BIM點亮智慧建造

自二十世紀七十年代美國學者查克·伊斯曼博士提出BIM概念以來，該技術已在全球建筑業中引起廣泛重視。我國BIM應用的推廣力度也正逐步加強，2014年北京頒布的《民用建筑信息模型設計標準》、上海發布的《關于在本市推進建筑信息模型技術應用的指導意見》以及于2015年實施的新版《綠色建筑評價標準》將應用建筑信息模型（BIM) 技術列為創新項等，都充分說明了該技術的先進性。

暖通專業作為建筑機電設計的重要一環，有著計算量大，管線復雜，設備繁多的特點。從BIM技術的角度看，無疑正是信息量大的體現。因此，如何高效利用BIM軟件，BIM技術如何與原有二維設計對接，如何利用BIM技術進行協同作業，提高工作效率，如何推廣該技術都將是一項考驗。

筆者以一個實際項目的初步探索實踐為基礎，總結梳理了BIM技術的應用特點，并將其與傳統二維CAD設計進行了對比，為相關設計企業與人員提供技術參考。

BIM實踐概述

圖1 中交總部項目建筑效果圖

以中交集團南方總部大廈A座辦公樓項目為例，該工程位于廣州市，建筑面積153790平方米，地上43層，地下3層，主要功能有辦公、商業、餐廳等，地下空間為停車庫與機電機房。建筑效果如圖1所示。

項目選用Bentley公司的ProjectWise（三維協同），AECOsim（BIM建模）以及Navigator（碰撞檢查、校對審核、動畫瀏覽）三款軟件組成的工作平臺進行了全專業的BIM應用，整樓總裝模型如圖2所示。

在使用BIM技術進行項目操作的實踐過程當中，逐漸發現暖通專業CAD與BIM既有相通也有不同的地方。這就需要設計人員一方面進一步鞏固自己的專業知識，徹底搞清設計原理、繪圖表達等一系列問題，不照搬照抄；另一方面，則要改變固有的觀念與習慣，克服最開始對三維建模以及相應信息輸入的畏難情緒，對增加的工作量也要有所預估了解。暖通專業BIM與CAD應用特點對比如表1所示。

圖2 中交總部大廈A座BIM總裝模型

表1 暖通專業Bentley BIM軟件與CAD軟件應用特點對比

圖3 BIM項目三維協同文件目錄

筆者將根據表1中所列的BIM技術在項目實踐當中的平臺環境、建模過程、成果展示以及協同作業等四個方面的應用特點加以分別闡述，并總結相應的操作經驗，以供參考。

平臺環境

BIM技術的核心即為信息整合利用，提高效率。因此，解決各專業之間的信息孤島問題是其重要目標。從這一意義講，三維協同平臺可以說是BIM技術實行的基礎。暖通專業人員在運用BIM軟件進行相關工作前，首先就要樹立起在三維協同平臺中工作以及基于嵌套參考關系的文件構架意識。

三維協同平臺。利用運行于網絡操作系統上的工程信息內容管理系統，使項目組各專業人員在同一平臺下進行設計工作，無疑是BIM技術實施的基礎。借助諸如ProjectWise這樣具備權限管理、工作環境配置、項目文件組織架構等一系列標準化設計功能的軟件，就可以實現信息高效、安全交互的目標。

BIM的所有信息應存儲在服務器當中，并設置合理的工作目錄，使得項目組中的每個成員都能夠方便地找到所需的信息模型。同時又能夠對不同類型的人員設置不同的讀寫權限，例如：重要的軸網文件等只有建筑專業人員方可改動，設備專業只能進行參考。中交項目文件目錄如圖3所示。

除了文件存儲方式，協同平臺還具備統一工程信息的作用，例如：圖框、字體樣式、工程單位制、構件屬性、切面圖符等一系列在二維設計中可能存儲在每個項目成員個人電腦中的信息都可以被標準化，統一到BIM軟件的工程種子文件當中，在項目運行過程中被所有成員調用。

基于參考技術的Bentley文件架構。確保項目運行在三維協同平臺上之后，基于參考關系的BIM文件架構就具備了實施條件。針對暖通專業人員來說，較之CAD文件結構的一些習慣需要有一定程度的改變。

一般來說，BIM暖通的文件分為3個層級，分別是：整樓總裝文件，樓層文件和分系統模型（如排風系統、排煙系統等）。BIM建模工作量主要發生在底層的分系統模型層級上，并通過逐層的參考，從而組裝成樓層文件和整樓文件。其文件關系如圖4所示。

