WD 广场影院夹层管廊机电管线综合设计

周慧芳,张坤强,高 将

1.江苏建筑职业技术学院 建筑管理学院,江苏 徐州221116

2.山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安271018

3.中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州221116

机电管线综合设计涉及给排水、暖通空调、建筑电气、楼宇智能化等多个专业，是在遵循一定的管综设计原则基础上，从全专业角度结合实际施工和后期检修维护等方面内容，对整个机电管线系统进行整体把控和优化布置[1,2]。传统的管线综合设计是基于CAD 平台，在梁底净空高度分析的基础上将各专业图纸按图层导入并出具二维断面图，各专业之间缺乏沟通，设计过程及绘图过程复杂，对设计师三维空间想象能力要求高，在管线密集区域诸如地下室、走廊以及屋顶层，经常出现管线之间交叉碰撞[3,4]。利用BIM 技术主流软件Revit 系列软件，建立建筑、结构、机电各专业模型，在三维空间中直接对机电管线进行综合布置，并通过碰撞分析实时查询碰撞点位进行修改，布置完成的模型可以根据需要出具局部三维和任意断面的施工图，直观反映管线布置空间信息，简化了深化设计过程，降低了管线综合难度。

冯远，向新岸等[5-7]通过建立复杂建筑钢结构BIM 模型，着重分析体育场钢结构的抗震性能，刘占英，张振义等[8,9]将BIM 技术应用在轨道交通工程全生命期中，形成一套BIM 全生命期应用方法，为城市轨道交通数字化建设提供指导思路，青峰等[10-12]研究BIM 技术在大型城市综合体机电管线深化设计中的应用，指出和传统的深化设计相比，BIM 技术很好地解决了二维图纸中的错误，实现了材料的精细化管理，控制成本，节约资源，保证了工程的工期和质量。近年来，BIM 技术在建筑工程领域取得了飞速发展，其在建筑模型效果展示、虚拟施工、5D 管理等方面有着越来越多的应用，但是我们也看到，真正落地指导施工应用的项目较少，管综设计人员没有从一线施工企业的角度考虑，仅是机械地按照管综设计中的一些原则，没有和施工现场实际相结合，对复杂节点的设计，综合支吊架布置考虑较少，也没有形成固定的出图文件。

WD 广场项目影院夹层区域管线密集，施工空间狭窄，用传统的管综设计方法很难对施工区域管线进行合理布置，加之机电施工工期短，业主对施工质量的要求高，总包方决定建立BIM 团队，通过合理分工，分别建立建筑、结构机电各专业模型，协调甲方、设计院以及施工各参建单位及时对优化的模型进行建议调整，结合工程实际情况，在总包方的协调下，对管线翻弯局部复杂节点进行优化布置，根据最终优化的模型合理设置综合支吊架系统，并出具管综平面、剖面图及节点详图，委托第三方对图纸进行审核，后期施工单位严格按照优化的图纸进行施工，真正将BIM 技术落地应用在实际工程中。

1 项目概况

WD 广场项目为有顶步行街商业综合体，总建筑面积134551.11 m2，地下一层，地上四层，建筑高度25.95 m，整个项目机电管线错综复杂，其中，位于四层（建筑高度15.8 m）的影院夹层管廊，横向宽度窄且距离较长，立面高度由于需要满足商业规范规定，管线布置不宜太低。管廊内部涉及的机电管路主要包括排烟管道、虹吸雨水管道、消火栓以及自喷管道等，既有重力废水管道又有防排烟等宽度较大管道。总体来说，该影院夹层管廊具备狭长空间复杂管路属性，其内部机电管线需要综合考虑各方面因素进行布置。利用Revit 系列软件分专业建立模型并进行整合，整个夹层管廊的机电模型如下图1～2 所示。

图1 影院夹层管廊标准区域1 机电管线图Fig.1 Electromechanical pipelines on the standard area 1 of mezzanine gallery in the cinema

