人员间传递而造成的错、漏、碰、缺问题;

4)二维图纸不能反映对象的几何和属性特性信息，同时也增加了施工人员的读图难度。

传统的二维CAD设计产生的上述问题一直得不到有效的解决，导致设备专业的设计精度和质量无法得到有效地提升，而BIM技术的应用不仅能够有效的克服上述问题，同时还能有效的提升设计的效率。如何保证设备工程在设计中准确、高效，就成为建筑设备BIM工程师们首要解决的问题。随着我国《建筑工程信息模型应用统一标准》《建筑工程信息模型存储标准》等一系列标准的编制，BIM技术也迎来了新的发展契机［4］。与此同时，建筑设备领域面临着复杂的管线设计、繁重的模型体量、易错漏碰缺等现实问题，所以建筑设备专业在BIM设计中的发展是机遇与挑战并存。

2 BIM及ABD简介

BIM即建筑信息模型(Building Information Model)是21世纪初开始出现的全新概念，也是信息技术在建筑领域发展到一定阶段的必然产物。即通过特定工具软件，将建筑内全部构件赋予属性信息，直观地以三维可视化的形式进行设计、修改、分析，并形成可用于方案设计、建造施工、运营管理等建筑的全生命周期所参考的文件［5］［6］，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。

目前关于建筑信息模型的概念已经在学术界、建筑界和软件开发商中获得共识。Graphisoft公司、Bentley公司和Autodesk公司是引领潮流的建筑设计软件公司，本文就Bentley公司的AECOsim Building Designer(以下简称ABD)设计建模软件作介绍。

ABD是美国Bentley公司基于Microstation图形平台开发的一款建筑三维建模软件，包含建筑、结构、水暖电全专业内容，即由Architectural Building Designer、Structural Building Designer、Mechanical Building Designer、Electrical Building Designer四个模块软件组成。使用时按照按需加载进行选择，实现了内存小、运行快、方便快捷的制图模式，从方案设计、信息提取到专业配合、工程管理，打造在建筑的全生命周期内实施工程的创新理念。

3 BIM 模型的创建

3．1 工作空间(workspace)

三维协同设计的核心内容应为在同一个环境下，用同一套标准来共同完成同一个项目。不同行业有不同的需求，同一行业不同地区需求也不尽相同，标准也就不尽相同。这就需要用不同的工作空间来满足不同的用户。每当启动软件，就需要选择用户和项目。选择了这两点，也就进入了特定的工作空间，启动界面如图1所示。

工作空间分为国家级，企业级，项目级等。工作空间可存放绘制模型的规则，切图的规则及库，族等。用户也可企业需要或项目需要自行定制。企业级的工作空间具有延续性，可供多个项目使用。例如，绘制矩形风管的时候，只需要输入风管的宽度和高度，其他的信息都可以在工作空间中提前定义好，最大程度节省设计绘制模型时间，如图2所示。

图1 启动工作空间

图2 工作空间的定制

图3 文件参考

3．2 文件参考

建筑设备模型的绘制是建立在建筑模型基础之上的，所以在搭建设备模型之前将建筑模型进行参考，如图3所示。

被参考的建筑模型的特点:

1)即时参考:在同一个工作平台和工作空间上，被参考的建筑等模型若有修改，设备师能够在第一时间了解改动之处随之进行交流;

2)参考的控制:参考界面的开关按钮可以根据设备建模过程的需要，进行开启与关闭，并能够控制参考的选择和捕捉;

3)可进行弱化显示:在设备建模过程中，建筑模型可以根据需要进行弱化处理，即达到制图模型与参考模型的主次分明，方便制图，如图4所示。

图4 参考的弱化显示

3．3 管线的几何定位

3．3．1 基准平面的确定

在ABD模型建立过程中，设备管线基准平面的设置通常有两种:楼层管理器和ACS。楼层管理器一般用于建筑单体的层高设置，可进一步对设备管线的标高进行定位;ACS可直接定位管线标高。如图5所示。

图5 楼层标高管理器

图6 ACS平面

根据工程模型建立的实际经验，建议建筑单体的各层标高用楼层管理器，管线基准平面的标高用ACS平面进行定位。如图6所示。

3．3．2 几何定位

在选定了基准平面后，设备管线的几何定位主要依靠设备的属性表格进行设置，主要包括:管线方位尺寸、管线定位点、管线坡度、连接件的偏移等。在工程中，应根据实际工程需要，选择合理的定位点。

3．4 管线的智能连接

ABD中，设备软件强大便捷的功能之一即，管线的智能连接。它能够完成管道与管道之间、管道与设备之间的智能连接，并且可以根据需要选择连接件的类型和角度。特别在风管与风口的连接中使用非常方便快捷，如图8－9所示。

图7 属性对话框

图8 不同定位点的组件连接形式

智能连接的命令使用范围很广，在管件之间，管路之间，管件与管路之间都可以使用。图10是两根独立的管路在智能连接中的应用。

智能连接具有智能、快速、高效的特点。但是在智能连接的使用上，由于其使用对元器件和组件的连接过程中的连接顺序、位置关系等要求较高。所以，智能连接在使用过程中除智能高效等诸多优点外，还存在着一些限制条件影响着智能连接的使用。