通過上述多層級的文件架構，確立了中交項目從B3層到43層的暖通專業文件存儲層級，具體內容如圖5所示。

由上述實例可以看出，BIM工作要求暖通人員改變固有的文件操作模式，但仍然基于專業系統的劃分。因此，專業人員在了解層級概念的基礎上即可迅速上手，進行操作。

圖4 基于Bentley的BIM文件層級架構

圖5 中交項目文件層級實例

建模過程

BIM技術在三維空間當中進行建模是與CAD二維繪圖較為不同的一種方法。在實際項目的操作過程當中發現BIM暖通建模主要可分為：1、風管，水管等自定義管道的定位與幾何尺寸的建模；2、暖通專業信息的錄入；3、自定義設備的建立與修改。

幾何建模。雖然BIM是在三維空間當中進行建模，但對暖通專業人員來說，在掌握工作平面以及坐標系鎖軸（類似CAD正交在三維空間的拓展功能）等技巧的基礎上，對于大部分平面布置和高度控制都能與CAD操作的經驗對應起來。工作平面的操作界面如圖6所示。

當確定好相關的工作平面之后，只需使用BIM軟件內置的管線建模功能，輸入管徑，并配合鎖軸功能，確保管道在正交的情況下繪制，即可完成大部分建模工作。另外，將鼠標放置于專業構件上，即可顯示其相應屬性，例如：風管所屬的系統，管徑尺寸以及頂、底標高等，如圖7所示。

完成繪制以后，可以使用諸如復制、旋轉、鏡像以及陣列等一系列操作對構件進行修改布置，唯一與CAD不同的是這些命令可以在Z軸方向進行操作。

專業信息輸入。在BIM進行實體建模輸入幾何控制參數的同時，其實還需輸入大量的專業工程信息。其中部分信息在CAD中是通過標注文字以及設計施工說明來進行表達的。例如：管道的坡道，保溫厚度等。在BIM軟件當中，這些信息被整合到統一的構件信息輸入窗口之中，并在模型中予以展示。以風管為例，其BIM信息輸入窗口如圖8所示。

這些信息在BIM文件當中都可以清晰表達，并且對于其他專業有更為直觀的參考意義。

圖6 BIM建模空間工作平面設置

圖7 BIM管道建模界面

圖8 風管BIM信息輸入窗口

圖9 自定義離心風機箱調用界面

自定義設備庫。暖通專業設備種類規格繁多，在目前BIM軟件本地化還不夠徹底的情況下，缺少設備無疑是推進暖通專業BIM工作的一個難點。筆者認為，基于方便實際操作的目的，應將BIM暖通設備分為三類，即：參數化設備；規格化設備；外部導入設備。例如：組合式空調箱這類由不同功能段構成，規格靈活多變的設備可以做成由若干幾何參數控制，能夠由用戶輸入長、寬、高等信息自主調節的設備；而諸如風機、水泵這類，幾何控制參數極多，但規格能進行統計梳理的設備應做成規格化設備，方便專業人員調用；最后像制冷機這類構件極為復雜，而復用性較低的設備，應考慮由廠家提供3D模型導入到BIM文件之中。

中交項目當中的離心風機箱就是利用參數化軟件建模，一次性自動生成多個規格的風機，并通過規定其平、剖面切圖圖符，性能參數等一系列定制工作而形成的一個風機設備庫，從而滿足了項目的需求。BIM調用離心風機箱的界面如圖9所示。

圖10 離心風機箱BIM模型

選擇需要的離心風機箱信號，即可直接將風機調用至分系統模型之中，并附帶設備性能信息，如風機全壓，設備電量等。同時，當某些參數不符合要求時，也支持用戶進行自行修改。風機外部的線框為定義的平、剖面剖切圖符，當三維展示不需要時可以關閉顯示，風機箱BIM模型如圖10所示。

成果展示

BIM軟件可以輸出三維模型、二維切圖、瀏覽動畫和施工模擬等一系列的成果形式。同時，它也能夠對模型進行輕量化發布，以滿足校審，展示等需求。

模型展示。BIM技術為工程信息的表達提供了三維平臺，針對不同的表達目的，軟件可以通過分系統模型的可視性開關，不同的顯示方式（如線框、透明等）加以表現，并利用層層嵌套的參考關系條理清晰地組裝出暖通系統級、樓層級、整樓級等一系列的BIM模型。中交項目的機電專業整樓模型如圖11所示。

同時，BIM軟件也能夠對模型進行輕量化操作，專門作為校審或展示使用。例如：打印成三維的U3D模型，插入到PDF中進行查看，如圖12所示。

圖11 中交項目機電專業整樓模型

圖12 PDF展示輕量化暖通、結構模型

動態切圖。BIM技術通過動態切圖將三維模型和二維圖紙關聯起來，提高了模型的利用率，也更為清晰高效地表達了工程信息。

當完成BIM三維建模工作之后，還需對相應的平剖面進行切圖，形成二維圖紙。BIM技術雖然以三維視角為其建模方式，但它并不是放棄二維圖紙，與此相反，BIM兼顧3D模型與二維圖紙，也惟有如此方才能夠更全面清晰地表現設計意圖和工程信息。如圖13所示。