图2 影院夹层管廊标准区域2 机电管线图Fig.2 Electricalmechanical pipelines on standard area 2 of mezzanine gallery in the cinema

2 管线综合排布

2.1 净高分析

基于BIM 技术的机电管线深化设计步骤主要包括：机电专业图纸识图、拆图、BIM 模型建立、确定管综区域、净高分析、管线优化分析以及成果输出。净高分析是机电管线综合设计的关键，从净高分析图中可以明确的知晓建筑结构模型梁底的净空高度，进而可以综合各种因素对机电管线进行初步布置，WD 广场项目影院夹层管廊区域净高分析如图3 所示。

图3 影院夹层管廊净高分析图Fig.3 Analysis on the net height of the mezzanine gallery of the cinema

从图中可以看出：影院夹层走廊分为标准区1 和标准区2 两个区域，内部梁底标高均在20.2 m以上，考虑到四层建筑标高15.8 m，其梁下净高为4.4 m。从走廊两侧分别往影院区、机房区侧边梁底标高为20.1 m，其梁下净高为4.3 m。在走廊内部还分布有标高为19.6 m 的梁，其处于最不利状态，将之命名为最不利梁，其梁下净高为3.8 m。如果按照业主要求走廊区域吊顶标高不低于3.2 m，最不利梁下仅有0.6 m 管道布置空间，而管廊内部分布有消防管、重力雨水管、排烟管等大型管道，管综设计难度相当大。

2.2 标准区域1 管线综合排布

管廊标准区域1 的原始管线布置三维模型和剖面如下图4、5 所示。

图4 标准区域1 原始管线布置三维图Fig.4 3D layout of original pipelines on standard area 1

图5 标准区域1 原始管线布置剖面图Fig.5 Profile layout of original pipelines on standard area 1

从图中可以看出：标准区1 下共设有强、弱桥架，消火栓系统、自喷系统、生活给水系统等压力管道，虹吸雨水重力流管道以及排烟系统大宽度管道，管路系统复杂，走廊区仅有1579 mm 的横向布置空间，管线排布空间狭窄。专业管线之间分别布置，管中心标高没有统一，自来水管道系统管中心标高最低为3.6 m，室内消火栓系统（DN150）和重力雨水系统(DN110)管中心标高最高为4.2 m，管线之间显得杂乱无章，重力雨水管道系统甚至没有布置在管廊内部。机电管线之间碰撞严重，桥架系统和排烟系统以及室内消火栓系统（DN150）和排烟系统均存在碰撞，排烟管道和自喷管道之间间距为743 mm，施工操作困难。

经分析，标准区域1 管综设计的难点是设有排烟管道、重力雨水管道等不易翻弯处理的大型管道，同时内含多处最不利梁，需要进行管道翻弯过梁处理，3.2 m 的最低限高要求难于满足，为后期施工考虑的操作空间难于控制。结合综合设计标准和原则，在充分考虑后期施工的基础上对WD 广场项目影院夹层标准区1 进行深化设计，考虑到走廊内部主管需要往两侧影院区和机房区支管引出，结合重力流管道和大型管道不宜翻弯，尽可能采用综合支架，充分考虑施工及后期检修要求等原则，设计考虑走廊内部梁下净高按4.3 m 设计，重力流雨水管道和排烟管道按最不利梁底标高布置，有压管道及电气桥架进行遇到最不利梁下翻弯处理，影院夹层标准区域1 经过管线深化设计后的三维模型和剖面如下图6、7 所示。

图6 标准区域1 管线综合排布三维图Fig.6 3D comprehensive layout of pipelines on standard area 1

图7 标准区域1 管线综合排布剖面图Fig.7 Comprehensive profile layout of pipelines on standard area 1

