BIM协同设计在长春某综合楼机电工程中的应用

2018-04-20韩风毅林书帆

长春工程学院学报（自然科学版） 2018年1期

韩风毅，林书帆，施　维，赵　麒

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

1　工程概况

1.1　项目简介

该工程总建筑面积为19 544 km2，共6层，高22.2 m。西楼和主楼为办公楼，东楼为宾馆，东楼一楼为餐厅，第二层到第六层为宾馆客房。用地面积：12 100 km2。容积率：1.62，绿地率：28%，地上停车泊位共77个。工程规划施工图如图1所示，建筑立面图如图2所示。

1.2　工程特点和难点

该工程包括室内采暖工程、给排水工程、消防工程、空调工程和强电弱电工程(低压配电系统、动力配电系统、照明插座系统、有线电视及综合布线系统、火灾自动报警系统、防雷接地系统)，机电综合管线较多，专业交叉频繁。采暖系统采用上供下回单管系统，采暖热源引自城市24 h连续供热外网，采暖供水温度为60 ℃，回水温度为50 ℃。建筑内部给水系统是将城镇给水管网或自备水源给水管网的水引入室内，选用适用、经济、合理的最佳供水方式，经配水管送至室内各种卫生器具、用水嘴、生产装置和消防设备，并满足用水点对水量、水压和水质要求的冷水供应系统。给水系统一般由引入管、给水管道、给水附件、给水设备、配水设施和计量仪表等组成。生活给水水源由外网供应，给水方式为变频给水，由市政给水管网经室外水池通过变频水泵加压给建筑内部供水。

空调系统采用风机盘管加新风方式：办公室、教室、客房和实验室等小空间人员集中程度大，各房间的负荷根据运行时间不一致，且各自有不同要求，因而采用风机盘管加新风系统[1]。风机盘管直接放置在各个空调房间内，对室内回风进行处理；新风则由新风机组集中处理后通过新风管道送入室内与回风混合。在每层的空调机房内放置一台新风机组，制冷机组放置在一层。风机盘管加新风系统的冷量或热量由空气和水共同承担，所以属于空气—水系统。

建筑消防系统采用消火栓给水系统和自动喷淋系统[2]。消火栓系统采用环状管网，用水量为30 L/s，灭火可持续时间为3 h。消火栓火龙水带长25 m，水枪口径19 mm，充实水柱长度10 m。自动喷淋系统火灾等级为轻危险级，采用下垂式装饰喷头，动作温度为68 ℃。喷淋管道采用热镀锌钢管，用水量为22 L/s,灭火可持续时间为1 h。消防水源为设在室外的蓄水池。屋顶设消防水箱来满足火灾期前10 min喷淋和消火栓的用水量。消防水箱间设有消防水泵，为一用一备消防增压设备。

2　BIM组织与应用环境

2.1　BIM应用愿景

BIM是建筑行业技术发展的必然趋势，是实现建筑工程设计、施工组织及全寿命运行管理等过程信息化的必要手段。掌握BIM技术将大大提高土木建筑相关专业毕业生适应行业需求的能力和就业竞争力。BIM技术颠覆了对施工图的理解，BIM的协调工作效果、各种视角转换，可以最大程度地还原建筑和施工现场，协调建筑、结构、暖通、电气、给排水、管理工程各专业，BIM的三维视角使我们加深了对工程的理解和把握，能主动适应建筑行业技术发展需求，机电工程各专业协同设计要求设计人员掌握BIM相关技术在工程中的应用[3]。

图1　工程规划施工图

图2　建筑立面图

2.2　BIM应用目标

设计团队使用Revit等建模软件进行BIM协同设计，进行机电工程建模，达到协同工作、信息共享，完成碰撞检查，优化机电综合管线，熟悉建模过程并解决管线常见的问题[4]。最后，还可以在三维模型基础上加上时间进度进行4D模拟，完成模型可视化制作。

2.3　BIM模式和级别的确定

BIM模式分为BIM1.0、BIM1.5、BIM2.0 3种模式，BIM2.0是设计全过程直接利用BIM软件，运用3D思维进行3D设计，最后利用三维软件直接获取二维施工图完成设计、报审与交付工作。全专业全过程利用BIM技术直接进行三维设计，是真正的BIM技术应用。具体区别见表1，该工程设计采用BIM1.5模式。LOD表示模型的细致程度，英文称作Level of Details，也叫作Level of Development。描述了一个BIM模型构件单元从最低级的近似概念化的程度发展到最高级的演示级精度的步骤。LOD—100为概念级；LOD—200为方案及扩初模型；LOD—300为施工图及深化施工图模型，可以进行成本估算以及施工协调，包括碰撞检查、施工进度计划以及可视化；LOD—400加工和安装模型；LOD—500竣工模型将作为中心数据库整合到建筑运营和维护系统中去。该机电工程协同设计采用LOD-300级别。

表1　BIM2.0与BIM1.0、BIM1.5的区别

2.4　BIM协同设计流程

BIM的协同设计的建模软件很多，不止一个软件，至少有十几个核心软件，基于目前具有国际和行业影响力并应用于中国市场的多款BIM软件的分析，该工程BIM协同设计的软件选择Revit系列BIM软件。Revit主要应用于项目的前期及设计阶段，在碰撞检查时选择Navisworks软件，软件版本以2016版为主。协同设计采用工作集方式，利用BIM专业机房，架设BIM中心模型服务器。机电工程多专业BIM协同设计如图3所示。

