BIM技术在医院建筑管线综合设计中的应用——以孙逸仙心血管医院为例

吴京戎 姜金延 熊能超

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)

引言

BIM 技术通过三维的共同工作平台以及三维的信息传递方式，可以为实现设计、施工一体化提供良好的技术平台和解决思路，以解决目前的协调性差、整体性不强等问题。利用计算机建立BIM模型，可以对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑施工管理信息、以及设备等各专业相关数据集成与一体化管理。BIM技术可以在设计阶段进行各专业间的碰撞检查，深化设计，避免施工阶段存在无效的返工和材料的损失，进而有效控制工期，节约成本，提升建筑的综合效益。把BIM技术的管线综合应用到项目中，快速定位管线的碰撞和管线与各专业间的碰撞，导出碰撞点，分析并解决问题，可以提高各专业间的协调效率。

对于BIM技术在管线综合设计中的应用，马跃构建适用于机电管线综合排布的模型标准框架，进而完善净空漫游运算环节，促进机电工程设计—施工管理技术的发展[1]。王欣睿从管线综合设计原理出发，利用BIM技术在碰撞检查、优化设计、解决净高、验证复杂空间、三维交底5个方面的优势，分析BIM作为辅助设计的重要性[2]。杨红岩等结合实际的项目案例，采用BIM技术进行管线综合，高效地解决了机电管线综合各专业间的冲突，深化设计任务繁重、后期大量返工等不利因素[3]。藏少君以典型的物流传输系统为依托，进行实地参观调研、资料收集、整理、总结和分析，总结出医院物流传输系统的建设模式以及相关技术设备要求[4]。

可见，基于BIM的机电工程的管线综合在设计阶段就要考虑到机电专业与其他各专业间的专业协同的问题，其中主要是管线碰撞、净空协同的问题。提前利用BIM技术进行优化设计，精细化排布，管线综合排布可以达到最大程度节约空间和高效施工运维的要求。特别是医院这种运营以后人员密集的场所，对于管线系统的精密性、复杂性和特殊性有更高要求，尤其是轨道式物流传输系统和通风系统需要考虑到一些特殊管线设备的排布如轨道小车、排风机房和冷冻机房等，使这些管线设备融合到整个机电的管线综合系统中，达到最优的管线综合排布，最终提升其综合效益。这就需要BIM技术在机电工程的管线综合设计流程方面更具有合理性和标准性，使管线综合在后期整个工作过程中达到医院使用的要求。鉴于此，本文通过分析已有成果和文献，结合实地调研，以孙逸仙心血管医院为例，对BIM技术在医院建筑管线综合设计中的实际应用、技术要点和难点进行分析，以期为后续BIM技术在类似项目中的应用研究提供参考。

1 孙逸仙心血管医院项目概述及管线综合设计难点

1.1 工程概况

深圳市孙逸仙心血管医院项目地址位于深圳市南山区朗山路，总建筑面积8.8万多m2，主要包括新建医疗综合楼1栋，地上20层，建筑高度93.15 m，新建行政办公楼1栋，地上6层，高度32.95 m。本项目含有智能化、消防、净化空调、机械停车库、医用气体、垃圾收集、核辐射防护、信息物流传输等多种功能，是一所设施完善的综合性高等级医疗建筑。其中心血管内科和大血管病外科目前在华南地区处于领先地位，心脏移植手术成功率达国内外先进水平。

1.2 管线综合设计难点

(1)管线综合难点

医院为了优化其运作模式，提高医疗的服务质量，降低医院的运营成本，引进了轨道式物流传输系统(Track Vehicle System)，即利用物流小车在专用轨道上传输物品的系统。如图1所示。此系统占据了一定的建筑空间，轨道系统是在吊顶的下方，对天花板高度要求比较高。为了让天花板内部的各种管线和物流轨道用更加合理的方式排布，使整个空间显得简洁美观，保证轨道安全使用，建筑设计必须预留足够的使用平台和洞口，物流洞口都需要设置防火装置。基于BIM技术的管线综合可提前模拟轨道的走向，优化错综复杂的管线和物流轨道的排布，降低物流轨道系统对功能布局产生的影响。

医院属于大型建筑物，结构复杂，隔墙众多，导致建筑内部通风不畅，必须将室外新风通过风机送入建筑内部，并将建筑物内的空气排出。医院属于人员密集场所，对场所内空气洁净度的保持要求较高，而排风机房排风管尺寸较大，管道错综复杂，借助BIM技术可提前进行排风机管线的设计，优化敷设方式，避免翻弯过多，从而影响到风管风压，保证整个排风机房的运作效率。如图2所示。

图2 排风机房风管

(2)净空协同难点

医院建筑作为专业性较强的建筑，在有限空间内需满足特定区域功能需求，协调净空高度。如医疗功能区域的净空协调、管井烟道的位置确定、车道净高的确定等，需根据不同需求具体分析，合理协调各空间位置和净高。通过BIM技术进行医疗空间区域分析、管烟井道位置分析、设备管线综合分析、车道净高分析，按照医疗综合楼部分净高标准进行控制，如表1所示，可以保证净空达到医院建筑标准，解决净空协同问题。

