BIM技术在高层建筑给排水设计中的应用

程建荣

（潍坊市政府性投资审计中心，山东 潍坊 261041）

随着建筑行业的不断发展和数字化转型的不断推进，BIM技术逐步应用于高层建筑领域。它不仅能在建筑设计与施工阶段实现全流程数字化管理，更能为高层建筑的给排水设计提供全新的视角与方法。将BIM技术与现有的建筑设计流程相融合，构建一个高层建筑给排水设计的BIM模型，以此优化设计方案、精细化控制施工过程以及后期运营维护的智能化管理。在高层建筑给排水设计的过程中，借助BIM技术优势，为建筑团队成员提供了一个高效便捷的协作平台，使其可以在设计阶段对各种设计方案进行多维度评估与优化，为高层建筑的给排水系统提供最佳解决方案，更好地满足复杂建筑项目的需求，确保高层建筑的安全性、高效性与可持续性发展。

1 BIM技术在高层建筑给排水设计中的应用可行性

BIM技术是建筑信息模型技术，在高层建筑给排水设计中具有显著的应用潜力，可以提高设计和施工的效率，并减少潜在的施工问题。在高层建筑给排水设计中，BIM技术的可行性主要有以下几点。1）立体模型：BIM技术通过创建精确的三维建筑模型，为工程师提供了一个更直观的设计视角。在传统的设计方法中，工程师根据平面图和剖面图理解给排水系统的布局，容易导致设计错误。而BIM技术的立体模型便于工程师查看管道、设备和管线的位置和相互关系，更好地理解整个系统的构造，提前识别问题。2）协同工作：高层建筑项目的团队通常涉及建筑、结构工程等多个领域的专业技术人员，BIM技术提供了一个共享的工作平台，促进成员间的协同工作。各专业领域的成员可以同时在同一模型上工作，并及时共享信息和反馈，从而提前发现潜在的冲突，确保高层建筑给排水设计的协调性。3）碰撞检测：BIM软件的碰撞检测功能是高层建筑给排水设计中的一项重要利器。它可以在设计阶段自动检测可能存在的冲突，例如管道与结构元素间的干涉，可以减少施工过程中的问题，避免在施工现场进行紧急修复工作，节省了时间，从而提高了整个项目的效率[1]。4）可视化模拟：BIM技术不仅可以建立静态的建筑模型，还可以模拟不同排水方案的效果。工程师可以使用BIM软件来模拟排水管的坡度、容量和水流模拟，以评估各种设计选择的性能，有助于确定最佳设计方案，保证排水系统在实际使用中的高效性和可靠性。

2 BIM技术在高层建筑给排水设计中的具体应用

2.1 信息收集

首先，通过地理信息系统（GIS），获取项目区域的地形和地下管道信息，以决定排水系统的位置和路径。通过与建筑师或建筑设计团队合作，共享现有的建筑图纸和文档，例如建筑平面、立面和截面图。其次，在建筑物内或外部安装激光扫描仪设备，安装位置应易于访问，避免将设备安装在高处、危险区域或阻碍通行的位置，以便施工人员能够轻松地进行设备设置和监控扫描进程[2]。配置激光扫描仪的扫描分辨率为5mm，扫描密度为600点/m2，保持扫描范围为水平360°，垂直±90°，保证点云数据的质量和密度。将激光扫描仪采集的点云数据，以点的三维坐标（x、y、z）的形式存储在计算机或数据记录设备中。最后，使用Autodesk Recap软件对采集的数据进行处理，通过ICP（最近点迭代）算法将多个扫描位置的数据融合成一个坐标系，以实现点云配准。计算过程如公式（1）所示。

式中：T为变换矩阵；pi为参考点云中的点；qi为目标点云中的点；d（pi，qi）为距离度量；||T·qi-pi||为经过qi变换T后与pi间的距离。

通过最小化点云间的距离找到最佳的刚性变换T，使目标点云qi经过变换T后与参考点云pi尽可能接近，从而集成不同数据源的信息，更好地表示高层建筑物的整体结构和形状。使用密度滤波，调整点云数据的密度，在需要更详细信息的区域增加点的数量或在不需要的区域减少点的数量，提高基础数据的准确性和质量。此外，还应收集有关现场已有管线、电缆和通信线路等基础设施信息，避免潜在的冲突的同时，优化资源利用，确保给排水系统能顺利安装和运行。