图3　机电工程多专业BIM协同设计

3　BIM应用

3.1　创建局域网及工作集

创建局域网，使所有成员组成一个网络并创建工作集，每个人在工作集内选择自己所对应的权限。笔者所选择的工作集是空调水、空调新风和防排烟。每个人在自己的工作集内绘图可以使绘图工作条理分明，分工清晰。

3.2　制订标高

大致定位各个专业的标高：桥架在最上层，接下来是水管，最下层为风管。首先定位排水管(无压管)。排水管为无压管，不能上下翻转，应保持直线，满足坡度。一般应将其起点(最高点)尽量贴梁底，使其尽可能提高。沿坡度方向计算其沿程关键点的标高，直接接入立管处。定位风管(大管)。因为各类暖通空调的风管尺寸比较大，需要较大的施工空间，所以接下来应定位各类风管的位置。风管上方有排水管的，安装在排水管之下；风管上方没有排水管的，尽量贴梁底安装，以保证天花板高度整体的提高。确定了无压管和大管的位置后，余下的就是各类有压水管，桥架等管道。此类管道一般可以翻转弯曲，布置较灵活。此外，在各类管道沿墙排列时应注意以下方面：保温管靠里，非保温管靠外；金属管道靠里，非金属管道靠外；大管靠里，小管靠外；支管少、检修少的管道靠里，支管多、检修多的管道靠外。管道并排排列时应注意管道之间的间距。一方面要保证同一高度上尽可能排列更多的管道，以节省层高；另一方面要保证管道之间留有检修的空间。管道距墙、柱以及管道之间的净间距应不小于100 mm。

3.3　处理CAD图纸

将未处理的平面图纸中不需要的图层关闭并保存，可以减少导入图纸后模型过大的现象，也可以使图纸更明朗清晰。

3.4　创建风管、绘制机械设备和绘制空调水管

创建风管类型，定义类型颜色等，并选择连接件。在导入处理过的CAD图纸后，根据图纸中风管所在位置以及确定好的标高绘制风管，并插入各规格的防火阀、调节阀、排烟阀、止回阀、电动双位风阀、消声器、静压箱等管路附件。其次，绘制散流器排风口等末端装置。绘制风管干管和分支管时应采用T型三通连接，在将风道末端连接到风管时，若仍采用T型三通连接，有时风管中没有足够的空间放置三通构建，这时应当修改风管，首选连接类型为“接头”，并载入接头族。通过复制模版中原有族并修改有关参数，创建工程中所用到的机械设备。将绘制好的风管连接到所对应的机械设备。空调冷冻水机房三维视图如图4所示。

水管的绘制与风管类似，在创建完系统类型后根据CAD图纸中水管所在位置绘制水管。水管应从末端画起，也就是从机械设备画起。同时根据定义好的标高与风管合理做出避让，尽量减少专业自身碰撞。除此之外还要注意定义冷凝水管的坡度，并注意冷凝水管的最低点应高于吊顶，使模型符合常理。给排水专业和建筑电气专业与空调工程专业绘制方法相同。

图4　空调冷冻水机房三维视图

4　应用效果

4.1　碰撞检查

对于安装量大的企业来说，影响成本与资金风险控制的最主要的问题之一就是安装内部各专业在施工过程中的碰撞，由于不能提前对施工过程中出现的管线碰撞进行预警，因此导致的材料浪费、造价增加等情况在现在的安装现场数不胜数。

碰撞检查是指提前查找和报告在工程项目中不同部分之间的冲突，将安装水、电、暖、消防等几大专业合并起来，真实地模拟出实际施工的情景，通过碰撞检测，提前预知施工中可能出现的不合理的地方，从而及时更改施工方案，避免返工，降低建设成本，很好地解决了施工中关于碰撞检测的问题[5]。碰撞分硬碰撞和软碰撞(间隙碰撞)两种，硬碰撞指实体与实体之间交叉碰撞，软碰撞指实体间并没有实际的碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求。例如，空间中两根管道并排架设时，因为要考虑到安装、保温等要求，两者之间必须有一定的间距，如果这个间距不够，即使两者未直接碰撞，但其设计也是不合理的。目前BIM的碰撞检查主要集中在硬碰撞。通常出现碰撞问题最多的是安装工程中各专业设备管线之间的碰撞、管线与建筑结构部分的碰撞以及建筑结构本身的碰撞。

目前设计院全部都是分专业设计，机电安装专业甚至还要区分水、电、暖等专业。且大部分设计都是二维平面，要把所有专业汇总在一起考虑还要赋予高度变成三维形态，这对检查人员的素质等要求很高，遇到大型工程更是难上加难。后来才诞生了利用系统和软件进行碰撞检查的方式，系统直接把二维图纸变成三维模型并整合所有专业，如门和梁打架，通过软件内置的逻辑关系可以自动查找到问题，即所谓的碰撞检查。通过冲突报告，可查询碰撞发生位置及部件ID号，如图5所示为消防管道与通风风道发生碰撞。

图5　消防管道与通风风道发生碰撞

4.2　利用revit软件进行碰撞

设计碰撞检查使用的软件是Revit和Navis works，Navisworks，提供了4种检查冲突的方式，分别是硬碰撞、硬碰撞(保守)、间隙和重复项。其设计中侧重的是硬碰撞和间隙。硬碰撞检查用于查找场景中两个模型图元间发生交叉、接触方式的干涉和碰撞冲突，而间隙的检查方式则用于检测所指定未发生空间接触的两个模型图元之间的间距是否符合要求，所有小于指定间距的图元均被视为碰撞。之后返回Revit修改模型中的各种碰撞。本次设计使用Revit来进行检查碰撞。