基于BIM技术的机电工程设计与交付研究

刘丽莎 ， 马茂源， 李 航， 贺提胜

(1.机械工业第六设计研究院有限公司GBIM工程实验室，河南 郑州 450007；2.国机工业互联网研究院有限公司 研发部，河南 郑州 450007)

设计企业传统上以图纸作为最终交付成果，目前已无法满足建筑业高质量发展的总体要求。尤其在多曲面造型、多功能空间、复杂管线的综合性建筑项目中，受限于传统点线面表达方式的局限性，常规建筑平立剖加节点详图的做法已无法准确地表达建筑体内部功能逻辑和交叉管线的确切关系，更无法满足工程建设中核心基础数据搭建的要求，为后期施工策划和建造带来了一定的困难。与传统的二维设计方式相比，基于BIM(Building Information Modeling)技术的设计表达具有可多方案论证、模型数据信息丰富、便于多专业协同工作和系统化集成设计等优势[1]。具体来说，BIM技术的应用让工程设计从传统的单一点线面绘图表达转变为富含建筑信息的可视化、参数化、模型化设计；从传统的工艺、建筑、结构、暖通、给排水、电气等各专业独自设计或文件级协同设计，转变为多参与方、多专业、图元级的实时协同工作；从传统的单层、分区域设计，转变为基于同一模型的并行协同设计；从传统的设计图纸、计算书等纸质文档交付转变为基于交付平台的模型、数据、文档的数字化交付。

本文基于BIM技术和编制国家、地方BIM标准的经验，研究BIM技术在机电工程设计与交付中的应用问题。

1 基于BIM技术的机电工程设计

1.1 协同设计

基于BIM技术的协同设计，能够将源自不同设计软件、不同专业的设计数据集成于同一设计平台，实现专业间、专业内的资料互提、文件校对审核等，支持建筑全生命周期的信息传递、共享和交换[2]。协同设计可有效改善资源、行为流程，改变交付成果的割裂状态，提升设计质量。

以Revit软件应用为例，协同设计通常采用工作集方式和文件链接方式。项目级的协同设计一般应以工作集方式对中心文件进行划分，要求工作组各成员在本地终端对服务器中的同一个BIM模型进行同步并行设计，并将阶段性设计内容及时同步到文件服务器的中心文件中。协同设计允许工作组的成员之间根据权限相互借用设计文件。基于同一项目模板文件、统一轴网和标高体系的文件链接方式，支持阶段性成果文件的链接。该链接方式简单、便捷，但因其链接模型一般不进行编辑，所以同步性、实时性较差。在实际项目中，这两种方式通常是并用的，专业内多采用工作集方式实时进行专业内各系统、各功能分区的协同设计，专业间则多采用文件链接方式[3]。

1.2 模型拆分和组合

通过模型拆分和组合，可建立清晰的层级和并列组织关系，更好地管理模型及其成果文件，实现数据的共享。

基于BIM技术，项目模型可从多种不同的角度进行分类，在专业协作时，按照专业协同的模型组合关系进行划分；在全生命周期管理时，按照工程建设阶段进行划分，以体现不同阶段的模型细节和数据完善过程；在基于模型的多场景应用时，应对同一建筑单体进行楼层、区域划分。

在项目实施过程中，应根据软件要求和应用场景，选择适当的拆分方式，以便以模型应用和协同工作为原则来构建合适的分工合作模型。项目模型的拆分与组合关系如图1所示。

图1 项目模型的拆分与组合关系

1.3 模型配色

模型配色即机电工程各专业模型的颜色设置，旨在为基于BIM模型的跨部门、跨阶段协同工作提供统一颜色设置的参考，方便设计人员快速识别，避免或减少混淆导致的错误。

在全生命周期应用管理时，各阶段模型应采用统一配色体系，以便参与项目的各方沟通协作。当机电设备归属一个专业系统时，模型配色应与其所归属专业系统的颜色保持一致；当机电设备归属两个及以上专业系统时，可采用设备本身材质或原色进行设置。各专业系统中涉及消防的相关管线及设备均应采用红色，以起到醒目警示作用。

1.4 模型编码

模型编码可实现物理实体、模型与信息的关联。在工程全生命周期过程中保持编码的唯一性和一致性，可保证信息从设计、建造到运维的有效传递，并为项目后续应用奠定基础。

模型编码的对象涵盖给排水、暖通、电气、动力等机电工程系统的设备及其管线。针对不同的应用场景，模型编码可分为空间编码、系统编码和设备编码。空间编码主要是针对模型中各物理空间按照层级进行统一标识，用于设施设备在所属空间的定位。系统编码是对设施设备所属专业系统及其子系统进行标识。设备编码主要用于区分设施设备所属类型，以便后续工程应用阶段设施设备的数据采集和维护。机电设备的模型编码示例如图2所示。