2.2 创建BIM模型

由于高层建筑对管线综合协调空间的要求很高，传统CAD二维制图较难满足项目要求。因此，选择Revit软件作为BIM工具，将点云数据导入BIM项目中，使用Revit建模工具迅速生成创建高层建筑基础三维模型，包括建筑结构、外观、屋面和幕墙等元素[3]。在基础模型中添加排水管道、排水口、污水处理设备、水泵和水箱等给排水系统的元素，确保这些系统元素与建筑的结构和空间布局相协调。BIM模型创建流程如图1所示。

图1 BIM模型创建流程图

使用Revit参数化建模功能，精细定义管道流量、水力坡度等给排水系统的关键参数。为确定管道的尺寸和流量，计算水力坡度S的过程如公式（2）所示。

式中：S为水力坡度；h1和h2分别为管道的起始和结束高程；L为管道长度。

水力坡度决定了水流的速度和流向，足够的坡度可以确保水在管道中流动，避免积水和排水问题。通过计算水力坡度，确保管道系统能够满足设计要求，防止漏水或水压不足，从而顺畅地运输水或废水。使用Manning方程计算自由流条件下的管道流量，如公式（3）所示。

式中：Q为流量，s/m³；n为粗糙度系数；A为管道的横截面积；R为水力半径；S为水力坡度。

通过确定管道系统的能力，细化给排水系统设计，确保其流量够大，以满足设计中的预期水流需求，自动化高层建筑给排水设计。利用Revit关联性功能，生成给排水管道连接件、变径、转弯等需要预先设置的构建类型，将排水系统的元素与建筑模型的其他元素（例如楼板、墙壁）正确关联，保证一致性。针对给排水管道专业的需求，使用Revit的规则和筛选功能，根据管道的属性值建立颜色编码规则，蓝色为冷水供应管道，红色为热水供应管道，绿色为排水管道，黄色为特殊流体或废水管道，从而在模型协调过程中提供更多信息[4]。此外，根据实际需求控制管道的可见性，以便在设计过程中有选择地显示或隐藏特定管道。生成的三维模型及点云数据以LAS、PLY、OBJ等格式输出，以供建筑设计、分析、可视化或其他应用使用。使用Revit的协同工作功能，允许多个团队成员同时通过Revit客户端或Revit云端访问中央模型，编辑和查看模型的特定部分，确保其他部分不会被同时编辑，以保证BIM模型参数的正确性。

2.3 管线避让优化

不同管线的重要程度、功能存在较大差异，因此管线避让优化是高层建筑给排水系统设计方案优化的关键步骤之一。在建立完整BIM模型的基础上，根据建筑结构和管道系统的特点，利用BIM坐标识别可能存在冲突的水平、垂直和立面方向的潜在交叉点以及可能受到影响的梁、柱、墙等建筑元素。如果坐标系不匹配，就需要执行坐标变换，使其转化为相同的坐标系，计算过程如公式（4）所示。

式中：∂为新坐标，即冲突点的新位置；β为旧坐标，即管道或建筑结构原始位置的坐标；为平移矢量，描述坐标移动的方向和距离。获取潜在交叉点后，借助设备重要性的定量分析以及设备可靠性的概率评估，确定管道系统的优先级，计算过程如公式（5）所示。

式中：φ为管道系统的优先级评估分数，用于确定管道避让路径；i为设备功能重要性，表示设备在给排水系统中的关键程度；q为设备在运行过程中的稳定性和可靠性；W1和W2为权重因子，用于平衡设备重要性、可靠性和冲突风险在评估中的相对重要性；c为管道系统与其他建筑元素间的冲突程度。根据高层建筑给排水系统的管道特性和优先级，精细化设定避让策略，以确保管道能够顺利穿越或绕过其他建筑元素[5]。避让指数ω的计算过程如公式（6）所示。

