基于BIM参数化的室内空间净高优化方法

范冰辉，孙 绮，陈 铿，张岩清，黄向宁

(1.福州大学 土木工程学院, 福建 福州 350108； 2.福建青云季建筑科技有限公司, 福建 福州 350004)

随着经济发展和建筑行业的不断革新，为满足用户各种功能需求，建筑空间内水、电、暖、消防、空调、通风等专业的管道及设备日趋复杂，建筑结构形式也日新月异，使得建筑室内空间、特别是净高受到了较大的制约[1]。净高不足会影响住户居住的舒适程度和室内的采光以及通风系统，导致室内气氛压抑、环境不佳，造成居住者感官上的不适。为了解决室内空间净高不足，方案设计中经常不得不提高建筑楼层的高度，但会大大增加工程的造价，无法充分利用建筑资源[2]。

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)技术由美国科学家Eastman于1975年建立的BDS系统的理念发展而来[3]；应用至今，BIM技术以其可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点而得到土木工程领域越来越多的认可[4]，目前在设计与施工阶段均得到了广泛的应用[5]。为了提高建筑设计的效率，林耀等利用BIM的协同设计管理，分专项建立管线的三维立体模型，对现有管线设计进行初步碰撞检测，为后续开展室外综合管线正向设计提供指导[6]；王成武等以海南软件园酒店项目为例，通过 BIM 系统建模优化原始平面设计，进行碰撞检查、管线综合优化调整及漫游和净高检查，建立机电模型构件的施工标准，提高施工质量[7]；漆丽英等从BIM软件的全面碰撞检查、解决楼层净高瓶颈、三维审图等方面改进了Revit 本地化，提高了易用性和翻模的效率，结合设计流程提供了多种批量建模及管线综合调整方面的功能[8]。

总体而言，在辅助设计中，BIM在对机械、电气及管道(MEP)的碰撞检测和排布优化设计上的应用目前已经比较成熟；利用 BIM 三维软件预先确定各管道与建筑结构的相对空间位置，或在软件中预先标定最低完成面，形成紧凑的空间，可以获得最佳的净高[9]；这也成为BIM技术在设计阶段的主要应用点之一[10]。然而基于机电管道碰撞检测的结果进行净高分析和优化时，由于BIM软件自身无法直接实现自动化的空间净高检测，而需依靠设计师经验判断和人工操作方式对模型进行逐步剖切、测量和分析，效率低、准确性和全面性差[11]，导致BIM技术的价值难以得到完全发挥，影响了建筑净高设计的效率；而这方面的研究还较为欠缺。为此，本文引入Dynamo参数化原理与可视化编程，与BIM平台较为成熟的Navisworks碰撞检测相结合，建立建筑净高二次优化方法，以期提高净高优化和MEP设计的效率。

1 影响空间净高的主要因素

部分建筑净高要求如表1所示[12]。由图1可以看出室内净高的决定因素如下：

(1) 层高：这是基础因素，显然只有较高的层高，才能提供较高的净高。

(2) 梁板厚度：这是占用层高空间的因素，一般根据开间跨度在600 mm～1 000 mm之间。

(3) 水，电，空调管线占用净高：主要占用梁下空间，科学的设计中可以合理安排多种管线的高度关系，部分可以穿过或绕过梁进行排布，这一因素一般占用100 mm～500 mm。

(4) 吊顶系统：根据吊顶系统的不同，如实吊顶系统会比中空的吊顶系统占用的空间大，一般在50 mm～100 mm之间。

表1 不同建筑类型的空间净高要求

图1 空间净高影响因素分析

在方案设计既定的楼层高度前提下，为了解决室内空间净高不足，实践中的做法有减小结构构件的尺寸，例如梁的高度、楼板的厚度，但这会造成结构承载能力降低；或在梁构件上开洞穿管，缩小管线所占用的高度，但这会削弱构件截面、也影响结构安全性。这样，通过机电管线综合设计和管线二次排布优化，就成为最经济可靠的增加净高的途径。

2 基于BIM参数化的室内净高分析方法

2.1 Dynamo参数化编程

Dynamo是一款基于BIM平台的功能强大并且简单易用的参数化、可视化编程插件，使用连线连接多个计算模块，用于定义逻辑关系和创建算法，在3D空间中生成几何图形和处理数据，就能建立解决问题的程序[13]；定义控制参数之后，遵循变量流入流出的逻辑，使其设计的程序成为一张流程图；很多大批量、重复性和机械化的工作可以交给软件自动处理。因此，Dynamo可以实现模型的净高分析、参数化建模、批量处理模型信息等[14]。基于Dynamo可视化编程平台，结合Revit二次开发技术，可实现基于BIM的净高快速调整优化。