图9 风管与风口智能连接示意图

图10 管线智能连接示意图

3．5 管线系统的组装

众所周知，建筑二维制图是按照楼层进行划分的，例如首层、顶层、标准层等，建筑三维制图亦可如此。而建筑设备作为整个楼宇的“呼吸机”，旨在为整栋楼宇提供上下关联的冷热空气等，所以在制图过程中，建筑设备模型的建立是根据楼层还是根据功能(即根据系统)就成为当前设备师建模过程中的又一个问题。

根据实际工程经验:建筑设备组建模型建议按照功能不同进行分解，逐一搭建模型。当某一系统体量较大，甚至出现占用内存大、运行速度慢的问题时，也可采用分层搭建模型的方法。

与模型划分对应的是模型组装，即在ABD中使用参考的命令将模型进行拼装并保存到一个文件上。该文件中没有真实存在的模型，都是组装其它模型的参考，这也是ABD较同类软件占用内存小、运行操作快的原因所在。

为了模型的正确组装，在进行模型组装前，要保证统一单位、统一原点和方向、统一显示比例。

3．6 管线的碰撞检测

碰撞检测即对建筑模型中的建筑构件、结构构件、管线设备等进行检查，以排除它们之间的错漏碰缺，以至于无法进行施工的现象［7］。碰撞检测的原理是利用数学方程描述检测对象轮廓，调用函数求检测对象的联立方程是否有解［8］。在碰撞检测过程中可能发生实体碰撞的“硬碰撞”，也可能发生非实体碰撞，被称为“软碰撞”。Thomas M．Korma在其研究中将管线设计中的碰撞分为五类［9］［10］:

1)实体碰撞:即直接接触的“硬碰撞”;

图11 碰撞检测工作界面

2)延伸碰撞:当某设备周围需要预留一定距离的维修空间，或者设备之间由于安全考虑必须满足一定的距离要求，则此预留距离范围内不能存在其他设备对象的干扰;

图12 软碰撞参数设置

图13 碰撞结果显示设置

3)功能性阻碍:例如设备管道挡住了日光灯的光照，虽然它们之间没有实体硬碰撞，但是影响了后者的功能，此类称为功能性碰撞;

4)程序性碰撞:即在模型设计中管线间不存在碰撞问题，但施工中因工序错误，一些管线先施工导致其他管线无法安装到位;

5)未来可能发生的碰撞:如系统扩建、变更。

ABD中碰撞检测规则分为三类:层、参考、项集或命名组。一般而言，a)以层为规则主要用于专业内的碰撞检测;b)以建筑为参考的设备碰撞结果，稍作修改可作为设备专业提给建筑专业的留洞图纸，同理，设备与结构之间的碰撞亦可如此;c)如高压电缆等特殊组件的碰撞检测可以项集或命名组为规则。ABD中可以设定一些“软碰撞”的距离参数等，碰撞检测后的结果会用不同颜色标出，处理之后的碰撞会被标记为“已处理”，工作界面详见图11～13。

4 结论

通过应用ABD软件对设备专业的三维设计进行了初步探索，其“所见即所得”的三维信息模型使得设备专业设计成果直观、形象，管线综合排布更容易调整和控制，大大降低各种碰撞的发生，降低施工过程的返工率。同时在应用的过程中，也发现了它的一些不足之处，

比如本地化族库类型较少、管件的某些参数的不全，若管线较复杂的建筑使用ABD完成设备模型，工作量还是相对较大，但相信随着软件的不断完善，这些问题都将得到有效的解决。

总之，BIM技术在设备专业设计中的应用是未来的发展方向，核心建模软件作为BIM技术应用的重要载体工具，必将发挥重要的作用，认识并熟练驾驭它，扬长避短，使其真正成为设计师的一把利刃，发挥其BIM应用的价值，有效地提升设计质量和设计效率。

［1］高远，邓雪原．基于BIM的建筑MEP设计技术研究．土木建筑工程信息技术．2010，2(2):92-96．

［2］尚昆．BIM软件在暖通中的应用．科技传播．2013，2(2):110-112．

［3］Dianne Davis．LEAN，Green and Seen．The Issues o f Societal Needs，Business Drivers and Converging Technologies are Making BIM an Inevitable Method of Delivery and management of the Built Environment［J］．Journal of Building Information Modeling，Fall 2007，16-18．

［4］刘建华，刘文新，孟广明．管线综合规划管理信息系统的建设及其应用探讨［C］．第三届中国国际数字城市建设技术研讨会，2007，366-369．

［5］胡振中，陈祥祥，王亮．基于BIM的机电设备智能管理系统［C］．计算机技术在工程设计中的应用-第十六届全国工程设计计算机应用学术会议论文集．广州，2012．

［6］刘业炳，裴以军，黄立鹏．Auto desk Revit MEP软件在深圳证券营运中心工程中的应用安装．2010，12:54-56．

［7］Thomas M．Korma，Martin A．Fischer，C．B．Tatum．Know ledge and Reasoning for MEPCoordination［J］．Journal of Construction Engineering And Management，2003，11，627-634．

［8］Thomas M．Korma，C．B．Ta tum．Using Construction，Operations，and Maintenance Know ledge to better Coordinate Mechanical Electrical and Plumbing systems in Buildings［C］．AEI 2006:Building Integration Solutions-Proceedings of the 2006 Architectural Engineering National Conference．

［9］何关培．BIM总论［M］．1版．中国建筑工业出版社．2011．

［10］赵志安，刘国杰．管道综合碰撞检查软件的开发［C］．全国暖通空调制冷2008年学术年会．