BIM技术在机电安装工程全生命周期的应用<br/>——以福建三峡海上风电产业园工程为例

BIM技术在机电安装工程全生命周期的应用
——以福建三峡海上风电产业园工程为例

2020-12-03王肖颖晋嘉玉郑远财来佳园

武夷学院学报 2020年9期

王肖颖，晋嘉玉，郑远财，来佳园

（1.三明学院建筑工程学院，福建三明 365004；2.福建一建集团有限公司，福建三明 365004）

机电安装工程是现代化建筑的重要组成部分，其完善程度反映了房屋建筑和物质生活水平[1]。随着经济的快速发展，对建筑物的功能需求越来越高，而相对应的机电设备也越来越多，管线越来越复杂，机电安装工程的设计和施工也越来越难。当前BIM技术在我国的应用虽然还处于初级阶段，但已经得到了大众的认可。利用BIM技术进行机电安装工程的设计可以为工程带来极大的便利和效益，例如，邢振华等[2]将BIM技术应用在了大型商业综合体的机电工程深化设计中；杨震卿等[3]站在施工方的角度阐述了在机电施工中运用BIM技术的优势；熊超华等[4]应用BIM对武汉国博燃气能源站进行机电安装工程质量管理，取得了良好的工程效益；胡文发等[5]应用BIM的可视化功能对国家会展中心的机电安装工程施工现在进行协调管理，同样发挥了BIM的技术优势。

BIM技术在建筑机电安装工程方面的应用主要在于管道碰撞检查、管道综合设计[6]、虚拟仿真[7-8]、成本控制等。机电工程包括给排水、暖通、电气及消防工程等，各系统均是通过管道来完成其功能。各系统管道纵横交错，传统机电工程在设计阶段是由各专业设计师分别在各自的施工图纸上设计再进行综合，各专业信息不易共享，往往出现管道“打架”，这在二维图纸中并不容易检查出来。施工时期才发现管道在空间碰撞，或者这个专业的管道占用了另一个专业管道的位置等问题，然后再事后现场勘查，开协调会议，修改、返工，投入大量的人力物力，造成内耗和浪费。不少设计院为了避免这类问题，甚至以上各专业由同一个人来设计，但这样的复合型人才毕竟还是少数。有了BIM技术之后，由于BIM技术的可视化和直观性，使得管道发生碰撞在设计时期就能被检查出来，优化了设计效率，并且可以通过Autodesk Revit和Autodesk Navisworks等软件进行碰撞检查，发现并解决管线碰撞、调整净高等问题，能很好地解决“错、漏、碰、缺”的问题[9-10]。通过基于BIM技术的4D、5D施工模拟软件能够进行施工模拟，对施工进行可视化指导，减少返工、窝工等问题，控制造价。

针对福建三峡海上风电产业园机电工程，分析了设计、施工、竣工到运维全生命周期的BIM应用过程。项目达到较高模型深度，对不同类型的软件进行了协同应用，建立适应项目设计、施工全过程的云端BIM协同管理平台，引进先进的国外专业电子资产管理软件进行竣工电子平台建立。相较传统设计方式，这对提高设计效率、控制建造质量、降低工程造价、缩短施工工期、提升运维成效等都有明显的优越性。

1 工程概况及项目特点

1.1 工程概况

福建三峡海上风电产业园位于福清市江阴半岛，总占地面积66.67 hm2，是长江三峡集团与福州市共同投资建设的海上风电研发中心和海上风电装备制造基地。园区面积大，主要依靠大型的风力发电机组进行发电，此外园区还有部分利用光伏发电，内部有水处理厂，大型设备机组众多，整个项目机电工程十分复杂，包括室内机电、室外管网和公共管网部分，涉及给排水工程、消防工程、电气工程、弱电工程、通风工程、电梯工程、楼宇智能化系统（BAS）、火灾自动报警系统（FAS）、能耗监控系统、视频监控系统、传感设施系统等。