表1 医疗综合楼部分净高标准

(3)信息管理难点

医院建筑这种大型项目从立项开始，到设计、施工乃至运维每个阶段都会产生大量的数据信息，为了能保证数据信息的完整性、连续性、系统性以及可共享性，通过BIM技术的全过程参与和信息集成，在管线综合设计阶段可以进行工程量统计和构件信息共享，结合其他技术如RFID可以衔接施工生产阶段，做到信息管理一体化。

2 BIM技术在管线综合设计中的应用方向

项目采用Revit、Navisworks、Lumion、Auto CAD、3d Max、BIM 5D管理平台等软件进行全专业BIM模型的搭建及应用，通过软件碰撞检测和漫游等功能快速导出碰撞点并优化，反复检测修改后得到施工模型。整个BIM技术的应用流程图如图3所示。

图3 BIM技术的应用流程图

医院建筑管线工程综合设计原则：小管让大管，小管绕弯容易，且造价较低； 有压管让无压管，无压管改变坡度和流向，对流动影响较大； 分支管让主干管，分支管的影响范围和重要性不如主干管； 低压管让高压管，高压管造价高，且强度要求也高； 金属管让非金属管，金属管易弯曲、切割和连接； 阀件小的让阀件多的，考虑安装、操作、维护等因素； 可弯管让不能弯的管等[5]。

医院建筑BIM管线综合设计流程为：用二维软件CAD得到初步设计图，各专业人员集中在一起进行图纸会审，把审查过的图纸移交给BIM设计团队，利用Revit软件创建出各个专业的模型，进行Revit MEP管线综合设计，特别是物流小车轨道走向对净空要求比较高，须保证在行径的过程中不会发生和其他管线或结构的碰撞； 医院手术室CCU等为Ⅰ级洁净手术室，具有独立的净化空调系统优化送风口和过滤器的位置，需要考虑与整个机电系统的协调； 每个设备的大修、日常维护需要拆卸的检修口的具体位置需要准确定位，便于后期的维护。把得到的模型导入Navisworks软件进行碰撞检测查找出碰撞点，结合Lumion软件做虚拟动画漫游进一步检查各个物体的空间关系[6]。快速进行模型的调整和图纸的优化设计，直到达到设计的标准，进行管线综合成果图的输出。基于BIM的管线综合设计路线流程如图4所示。

图4 基于BIM的管线综合设计路线流程图

2.1 碰撞检测

医院建筑图纸会审合格后创建出各个专业和系统的模型，如本机电项目共有水电、空调、智能化等12个系统，包括医疗智能化系统、医用气体系统等特定系统，加上土建结构共建模13个系统，对两栋建筑23层全面进行设计深化，利用NavisWorks软件对10多种系统类型管线进行碰撞检测[7-8]。发现医疗综合楼标准层以下每层7 840多个碰撞点，标准层每层1 210多个碰撞点，碰撞点如图5所示，按吊顶高度、安装操作、运行功能、维护检修等要求全面综合进行了调整，满足了各项要求，解决了管线设计难题。

图5 碰撞点示例

2.2 净空分析

医院室内的空间较少，管线和设备居多，医院的轨道物流系统、上下三层的地下机械停车库、排风机房风管和车道桥架布局等对室内的净空要求比较高。利用BIM技术分析出管线净空存在的问题，根据所建的模型找到解决净空问题的处理策略,如图6所示。不仅需要考虑到自身的排布规则和方式，还要考虑到后续的施工空间，使用过程中的维修空间等因素。在设计阶段就需要考虑到模型的精细度和施工的方便可行性，从而解决净空协同问题。医院建筑属于人员流动性较大的建筑，“停车难”的现象尤其突出[9]，通过引入立体机械停车库设计来达到医院建筑的使用需求。机械停车库采用全钢架结构，如图7所示，上下三层，增加了空间，先后运用BIM技术，提前发现空间高度不够的位置，报审设计院修改，避免后期施工阶段返工。车道一部分净高只有2.475m，由于车道为螺旋弧形，按设计安装部分管道底部标高只有约1.9m，无法保证2.2m的最低标高，通过BIM技术提前预知并进行深化设计，如图8所示，车道净高问题得以解决。

图6 净空分析及处理策略流程图

图7 机械停车库示意图

图8 车道深化设计示意图

2.3 管线综合排布优化

传统的管线综合设计是以二维图纸为基础，在CAD软件下进行各系统叠加。施工人员凭借自己的施工经验对管线进行排布与调整，并以传统平、立、剖面形式加以表达； 在三维环境下，可以查看模型中任意角度，特别对于管线布置纵横交错，设备复杂位置的项目来说，通过Revit Mep深化后出施工图纸，能提高施工效率[10]。

