BIM技術在建筑機電工程設計與施工中的應用

文｜ 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 鄭周寅

引言

近年來，因具有信息共享、一體化和建筑全生命周期等方面的優(yōu)勢，BIM 技術在建筑行業(yè)獲得了越來越多的應用。建筑機電作為建筑業(yè)中必不可少的重要組成部分，在當前項目規(guī)模越來越大、涉及專業(yè)越來越多的趨勢下，將BIM 技術作為指導建筑機電工程設計和施工的重要工具應用到項目建設中具有積極意義，有利于保障設計質量、提高施工效率、完善項目效果。

一、BIM 技術在建筑機電工程的主要應用

（一）設計階段

1、協(xié)同不同專業(yè)之間的設計

建筑機電工程系統(tǒng)性較強，涉及的專業(yè)多。在設計的工作中，采用BIM 技術可以有效進行機電工程的平面設計，設計人員在工作之前可以使用相應的軟件，按照當?shù)氐膶嶋H情況合理設計其中的給排水、暖通、電氣、消防、建筑智能化、供電等，確保整體工程施工建設的安全性，提升整體機電工程設計的合理性。在實際工作中全面搜集各種數(shù)據(jù)信息，明確設計方案與內容的應用特點與情況，利用BIM 技術調整機電安裝的設計方案，全面提升整體機電工程設計工作的科學性與合理性。

2、管線碰撞檢查及排布優(yōu)化

建筑機電工程具有明顯的集成特性，各類管線和橋架的碰撞檢查一直是一個重點和難點。傳統(tǒng)的碰撞檢查方面，只能采用二維圖紙的方式進行檢查，由于各類管線、橋架尺寸等均無法通過二維圖紙的方式精準呈現(xiàn)出來，難以將構件碰撞的風險隱患準確反映出來，因此各構成要素之間易發(fā)生沖突，隨之提升了管線排布難度。而采用BIM 技術措施可轉變傳統(tǒng)的工作方式，建立3D 管理方案，在建模功能的支持下，有助于全面開展碰撞檢查活動，一旦發(fā)現(xiàn)有碰撞方面的問題，可以通過調整管片位置等方法避免沖突。

因此整合各專業(yè)模型，將其集中呈現(xiàn)于BIM 平臺之中，此方式能夠在工程前期發(fā)現(xiàn)問題，有效避免了返工等現(xiàn)象，從根本上提升整體的建筑機電工程施工質量。

3、可視化交底技術

在碰撞檢查的基礎上做進一步深化設計，根據(jù)檢查情況修改模型，隨后可形成施工模擬視頻，通過此方式呈現(xiàn)給廣大施工人員，從而達到可視化施工技術交底的效果，提高認知程度。

（二）施工階段

1、施工深化模型創(chuàng)建

施工深化模型是施工正式實施前開展的準備工作。施工管理人員以設計階段施工圖紙、模型成果為依據(jù)，根據(jù)自身的施工設施設備情況、施工組織規(guī)劃和現(xiàn)場條件，對設計模型成果進行進一步深化和調整，使模型中包含所有信息能合理滿足施工工藝、管理流程上的需求。深化后的模型最終應通過各參建單位的審核確認，最終用于指導施工作業(yè)。

2、進度計劃管理

在BIM 技術的支持下，能夠改變進度計劃與工程構件相互隔絕的局面，從而形成動態(tài)連接。通過動態(tài)化的模擬方式，可綜合對比多種工藝方法，分析各自的可行性，以此為基準形成科學的方案。通過BIM 技術，可實時跟蹤實際施工情況，考慮現(xiàn)有施工資源，針對各個環(huán)節(jié)做出合理的分配，在掌握實際施工進度后，將其與計劃進度加以對比，總結出現(xiàn)偏差的原因，制定富有針對性的措施，從而調節(jié)項目進度，確保在既定工期內完成各環(huán)節(jié)施工作業(yè)。

3、模擬施工應用

依托于BIM 技術，可完成對現(xiàn)場施工的模擬，事先優(yōu)化各道工序，創(chuàng)建科學的施工方案。在復雜管線系統(tǒng)中，模擬工作極具必要性，此舉可確保施工質量并提升施工效率，有限的工程資源得到充分的利用，加快工程進度，在同一時間投入到多條生產(chǎn)線的施工作業(yè)之中。

二、BIM 技術在某市政污水廠項目建筑機電工程中的應用實例

1、工程概況：

某市政污水廠項目的主要工程內容：排水工藝系統(tǒng)，建構筑物、現(xiàn)場設施的改造、電氣系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)。工程主要難點特點及應對措施如下：