1.2 项目特点

1.2.1 专业覆盖面广

《GB 50084—2017自动喷水灭火系统设计规范》规范要求，直立型、下垂型喷头溅水盘与顶板的距离不应小于75 mm；《GB 50242—2016建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》中规定室内给水管与排水管平行敷设时，两管水平净距不得小于0.50 m，交叉敷设时，垂直净距不得小于0.15 m。各类规范要求了机电安装工程的管道必须占用大量的室内空间，如何在有限的空间内合理地布局各类管道是机电工程师需要解决的问题。本项目旨在建设海上风电研发中心和海上风电装备制造基地，所涉及的机电安装工程不仅包括了传统的给排水工程、暖通工程和电气工程的各大管线，还涉及到BAS、FAS、能耗监控系统、资产管理系统等建筑智能化系统，设备层、设备间和管道井中各种管线和设备数量多，交叉作业多，容易出现互相干扰、空间位置冲突的问题。一旦出现返工带来扯皮、拖延的问题将较为严重。如何在狭小的空间进行有利的设计是很大的难点。利用BIM技术可以做到事前控制，使工程保质保量地完成。

1.2.2 整体工期长

机电安装工程从管线预埋到最终的竣工验收，整体跨度大、工期长。本项目所使用的水泵、风机和配电设备也数量众多，光是设备调试就将花去许多时间。基于BIM模型，本项目在Projectwise Explorer V8i平台上创建数据共享平台，实现计划管理、任务反馈、项目进度看板、计划与实际4D模拟对比查看的功能，项目各方参与协同工作，实时管理施工进度。

2 BIM在本项目中的应用

为确保项目的顺利实施，由建设单位牵头，组建了BIM技术中心，设计院作为实施总协调单位及BIM项目咨询管理，施工方作为BIM项目管理。项目除地质勘探未利用BIM技术，其它阶段均采用了BIM技术，以园区运维阶段应用为目标进行BIM全生命周期策划及BIM标准制定，多单位协同管理模式，设计、施工一体化传递，做到全生命周期咨询服务。

2.1 设计阶段

对于产业园大厦办公区域和厂房区域等各单体建筑和地下管网，机电安装工程方面主要采用Revit MEP建立3D模型。本项目由于体量大，是分专业协同进行，在土建模型上建立机电安装工程模型。具体技术路线为：各机电专业设计师第一次协调——确定室内净高要求——协商各专业管线排布原则。模型建立完成后基于3D视图的直观展示，可清晰地发现机电管线与结构梁、板、墙、柱的碰撞，再核对机电专业墙体预留孔洞位置，检查机电管线与门过梁是否发生碰撞。接下来动力专业管线、重力管（给排水、暖通）按图纸建模，给排水专业重力管（如排水管）起端贴梁底，坡度按图纸说明建模；暖通专业重力管（冷凝水管），坡度按图纸说明建模。此时便进行第二次协调，依据详细原则，给排水、暖通、电气、动力管线制定分层排布原则，区域协调和平面协调。然后通过Revit的链接功能把各专业管线导入，对管线进行综合排布，给排水、暖通、电气、动力管线进行细部碰撞检查，进行第三次协调。得到碰撞检查结果报告后，由此提出优化建议，各专业根据原则进行避让翻折。管线优化调整及竖向净空优化报告，很大地减少了传统二维机电设计错误不易发现的问题，也减少了设计图变更。设计阶段本项目模型深度达到LOD 300～350。实现设计BIM模型与施工图一起交付、审核、归档。图1为整个园区用地范围内公共管网（含消防、给水、排水、强电、弱电、热力和燃气管道、通讯、路灯照明等）的3D建模某节点截图。图2为使用Navisworks进行碰撞检查后的报告部分截图及净高优化报告部分截图。如图2所示，1号碰撞处为给排水图纸自检，给排水工程中，B3层B～E/7轴处，标高为2 700 mm的DN100废水管道与一根DN150的喷淋管道和一根DN65的喷淋管道发生交叉重叠。第2处为专业之间的碰撞检查，B3层给排水管道与暖通管道发生“打架”，明显能看到DN125的消防管道从风管中间直接穿过，这就需要对管道进行高度的调整或者进行部分翻折。

图1 地下管网某节点截图Fig.1 Screenshot of a node of underground pipe network

图2 设计阶段冲突检测及三维管线综合优化Fig.2 Conflict detection and 3D pipeline optimization in design stage