協同作業

BIM技術基于參考關系的文件架構和工作模式能夠有效地促進各專業之間的協同作業。特別是在需要各專業緊密配合的管線綜合方面，BIM平臺利用自動碰撞、標記等功能切實減輕了專業人員的工作量，同時也降低了錯誤率。

專業協同。以中交辦公樓項目為例，該項目采用的Bentley AECOsim軟件，能夠對參考關系進行細致地操控，包括：更新狀態、顯示開關、嵌套深度、透明顯示、可否修改等一系列功能，滿足切圖、展示等復雜的需求，參考關系如圖14所示。

圖13 走道多專業剖面、三維軸測圖

作為一名暖通專業人員需要參考結構專業的梁、板、墻、柱，這樣就能夠直觀地進行管線布置，充分利用梁格，斜坡，甚至網架空間。同時，由于采用了實時參考，也就意味著可以隨時更新各專業的設計動態，那么諸如本專業的冷凝水管、給排水專業的雨水、污水等帶有坡度，在平面圖中不易表達清楚的重力管就能夠在第一時間為其他專業有效獲悉，并及早合理安排本專業管道走向，規避碰撞。而結構專業剪力墻留洞等重要提資內容，也能夠使用只碰撞剪力墻和暖通專業構件的自定義功能自動檢查其正確性。

管線綜合。管線綜合作為BIM技術現階段較為成熟的功能，在國內實際工程當中最為常見。筆者在應用的過程發現BIM軟件的碰撞功能雖然能夠自動化地找出交叉點，但管線綜合的排布仍然應該由專業設計人員主導。在中交項目的應用實踐當中，管線綜合主要分為八個工序：

一是確認建筑凈高、主梁高度、走廊寬度以及當層機電各專業的主管尺寸，計算布線空間高度，作為后期工作基礎。

圖14 暖通專業主模型參考關系

圖15 管線碰撞結果列表界面

二是重力管（如冷凝水管、排水管）以及煙囪等不易調整的管道優先布置，讓所有相關專業看到其走向，自行碰撞并規避。

三是檢查確認機電機房管線出口留洞標高是否正確，特別是后期較難更改的剪力墻留洞。

四是選擇典型走道以及預估的不利管段（如相鄰的多個機電機房出管處）進行剖面排布，確認當層各專業的原則標高。

五是使用BIM軟件碰撞功能對模型進行檢查，找出交叉點。

六是對交叉點，特別是一些涉及多專業多管段的復雜節點進行復核，根據避讓原則，分析建筑空間，利用梁格、管線翻折等方法解決碰撞。

七是再次使用BIM軟件，對修改后的模型進行碰撞檢查，直至解決所有主要碰撞。

八是形成碰撞報告，并利用三維抽圖功能，對復雜節點輔以剖面切圖，軸測圖等方式加以表現。

在中交項目當中利用BIM軟件的管線碰撞功能，可以選擇不同的專業，甚至不同專業中特定的若干系統（如排水管與暖通所有管線）進行碰撞，并形成碰撞報告列表如圖15所示。

通過上述列表可以清晰地了解本層管線碰撞的數量，交叉管線所屬專業，同時點擊結果列表中的每條記錄就可以瀏覽交叉管線的具體情況，如圖16所示。

應用總結

BIM技術應用有不同層級，可以針對甲方要求、工程特點、項目階段逐步深化，不宜盲目求全，將所有信息、構件一次性輸入，反而造成信息冗余，部分工作量毫無效益，得不償失。

BIM技術在暖通專業的應用較之CAD來說是一個先期投入較大，后期自動化較高的過程。但由于直觀表達的信息更多，考慮輸入和相應不可避免的修改，其工作量無疑是增大的。專業人員需做好心理準備，合理安排工期。

BIM技術基于三維協同平臺，信息能夠及時地互通。專業人員應習慣該種工作模式，并針對其特點調整設計流程，讓重要的，會影響其他專業的信息盡快反應在BIM模型上。

BIM技術作為一項先進的設計工具，盡管功能強大，且自動化較高，但是應用人員還是必須從專業知識的角度出發，盡量合理安排工序，協調在前，不然其返工量會更大。例如：管綜工作就該先排布多專業剖面，調整后再進行碰撞，那種一開始就各專業分別建模，最后碰撞檢查出成千上百錯誤的工作方式，并不高效，且缺少對項目的整體把控，變成軟件主導人，而非人駕馭軟件。

BIM技術具備強大的動態切圖，動畫瀏覽以及施工模擬等功能，表達手段更為多樣直觀。應用人員應主動學習利用這些特點表現專業設計中的復雜節點，提高與甲方以及施工企業的溝通效率。

圖16 地下室管線碰撞交叉