（1）工程規(guī)模特大、專業(yè)類型多

本工程涉及排水工藝、建筑、結構、電氣、儀表自控、暖通、除臭、給水、燃氣等多個專業(yè)。設計協(xié)調過程復雜，交接過程繁瑣，各個專業(yè)設計進度、成果的一致性把控難度大。

本工程將根據(jù)BIM 正向設計的工作模式和流程進行BIM 設計應用，實現(xiàn)跨專業(yè)、跨區(qū)域間的的模型整合、信息共享和交流，加強協(xié)作水平，避免由于信息不對稱造成的溝通不暢、中斷等一系列現(xiàn)實問題。通過BIM 協(xié)同設計管理，將多專業(yè)的設計成果整合，將協(xié)同設計管理平臺作為基于三維模型的在線交流渠道，設計人員在平臺中對完成的設計工作進行聯(lián)合審查，使設計人員之間的溝通更加清晰和全面，設計成果更加準確。

（2）管線設備復雜、傳統(tǒng)二維圖紙表達困難

本工程管線種類和數(shù)量繁多，包括給排水、強弱電、通風空調等，布線錯綜復雜；主要設備包括污泥切割機、污泥干燥機、冷卻器、廢氣風機、余熱鍋爐、污泥緩沖倉、半干脫酸塔、布袋除塵器等，設備數(shù)量多、體積大。

傳統(tǒng)二維制圖方法自由、修改靈活，但是各個視圖需要單獨繪制，工作周期較長，錯、漏、碰、缺難以避免。對于規(guī)模特大、設計復雜的建筑機電工程，上述問題的嚴重性更加凸顯。本工程中應利用BIM 模型協(xié)調、整合的特點作為輔助優(yōu)化工程設計成果表達的重要手段，通過各專業(yè)設計模型的碰撞檢查校核，提前發(fā)現(xiàn)設計表達不合理之處，發(fā)現(xiàn)并解決結構、設備、管線之間的空間沖突等問題。通過各個視圖的自動生成，減少圖紙表達不完全、不一致的問題。BIM 三維可視化的表達方式更好的輔助二維圖紙的表達，清晰的表達工程內復雜的管線設備的空間排布。

利用BIM 技術的應用，預先解決管線碰撞沖突的問題，減少由此產(chǎn)生的變更，減少施工和管理的成本。

（3）設備管線安裝難度高

本工程污泥處理處置系統(tǒng)對安全、可靠、穩(wěn)定的要求特別高。工程內的工藝設備、管線眾多，對其安裝、維修空間要求嚴格，需要做到仔細、認真，確保工程最終的施工質量。

借助BIM 模型檢驗設備管線安裝籌劃方案的合理性、可實施性，以及不同工序、施工內容之間安排穿插的可行性和合理性，減少不必要的工期浪費。根據(jù)BIM 布置模型，預測設備管線安裝工程中重點、難點環(huán)節(jié)，進行前期決策，對施工方案、過程進行可視化模擬，提高安裝實施的合理性。

2、本項目中建筑機電工程在設計階段的BIM 應用

（1）多專業(yè)正向設計模型創(chuàng)建

利用多種BIM 軟件，由本工程設計人員依照設計實際進度同步完成工藝、結構、建筑、電氣、暖通除臭等各專業(yè)模型的創(chuàng)建，并依照設計過程的推進，逐漸加強設計模型的深度，各專業(yè)的設計討論、溝通、協(xié)調、決策宜基于三維模型進行（如圖1、2）。

（2）管線搬遷模擬

本工程與位置臨近、同步進行的某提標工程交界面多，基于對現(xiàn)狀工程及擬建工程整體統(tǒng)籌的考慮，需對現(xiàn)狀地塊內的管線（雨水管、電纜）進行改造遷移，保證盡量減少對某污水處理廠正常運行的影響。

基于周邊地形、現(xiàn)有建筑、道路等信息及地下管線探測、障礙物、管線等的探測成果，擬借用BIM 技術對管線搬遷方案進行驗證，建立搬遷模擬，校驗管線搬遷方案的合理性和準確性（如圖3）。

（3）沖突檢測與管線綜合

工藝、建筑、結構、電氣、儀表自控、暖通除臭各專業(yè)模型的管線經(jīng)軟件設置后，通過相機視口觀察、漫游、碰撞檢查等手段，發(fā)現(xiàn)工廠系統(tǒng)設計中的沖突和碰撞，從而加強細部控制的力度，整合出三維校審和管線綜合優(yōu)化報告，交由各專業(yè)繼續(xù)進行深化，反復重復上述過程，直至全專業(yè)協(xié)同解決復雜區(qū)域的所有碰撞問題（如圖4、5）。