2.2 净高优化策略

(1)智能拾取空间净高方法。智能拾取空间净高的Dynamo流程参见图2。首先需要对内部不同需求的空间进行划分和定义，然后读取每个空间所在位置的标高，并对每个空间内部的管线进行拾取，以获取顶部天花板与所在空间最低点之间的值，通过空间整体标高与之前所求最低点与顶部天花板之间的差值，来获取到所得空间真正可以利用的空间净高。其涉及的关键节点如表2所示。

图2 基于Dynamo的净高计算流程

(2)净高优化流程。净高优化主要步骤如下(见图3)：

1) 三维立体建模。利用Revit建模技术将2D CAD图纸转变为3D立体模型。

2) 初步管线优化。将建立的3D管线模型导入到Navisworks平台中，对其进行碰撞检测，基于碰撞检测的结果和管线排布原则，对各空间碰撞节点进行初步优化调整，得到符合设计要求的室内空间。

3) 二次净高优化。智能拾取第2)步初步管线优化后的净高数据，跟目标净高进行对比、反馈；如果未达到目标要求，则重复第2)步工作，然后再智能拾取管线优化后的净高数据，直至达到目标净高。

3 某高铁站空间净高的实证分析

某高铁客运中型站房，站房主体结构为钢筋混凝土框架结构体系，站房主体屋面为网架结构；站内有7条高铁线，3个站台，最高聚集人数为4 000人。站房主体结构地下一层，地上两层(局部三层)，地下一层层高6.5 m，地上二层层高分别为8.6 m、4.8 m，建筑高度为33.8 m，站房总建筑面积为29 999 m2。其地下一层空间分布复杂、设备管道众多(见图4)，并且由于高铁站特殊的使用性质，对净高有着较高的要求。为此，引入净高优化方法进行分析。

表2 关键节点的使用

图3 建筑空间净高优化具体流程

图4 高铁站地下一层平面图

(1) 土建、机电模型。机电模型包含给排水设计、排风系统、消防系统、喷淋系统。给排水系统包括加压泵，给排水管道。消防系统包含水箱，管道，泵房及消火栓。喷淋系统包括喷淋泵，喷头，水箱以及报警系统。通风系统包括组合式空调器，双速风机，消防排烟风机，风幕机及风管等(见图5)。

图5 某高铁站BIM模型

(2) 初步管线优化。将机电模型导入到Navisworks中进行管线的碰撞检测，完成建筑项目设计图纸范围内各种管线布设与建筑、结构平面布置和竖向高程相协调的三维协同设计工作。共检测出59处碰撞节点，其中包含的主要碰撞类型有：管线与管线之间的交叉碰撞，管线与消防栓，地漏等硬件设施之间的碰撞等(如表3所示)。例如，风管与水管在该处发生碰撞，需调整管道的避让，根据“小管让大管”、“水管避让风管”等原则，调整水管位置，向上弯曲于风管上方经过，解决碰撞(见图6)。

(3) 净高分析与优化。将整体模型载入到Revit中，采用Dynamo净高算法对其净高重新进行检测，得到优化后的净高检测结果，对数据中不符合室内空间净高要求的房间进行二次优化。按照图3流程，根据优化后各专业机电综合Revit模型，筛选出模型中的管线与房间，读取房间的标高和边界，找到与房间边界产生交叉的管道，读取其底部标高，与对应房间的标高做对比，得出房间净空高度，并将净高数据输出到构件属性上。接着，优化机电管线的排布方案，对最终的空间进行检测分析，并给出最优的净空高度，以符合业主的要求和《铁路旅客车站设计规范》[15](TB 10100—2018)。

表3 管线碰撞检测结果(部分)

图6 初步管线优化

运行Dynamo智能拾取模块，得到房间净高明细及房间布局如图4所示，净高不符合要求的房间会以红色或黄色显示在模型上，可见本模型中水泵、旅客服务及售票用房净高均不符合要求。调整方法如下所示：首先排水管走梁底应尽可能贴近，其次是考虑风管，风管在水管之下，在留足检修口的前提下尽可能贴近梁，以保证天花高度整体提高；最后是考虑桥架等管道，布置可较为灵活，可翻转弯曲等方式避开风管走线。经优化后的净高明细如表4所示，此时已满足业主需求，通道管线净高3.7 m，商业店铺净高3.9 m以上。

表4 主要空间净高优化比较 单位：mm

生成优化后的管综模型及输出的管综剖面图如图7所示。

图7 净高优化后管综模型

4 结 语

室内综合管线排布很大程度上影响了建筑空间净高，导致空间无法充分利用而造成浪费。为提高建筑空间净高优化的效率，在现有的BIM技术应用于室内综合管线综合设计和碰撞检测的基础上，引入Dynamo可视化编程建立了净高参数化优化方法，并结合管线排布原则进行二次优化，直至达到符合要求的最优化净高。对某高铁客运站应用该方法，结果表明BIM参数化检测和分析流程能够高效准确地提供净高数据，充分发挥了BIM技术在建筑空间设计中的辅助作用，从而在原有楼层高度的基础上达到了充分利用空间的效果。