2.2 施工阶段

对MEP机电、室外管网、公共管网BIM施工模型在设计模型的基础上进行各专业的深化设计，同时根据施工进度，保持施工BIM模型的及时变更。采用Navisworks进行管线、机电、建筑之间产生的软硬碰撞再次检查及校审，对工程量进行计算并制作工程量统计清单，对施工进度模拟、专项施工方案模拟、详细节点安装模拟，针对关键部位，利用BIM模型对低矮空间装饰面与机电管线进行碰撞检查，施工阶段的模型深度达到LOD 400。利用BIM施工模型提前发现施工过程中存在的问题，优化施工方案，对施工进行可视化指导。以原材料试验楼为例，在设计模型深化的基础上检查出机电碰撞点共计60余处，并在施工前期进行了逐一调整。基于BIM模型，在BIM施工管理平台上建立设备与材料管理和施工进度关联关系，通过平台可追溯大型设备及构件的物流与安装信息，实现设备材料进度跟踪，如图3所示。对接协同平台要求，通过平台进行多参与方的施工过程管理。图4为施工阶段管线综合模型图。

图3 施工过程管理Fig.3 Construction process management

图4 施工阶段管线综合模型Fig.4 Comprehensive pipeline model in construction stage

2.3 竣工交付阶段

建立BIM+EP平台运维管理系统，基于资产信息管理（AIM）和技术状态管理（CM）理论运用数据仓库技术和SOA架构开发的工程全寿命周期信息管理的平台。对模型管理、空间管理、资产管理、智慧运维、能耗管理、应急安全进行全生命周期的管控。对于机电安装工程，可以对设备的3D模型及属性、设备编码、空间位置或工位信息和相关文档进行关联，包括二维图纸和供货商信息等资料。如图5所示，实现BIM工程全寿命周期电子资产信息管理的平台，更加有效地管理设备，部分设备精度达到LOD 500。

图5 三维模型管理Fig.5 Management of 3D model

2.4 运维阶段

许多机电管线属于隐蔽工程，随着竣工年限的增加，管线相关数据资料可能存在遗失或寻找困难等问题，此时如果需要对工程进行改造或扩建，将存在一定的困难。基于竣工BIM模型，运用BIM+GIS集成建设智慧园区运维管理系统，设备运维主要依靠Web端及时采集数据，可对机电系统进行监控，如图6所示。同时系统对所有自控设备的控制状态进行监控，办公区对水管、风管主管的故障监控及运行情况监控，机房、水泵房风机、水泵等重要设备故障监控、运行状态监控。园区对地下管线的故障监控及运行情况监控并可自动调节相关阀门的开闭，对设备用房重要设备故障监控、运行状态监控。能耗监控系统可对温湿度、照明系统、楼宇整体及园区各个区域及重要设备的用水、用电情况等进行监控，最大程度地节约能耗。每台设备建立对应的二维码，方便进行资产分类、登记、编号，确定资产位置，查询设备属性和相应的技术资料。移动端可通过扫描二维码对日常巡检的结果进行登记，实现与资产管理后台的交互，实时更新机电工程的信息，大大提高运维管理水平和效率。

图6 智慧园区运维管理系统建设Fig.6 Construction of smart Park operation and maintenance management system

3 项目BIM研究应用效果及效益分析

BIM技术的应用带来了众多的经济和社会效益，该项目在机电安装方面所具有的优点体现在多方面。

（1）设计阶段：设计过程做到由BIM设计模型与施工图同步进行各专业出图，施工图所要求的各专业内容都需在模型里体现，模型深度达到LOD 350等级。在设计初期进行各专业间协同作业和三维可视化，减少因传统二维施工图上造成的碰撞和各专业间不合理交叉。与传统施工图相比，本项目设计过程应用BIM技术可减少设计变更时间80%，减少设计协调时间50%，减少施工图返工时间60%，缩短施工图出图时间15%，降低设计成本18%，减少施工BIM建模时间90%。

（2）施工阶段：对设计提交BIM模型进行施工深化、冲突检测及三维管线综合管理，管线优化调整及竖向净空优化，复杂节点管综图及3D局部视图，工程量计算，进度计划管理模拟、专项施工方案模拟、材料设备进度跟踪、详细节点安装模拟、质量管理。在施工过程BIM技术的应用使得设备管线安装减少返工量80%，施工过程中减少设计变更40%，施工过程减少项目协调时间30%，缩短施工工期5%，降低施工成本0.5%～1%。

（3）全生命周期BIM咨询：项目成立期间由业主牵头主导以园区运维阶段应用为目标，进行BIM全生命周期策划及BIM标准制定，协同办公平台上由业主、设计、监理、施工、物业运维等多家单位协同办公，减少项目协调时间60%，减少因协调造成返工、窝工时间20%，缩短项目工期3%，降低运营成本15%。