（4）輔助設計成果表達

二維圖紙仍然是設計成果表達和存檔的重要形式。本工程管道設備復雜，傳統(tǒng)二維制圖方法自由、修改靈活，但各視圖需單獨繪制，錯、漏、碰、缺難以避免。

本工程在借助BIM 技術和專業(yè)軟件完成工程設計的優(yōu)化后，以BIM 模型為基礎形成平面、剖面、詳圖等視圖，并結合相關標準，形成滿足審批審查、施工要求的二維圖紙，盡可能減少傳統(tǒng)設計手段中圖紙表達不一致的問題。對于復雜部位，可采用三維透視圖等方式對設計進行補充說明（如圖6）。

（5）管配件工程量統(tǒng)計

本工程管線包括工藝排水、給水、中水、強電、弱電、消防噴淋、通風空調、防排煙、天然氣等，管線錯綜復雜，管配件繁多，傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計工作易發(fā)生錯漏。利用校驗的BIM 模型進行精確的工程量統(tǒng)計，有效避免人工算量過程中的誤差損耗。同時，BIM 算量中信息聯(lián)動性的特點，在出現(xiàn)設計變更時，可通過模型的調整，自動實現(xiàn)相關工程量的變化，減少造價人員的重復工作量，也方便建設單位在不同的變更方案間，結合經(jīng)濟性和合理性進行選取（如圖7）。

圖1 某車間BIM 設計圖

圖2 某車間BIM 設計圖

圖3 管線搬遷模擬示意圖

圖4 某污泥處理工程焚燒區(qū)設備、管線模型與鋼平臺模型整合

圖5 碰撞檢查結果示意

圖6 BIM 模型輔助生成工程施工圖

3、本項目中建筑機電工程在施工階段的BIM 應用

（1）施工深化模型創(chuàng)建

根據(jù)項目進度計劃編輯WBS 并根據(jù)WBS 使用BIM 軟件搭建對應精度的模型；上傳BIM 應用成果文件，其中方案模擬(.mp4)、交互文件(.exe)等成果文件上傳至BIM 平臺；項目實施過程中根據(jù)現(xiàn)場實際進度，通過平臺上報：最小級WBS 上報施工開始時間，施工完成時間。施工場地重大設備進出場進行線上登記，完成平臺線上整改單審批流程（如圖8）。

（2）可視化指導施工

在項目實施現(xiàn)場配備高性能電子計算機和大型觸摸顯示屏，包含了所有施工圖設計、施工深化設計信息的BIM 模型和施工模擬文件等BIM 成果，在大型觸摸顯示屏中進行展示和瀏覽，使一線施工人員以及施工管理人員能快速、直觀、方便地查看設計方案（如圖9）。

（3）施工組織模擬

施工現(xiàn)場組織基于施工深化設計模型進行開展，包括：施工場地規(guī)劃、設備材料運輸路線模擬等，充分利用BIM 技術對施工組織方案提前進行模擬并優(yōu)化，從而使施工組織過程更具有可控性，施工實施更高效、經(jīng)濟、科學、合理。

（4）復雜節(jié)點施工方案模擬

采用BIM 可視化手段，對施工過程中復雜節(jié)點的施工方案進行模擬和驗證，從而優(yōu)化相應工作內容的施工方案（如圖10）。

（5）施工進度計劃管理

根據(jù)施工深化設計模型、施工進度計劃資料，按照不同深度、不同周期的進度計劃要求，將進度計劃與施工深化模型進行關聯(lián)，結合虛擬設計與施工技術對項目實際進度和虛擬進度進行跟蹤和對比，從而科學有效的發(fā)現(xiàn)進度偏差，及時采取糾偏措施（如圖11）。

（6）竣工模型構建

竣工交付階段應根據(jù)BIM 實施策劃及基于BIM 項目管理計劃整合完成項目竣工模型，竣工模型保證與實際建造的工程信息保持一致，為運維階段的BIM 技術應用奠定數(shù)據(jù)基礎。

四、結語

隨著建筑建筑業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)機電工程領域所應用的二維圖紙已無法滿足建筑機電工程實施的需要，而依托BIM 技術在該領域的應用，能很好地呈現(xiàn)出機電安裝工程的具體情況，對施工方案做出合理的優(yōu)化，特別是能避免因多專業(yè)分別設計導致的管線碰撞等傳統(tǒng)技術難以在前期發(fā)現(xiàn)的問題，為后續(xù)各環(huán)節(jié)施工提供可行指導。該技術的應用極大地提高了建筑工程電氣設計的質量和效率，其在建筑機電工程的應用有進一步提高的空間。

圖7 工程量統(tǒng)計

圖8 某建筑機電工程的施工深化設計示意

圖9 某工程的可視化指導施工方法示意

圖10 某工程的復雜節(jié)點施工方案模擬

圖11 某工程的施工進度計劃管理