式中：Dp和Ds分别为管道和建筑结构元素在水平方向上的宽度或直径；Lp和Ls分别为管道和建筑结构元素在水平方向上的长度；Rp和Rs分别为管道和建筑结构元素在垂直方向上的高度和半径。通过综合考虑管道和建筑结构元素的尺寸、长度和高度，确定避让策略的具体数值，使管道能够在与其他建筑元素的冲突中获得足够的空间，同时最小化对给排水系统的影响，从而为高层建筑的安全运营奠定基础。

2.4 管线碰撞测试

在高层建筑的设计和施工过程中，给排水管线的规划和布局是至关重要的。一旦管线的设计出现问题，就会导致严重的施工延误、运营问题，甚至存在安全风险。因此，在管线设计和布局的各阶段都需要进行碰撞检测。在完成管线避让优化后，使用冲突检测的三维空间距离公式，获取三维空间的物体间距离d，如公式（7）所示。

式中：x1、x2为在x轴方向上的坐标；y1、y2为在y轴方向上的坐标；z1、z2为在z轴方向上的坐标。如果计算的距离d小于预先设定的容差值，就表明存在潜在的碰撞点。导航至Revit的“协作”或“查看”选项卡，选择“碰撞检测”工具，启动碰撞检测工作流程。管线碰撞检测流程如图2所示。

图2 管线碰撞检测流程

为能可视化冲突点，利用Revit的自动标记功能，对涉及冲突的对象进行高亮度显示。汇总各管线的设计方案，通过重新布局管线、调整管道尺寸或者重新设计建筑元素等修正步骤，生成最终的高层建筑给排水系统设计方案，以便施工人员及时对施工图纸进行修改，避免施工或运营阶段出现管道穿过梁、柱或墙体等情况，保证高层建筑的给排水系统设计具备高效性和可靠性。

2.5 正向设计分析

在高层建筑给排水设计中，正向设计分析是BIM技术应用的最后一步，有助于工程师在设计初期就评估系统的性能，以便做出优化和改进。当建立性能模拟时，边界条件定义了系统的入口点和出口点，初始状态以及外部影响[6]。在给排水系统的性能模拟中，基于标准条件（20°C和1kPa），定义流体的密度、黏度等属性，用于初步设计和性能模拟。高层建筑给排水系统的流体（水）属性表，见表1。

表1 高层建筑给排水系统的流体属性表

确定系统在模拟开始时流体的初始速度、温度和压力分布等初始条件以及周围环境的温度、湿度、大气压力等外部边界条件。例如，确保初始边界条件与实际系统的状态相匹配。验证边界条件的准确性和一致性。如果边界条件不准确或不一致，那么模拟结果可能会失真，因此在模拟前须仔细地检查，以支持后续的优化设计。为减少管道阻力损失，使用Darcy-Weisbach公式，获取管道摩擦损失值hf，计算过程如公式（8）所示。

式中：f为摩擦系数，其取决于管道材质和壁面粗糙度；L为管道长度；D为管道直径；V为流速；g为重力加速度。较大直径的管道能够降低流体速度，内表面光滑的管道材料能够减少摩擦，流线型的管道设计能够减少阻力和摩擦损失。使用BIM技术，调整管道直径、材料等参数，获取最佳的管道尺寸和配置，最小化管道摩擦损失值hf，以提高高层建筑给排水系统的效率，降低能耗和运行成本，同时确保给排水系统能够满足项目所需的流量和性能要求。

3 结语

综上所述，高层建筑的给排水系统是一个关键的领域，要求工程师在有限的空间内进行最高效的水流管理，同时保证建筑的可持续性和保障安全性。BIM技术提供了三维建模、碰撞检测以及实时协作等功能，能使工程师更好地理解和优化建筑系统，不仅提高了设计的精度和可行性，还最大程度地减少了项目的错误和避免了重复工作，节省了时间和资源。随着BIM技术不断发展和完善，它在建筑工程中的应用前景将更广阔。通过BIM技术的不断创新和应用，以期为城市和社会创造更安全、更高效的建筑环境。