从图中可以看出，管综后整个机电管线分成左右两个区域，左侧布置矩形管道，右侧布置圆形管道，左侧布置上部布置电气桥架，下部布置防烟管道，右侧上部布置消防及给水管道，下部布置重力雨水管道；左侧电气桥架中心标高4.05 m，距离墙边距离200 mm，两桥架中心距250 mm；排烟管道中心标高3.33 m；右侧有压管道管中心标高均为4.10 m，管中心距依次为200，200，150 mm，自喷系统管道和桥架之间的中心距为536 mm，最右侧自来水管道距墙边50 mm；两个重力流管道标高分别为3.6 m 和3.35 m；DN200 重力雨水管道和排烟管道之间的中心距为1022 mm，扣除管道宽度后侧边距离为522 mm，满足了后期施工不同专业之间可能造成的管道无法布置，上层管道没有施工操作空间和后期检修空间的要求；此处也是此类狭长空间复杂管路机电深化设计的难点。

2.3 标准区域2 管线综合排布

管廊标准区域2 的原始管线布置三维模型和剖面如下图8、9 所示。

图8 标准区域2 原始管线布置三维图Fig.8 3D layout of original pipelines on standard area 2

图9 标准区域2 原始管线布置剖面图Fig.9 Profile of original pipelines layout on standard area 2

从图中可以看出，和标准区域1相比标准区域2原始模型中走廊区的宽度较大为3047 mm，走廊内部不含排烟管道，没有最不利梁的干扰，但是机电管线设计时偏向走廊一侧管道分支较多，同样存在管线碰撞、没考虑施工操作空间以及管线系统较多杂乱无章的状况。标准区域2管综设计的难点是设有重力雨水管道、重力废水管道等不易翻弯处理的管道，管线众多以及需要设置综合支架，综合布置后的三维模型和剖面如下图10、11所示。

图10 标准区域2 管线综合排布三维图Fig.10 3D comprehensive layout of pipelines on standard area 2

图11 标准区域2 管线综合排布剖面图Fig.11 Comprehensive profile layout of pipelines on standard area 2

从图中可以看出，管综设计后的所有机电管线位于管廊中间，左右两侧留有施工操作和检修空间，整体分成上中下三层，顶层为桥架系统，底标高为4.05 m，中间为重力流管线管中心标高为3.8 m，下部为重力流管道，管中心标高为3.6 m；自喷喷头标高19.00 m（净高3.2 m）；同时管道之间预留一定距离，大管径按150 mm～200 mm 考虑，小管径按50 mm～100 mm 考虑。

3 局部复杂节点处理

在主干道标准区管线综合完成后仍需对局部复杂节点进行进一步深化，这些节点主要包括管线翻梁节点，管线转向节点以及干管和支管分叉节点等。梁下管道翻弯处理的难点在于翻弯后原来位于顶部的管道经常和底部的管道发生碰撞，这就要求设计师在一开始管线定位的时候就要考虑预留足够的空间距离，同时梁底要预留100 mm 的施工操作区域。标准区1 管线翻梁节点经优化布置后的三维模型如下图12 所示。

由图12 可见，最不利梁（500×1300）底标高为19.6 m，梁下净高仅为3.8 m，管线翻弯前后，桥架系统底标高由4.05 m 变成了3.67 m，同时避免了和下部排烟管道（底标高3.33 m）碰撞；消防和自来水管道系统管中心标高由4.10 m 变成了3.6 m 和3.7 m，同样避免了和下部雨水管道（管中心标高分别为3.60 m 和3.35 m）的碰撞。经三维模型分析，局部节点管线连接良好，未管线碰撞发生。

不同区域管廊的交接区也是管综设计的难点，此处管路连接复杂翻弯处理多，在管综设计时候尽可能按连续的“L”型设计，即管线转弯交接前后尽可能避免发生管线位置的改变。影院夹层走廊管线转向节点经优化布置后的三维模型如下图13 所示。