图2 机电设备的模型编码示例

1.5 管线综合设计

管线综合设计是BIM技术在机电工程中的典型应用之一[4]。管线综合设计应基于各专业模型来协调各种设备、管线与建筑结构构件的空间位置，遵循设计合理、安装可行、检修方便、运行可靠的基本原则，从全局、全阶段应用出发，综合考虑各种因素，使管线排布优化、空间位置协调、预留预埋和安装定位合理，按规范完成多专业综合设计工作[5]。

管线综合设计包括各子项管线综合设计、各子项主干管路支吊架模型设计、机电安装设备材料统计等。管线综合设计效果示例如图3所示。

图3 管线综合设计效果示例

1.6 综合支吊架设计

在机电工程设计中，对于管线繁杂、安装空间有限的局部区域，需要进行综合支吊架设计。综合支吊架设计包括：支吊架编码设计、支吊架布置、支吊架定位尺寸的标注和支吊架详图设计等[6]。

以Revit软件应用为例，平台只能手动放置支吊架，且无法支持支吊架的力学和详图生成。为此，应通过二次开发，采用综合支吊架设计工具来实现综合支吊架设计。首先，可根据Revit API，利用 Visual Studio开发工具，在C#语言环境下开发综合支吊架辅助设计工具；然后，采用有限元分析法，自动进行结构的受力分析；最后，将计算分析结果用于支吊架的选型，通过参数驱动实现支吊架的自动选型和布置。图4所示为综合支吊架详图示例。

图4 综合支吊架详图示例

1.7 预留洞口设计

为确保管线设备现场安装时能正常穿越楼板、墙体、屋面或结构构件，避免因预留位置不准确导致的返工问题[7]，可采用合适的软件工具，精确、快速地创建预留洞口；也可基于二次开发工具，进行预留洞口的自动生成和分类标注。

在Revit软件环境下，将土建专业模型链接机电设备模型，根据管线或设备穿越墙体或楼板时预留洞口的要求，能生成结构预留洞口，必要时可设置综合预留洞口，并在模型平面图上对洞口进行标注。预留洞口设计结果如图5所示。

图5 预留洞口设计结果

1.8 净空分析与优化

对空间狭小、管线密集和净空要求高的地下车库行车通道和入口坡道、货车通道、公用站房、走廊等区域，可通过BIM技术进行净空分析，量化机电工程净高控制方案，若发现不满足净空要求和美观需求的部位，则应进行机电设备和管线排布的优化[8]。例如，通过净空分析与优化，车位净空高度由3.20 m变为3.45 m(图6)。

(a) 优化前

(b) 优化后

2 基于BIM技术的机电工程交付

作为指导工程建设的唯一依据，传统二维设计模式的主要交付物是工程图纸。采用BIM设计模式后，交付成果的形式多样，除二维工程图纸以外，还包括模型文件、数据文件、多媒体文件等。

2.1 模型交付

采用轻量化平台进行机电工程BIM模型交付，能够解决传统工程交付中存在的数据不兼容、利用率低、可读性差等问题，保证机电工程项目各参与方基于同一模型环境进行的数据传递、共享和交换，实现轻量化的模型交付。轻量化模型交付界面如图7所示。

图7 轻量化模型交付界面

2.2 模型出图

目前，图纸不但仍然是表达设计意图和设计结果的重要途径，而且是施工安装的重要依据。为保证专业图纸具有统一的数据源，可直接由模型及模型视图生成二维图纸。基于三维模型的二维出图方式能保证专业内平立剖图、系统图、详图等表达的一致性和及时性，消除专业间设计冲突与信息不对称的情况。

以Revit软件应用为例，为提高出图表达效率，可借助Revit API进行二次开发出图、标注和算量，实现管线综合设计图纸、特殊部位设计图纸等的快速表达。图8所示为给排水系统的BIM模型。

图8 给排水系统的BIM模型

2.3 碰撞检测与漫游浏览

基于各专业模型，可进行专业内、专业间冲突和碰撞的检测，并形成检测报告。该报告的内容主要包括模型检测版本、检测规则、检测范围、碰撞位置、问题描述和优化调整建议、检测日期等。

基于BIM技术的模型漫游是指结合虚拟现实(VR)技术，为各参与方提供身临其境的视觉、空间感受，并辅助完成多方案比选、可视化设计交底和可视化校审。在机电工程项目中，结合项目关注重点，如管线错综复杂区域、净高特殊要求区域、特殊构造区域，通过直观浏览视频，由多参与方全方位地对项目进行细致的把握。

3 结束语

随着行业的发展，传统机电工程设计和交付领域所应用的二维图纸已无法满足需求，应用BIM技术能很好地实现基于模型的协同设计、管线综合设计、支吊架快速自动生成，以及基于模型的出图、工程数字化交付等。BIM技术为机电工程设计与交付技术的发展提供了有力支撑。