在保证满足设计和使用功能的前提下，管道、管线尽量暗装于管道井、电井内、管廊内和吊顶内。而本工程排风机房排风管尺寸较大，管道较多，通过应用BIM技术，优化风管敷设，避免管道过多翻弯，影响风管风压，达到合理化，如冷冻机房管线深化，如图9、图10所示。物流轨道的需要穿过水平方向的墙体，因此需要预留洞口，BIM软件可以直接在模型中预留洞口，精准定位洞口的标高和尺寸，方便后续的施工。物流轨道垂直方向可以直接通过电井来进行布置，节约了空间，但需要考虑到轨道小车在电井内的运行空间，把物流轨道当成一种管线，利用BIM技术可以更好地进行优化设计。

图9 冷冻机房管线深化效果图

图10 冷冻机房管线深化出图

结合施工现场的经验，还要考虑到管道是否要保温、安装空间、天花高度、管材行驶，不同的管材，厚度不同，占用的空间也不相同。为了提高施工的效率，未来的支吊架更多会转变成综合吊架。做到管线综合现场施工经验和BIM技术的融合，不再是停留在纸上谈兵的阶段，落实到实际中，使做出的管线综合的方案是可行的[11]。

利用Lumion软件制作三维动画，机械停车库、车道视频漫游等全面展示设备、管线、建筑结构的位置、轴线标高关系，有助于项目管理人员掌握整个工程的空间关系。

最后进行成果图输出，包括①三维图； ②局部大样图、剖面图； ③支吊架④安装顺序⑤工程量清单等，如图11。

图11 施工成果图

2.4 信息统计和追踪查验

利用BIM技术对管线综合的信息集成，导出管线构件的工程量统计，如图12所示，可与投资监理统计的工程量清单进行对比修正，为招标预算提供数据基础[12]。将管线构件进行精细化和标准化管理，并结合RFID技术和GPS技术衔接后面的生产施工阶段，实现全过程一体化管理。

图12 工程量统计图

3 BIM技术在管线综合中的应用启示及建议

通过上述分析可以看出，对于医院建筑这类结构复杂、管线排布精密的特殊项目来说，BIM技术在三维管线综合应用的实施要点、注意点体现在：

(1)管线碰撞。由于医院建筑管线综合中管线的设计排布较为复杂，通过BIM软件创建各专业三维模型，初步可观察机电系统的空间排布，再通过模型整合，对专业协调的结果进行全面检验，能重点考量专业间的碰撞冲突、净空要求、高度方向上的碰撞问题。通过全面检测管线之间、管线与土建专业之间的所有碰撞问题，得到详细的碰撞检测报告，在专业人员的调整下，减少或消除所有的管线碰撞问题。

(2)净空分析。由于医院建筑需在有限空间实现更多功能需求，在对管线的标高和位置进行精确定位时，需注意车道桥架布局、轨道物流小车、排风机房风管等重要部位的走向、标高、层次关系的协同设计，以及安装的空间、管材的形式和天花板的高度等易忽略的要点，同时通过楼层净高的分布状态，定位出影响净高的瓶颈位置进行优化设计，特别是医院建筑中的轨道物流系统、三层机械停车库等，可以准确控制净高及吊顶的高度，对物流系统的轨道排布和走向更具有指导意义。

(3)信息管理。由于医院建筑的管线设备数量众多、工序繁杂，对管线信息进行统计和保证设计、施工等各阶段的顺利衔接尤为重要。通过BIM模型集成各种管线和设备的信息数据，应用相关插件可快速精确统计设备和管线的工程量，提高准确性和便捷性。将管线构件信息化，再结合RFID技术和GPS技术，可实时跟踪和查验各构件情况，做到管线综合设计、生产、施工和运维一体化，优化项目整体建设进程。因此利用BIM技术进行管线综合设计，从技术上解决了传统管线综合中面临的结构性问题，充分发挥信息化优势，也显著提升管线综合项目的综合效益，为后续类似项目提供参考价值。

4 结语

本文所研究的医院项目属于大型复杂的工程项目，特别是在机电系统涉及到的管线综合部分，各种管线错综复杂，种类繁多，采用BIM技术来进行三维的管线综合设计能带来明显的优势和意义[13]。通过利用BIM技术对孙逸仙心血管医院中的管线综合进行施工流程、重点、难点技术交底，可知BIM技术在本项目中的碰撞检测、净空分析和信息统计这三个应用点效果最为显著，且对于医院建筑特有的特殊设备的深化设计和综合排布有突出的优势，尤其是利用BIM技术对医院新引进的轨道物流系统、三层机械停车库等进行优化设计，对车道桥架布局、轨道物流小车、排风机房风管等重要部位的走向、标高、层次关系进行重点关注，使其能合理融入到整个机电系统中，为医院的高效运转提供了保障。与传统管线综合对比，BIM技术的应用要点体现在管线碰撞、净空分析和信息管理，合理应用BIM技术进行综合管线设计能够显著提升项目综合效益，也为后续研究BIM技术在同类型工程项目中的实际应用提供了参考价值。