图12 管线翻梁节点三维图Fig.12 3D profile of pipelines over beam node

图13 管线转向节点三维图Fig.13 3D Profile of pipelines turning node

由图中可以看出，整个管路系统顶部布置桥架，排烟管路位于下侧，雨水管路位于内侧，消防管路位于外侧；重力雨水系统DN160 管路，考虑到右侧标准区1 布置要求，同时为避免堵塞，采用45 度弯头进行翻弯和转弯处理，管中心标高由3.60 m 降至3.35 m；桥架系统为了避免和消防管道系统碰撞进行了两次高度调整，由左侧标准区2 中的底部标高4.05 m 翻弯升至4.25 m 后又翻弯降至右侧标准区1 中设定标高4.05 m；有压管道系统中消火栓管路和自来水管道系统按连续“L”型布置，由左侧标准区2 中的底部标高3.80 m 和3.60 m 翻翻弯升至右侧标准区1 中设定标高4.10 m，自喷系统为了避免和消火栓管道系统碰撞进行了两次高度调整，由左侧标准区2 中的底部标高3.80 m 翻弯升至4.40 m 后又翻弯降至右侧标准区1 中设定标高4.10 m；经三维模型分析检查，此局部节点管线连接良好，未管线碰撞发生。

干管和支管分叉节点管综设计时首先考虑分支管廊内部的管线综合排布，并充分考虑到各种机电管道的引出位置和标高设定，避免重力流管道和桥架系统垂直翻弯。经分析，标准区2 分支管廊内部的引出管道主要包括桥架系统，消防管道系统和重力废水系统，结合主干道各种管道的分布，设计管线分成2 层布置，桥架系统位于顶部，设置底标高为3.60 m，其余管道系统位于底部，设置标高统一为3.45 m；考虑到主干道消防强电桥架和普通桥架的布置位置，设计桥架引出时，考虑普通桥架直接水平引出并翻弯至支线走廊，消防强电桥架主干道局部调整高度至4.25 m 再进行水平引出并翻弯至支线走廊；其余管道系统，为了防止管道集中布置施工操作空间受限，设计消火栓系统和自喷系统分别从上下两个方向引出至支线管路，消火栓管道系统位于支线引出侧，先水平引出一段距离并上翻弯至支线走廊管路标高3.45 m，自喷管道系统在主干道走廊处设置三通垂直往下引出至支线管路标高3.45 m；经三维模型分析检查，此局部节点管线连接良好，未管线碰撞发生。标准区域2 干管和支管分叉节点经优化布置后的三维模型如下图14 所示。

图14 干管和支管分叉节点三维图Fig.13 3D profile at main pipe and branch node

4 综合支吊架布置

支吊架按用途可分为活动支吊架和固定支吊架，支吊架系统设计是机电管线综合布置的一项重要任务，涉及机电工程各专业管线，设计时应依据主体设计单位机电专业的设计要求、管线综合情况、规范规定的各类管线间距要求、主体结构布置情况、现场空间以及施工方便等原则合理确定，管架的设置应满足管线的安装及拆卸要求。良好的综合支吊架系统不仅能够满足管线整齐美观的要求，还能在很大程度上节约施工成本，缩短施工周期，利用Revit 系列软件中的族编辑工具可以方便的管线支吊架进行建模，参照室内管道支架及吊架标准图集03S402 中有关规定[13]，对WD 广场项目影院夹层走廊管线支吊架系统进行优化设计，模型如下图15 所示。

图15 走廊管线支吊架系统模型图Fig.15 Models of gallery pipeline support and hanger system

5 结论

机电管线综合设计是保障机电管线施工质量避免各参建单位冲突的有利措施，也是机电安装工程施工策划的首要任务。地下室及走廊顶部往往是机电管线安装最密集、最复杂的区域，在进行管线综合设计时，需要遵循各方面原则，同时要考虑到建筑施工和结构安全等方面因素。狭长空间复杂管路区域管线综合设计过程复杂，对设计师的空间想象能力要求较高，精准的梁下净高分析是此类管线综合设计的关键，标准区域、复杂节点及综合支吊架系统是管线综合设计的重要内容，结合BIM 技术软件建立三维模型作为辅助[14,15]，往往能为设计带来很大的便利。