BIM技術(shù)在工業(yè)建筑三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用

李仲元, 郭 躍, 孔憲揚(yáng)

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年來隨著信息化的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)已逐步在工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)二維設(shè)計在技術(shù)和流程上的瓶頸逐漸顯露，BIM技術(shù)的出現(xiàn)有助于解決傳統(tǒng)二維設(shè)計中存在的問題，使三維協(xié)同設(shè)計成為可能[1-3]。工業(yè)建筑往往具有大空間、構(gòu)造復(fù)雜、設(shè)備管線復(fù)雜等特點(diǎn)，因而生產(chǎn)工藝對采光、暖通、消防等構(gòu)造措施要求較高，設(shè)計過程中涉及的專業(yè)眾多，協(xié)調(diào)困難，很難進(jìn)行精確的管理，從而導(dǎo)致土建、機(jī)電和技經(jīng)專業(yè)之間反復(fù)的提資和變更，進(jìn)而影響了設(shè)計的效率，而且容易產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致建造過程中出現(xiàn)問題進(jìn)行返工，影響了工程建設(shè)的效率[4，5]。基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計有助于提高模型的精度，解決復(fù)雜的管線碰撞問題，而協(xié)同設(shè)計有助于優(yōu)化設(shè)計流程，提升各設(shè)計專業(yè)間的配合，減少不必要的返工，從而提高設(shè)計效率和質(zhì)量。本文以歐特克三維設(shè)計平臺為例，論述了不同專業(yè)在BIM三維協(xié)同設(shè)計平臺中的應(yīng)用特點(diǎn)，并探討了基于BIM技術(shù)的三維碰撞檢查、施工模擬以及工程量統(tǒng)計的優(yōu)勢。

1 協(xié)同平臺的選擇

目前主流的BIM設(shè)計平臺有歐特克、Bentley、Tekla以及達(dá)索等[6]。歐特克平臺即Autodesk Revit，在國內(nèi)建筑市場應(yīng)用最為廣泛，其擁有建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通和電氣專業(yè)不同的建模模塊，建模的邏輯體系專門為建筑模型而打造，且具有完善的族庫方便調(diào)用。國內(nèi)一些軟件廠商還開發(fā)了基于Autodesk Revit的插件，使得該平臺在建模效率和精度上具有優(yōu)勢。同時，歐特克旗下的Navisworks軟件對Autodesk Revit模型具有很好的兼容，可以進(jìn)行三維碰撞檢查和施工進(jìn)度模擬，滿足BIM設(shè)計的需求。Bentley平臺主要運(yùn)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等體量較大的項目，Tekla平臺具有強(qiáng)大的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，而達(dá)索平臺具有完整的生態(tài)系統(tǒng)如建模軟件Catia、項目協(xié)同軟件Enovia以及有限元分析軟件Abaqus，目前主要應(yīng)用于路橋項目，應(yīng)用案例較少。

以某工業(yè)建筑的設(shè)計為例，該工程的結(jié)構(gòu)形式主要為混凝土框架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部具有大空間結(jié)構(gòu)，管線布局較為復(fù)雜，綜合考慮采用Autodesk Revit三維協(xié)同設(shè)計平臺，該平臺的協(xié)同設(shè)計是由共享服務(wù)器來實現(xiàn)的，并通過在平臺中創(chuàng)建工作集將任務(wù)分配給各專業(yè)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。其設(shè)計流程為建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水和電氣專業(yè)建模；進(jìn)行模型的瀏覽、碰撞檢查和施工模擬；進(jìn)行模型的漫游和動畫制作；繪制施工圖并改進(jìn)。

2 BIM三維協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

2.1 建筑專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

建筑專業(yè)的建模是其他專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)，主要包含基礎(chǔ)建模和深化建模兩部分。基礎(chǔ)建模主要包含確定軸網(wǎng)，以及柱、墻、樓板以及門窗等構(gòu)件的布置，各功能房間的設(shè)置需要與結(jié)構(gòu)、給排水、暖通以及電氣專業(yè)的設(shè)計同步進(jìn)行[7]。在同步設(shè)計的過程中會發(fā)生管道、電纜橋架等與墻體或樓板碰撞的情況，需要進(jìn)行開洞處理，在協(xié)同設(shè)計中各專業(yè)可對模型進(jìn)行標(biāo)注，其他專業(yè)則收到推送，能夠快速定位到問題并解決。借助插件，建筑專業(yè)在設(shè)計可對防火分區(qū)、房間凈高進(jìn)行檢查，還可對自然光、噪聲影響等進(jìn)行分析，從而完善建筑設(shè)計。在完成基礎(chǔ)建模后可進(jìn)行深化建模，主要為建筑外立面設(shè)計和室內(nèi)裝修設(shè)計，需要明確門窗的樣式、墻面地面的材質(zhì)等。在Revit平臺中可以在任意空間布置視點(diǎn)，從不同的視角來觀察建筑模型，渲染效果圖，便于模型的展示，并可通過Lumion 3D等軟件制作BIM漫游動畫(圖1)。

圖1 BIM漫游動畫

2.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計

結(jié)構(gòu)專業(yè)的建模主要為梁、板、柱、場地開挖以及基礎(chǔ)，在建模中需要與建筑專業(yè)緊密配合。在布置好結(jié)構(gòu)構(gòu)件后，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的整體計算分析，目前國內(nèi)主流結(jié)構(gòu)計算軟件盈建科YJK具有與Revit模型互通的結(jié)構(gòu)，因而Revit結(jié)構(gòu)模型可導(dǎo)入盈建科YJK中進(jìn)行試算，對軸壓比、結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度等信息進(jìn)行核對，調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，并得到配筋信息。從而在Revit模型中對構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋建模，便于后期工程量統(tǒng)計。本工程中具有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由于在Revit平臺中直接建立模型較為困難，可在MIDAS有限元分析軟件內(nèi)進(jìn)行計算確定材料尺寸和強(qiáng)度后，再通過IFC格式文件導(dǎo)入Revit(圖2)，二者間具有良好的兼容性。

圖2 Revit中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型

2.3 設(shè)備管線三維協(xié)同設(shè)計

設(shè)備管線的設(shè)計由給排水、暖通以及電氣專業(yè)完成，需要在三維空間中布置管線和設(shè)備。本工程為工業(yè)建筑，管線布置較為復(fù)雜(圖3)，對于給排水專業(yè)，如具有消防自噴淋系統(tǒng)，在布置管道時需要與其他專業(yè)緊密的配合，在消防管道從走廊伸入房間內(nèi)部時需要繞開柱和梁，避免結(jié)構(gòu)碰撞，同時還需要遮蔽在吊頂?shù)膬?nèi)部，對于暖通專業(yè)在布置風(fēng)管時以及電氣專業(yè)在布置電纜橋架時亦是如此。對于設(shè)備的建模，Revit平臺本身具有豐富的族庫，各類插件也對原有的族庫進(jìn)行了拓展，因此常規(guī)的設(shè)備可以直接在族庫中調(diào)用，對于特殊的設(shè)備，可以使用Revit內(nèi)置的族庫編輯器進(jìn)行建模，亦可借助AutoCAD、SolidWorks等專業(yè)軟件進(jìn)行建模再導(dǎo)入Revit平臺中進(jìn)行使用。

圖3 管線模型

2.4 碰撞檢查和施工模擬

在Revit設(shè)計協(xié)同平臺中，各專業(yè)可以實時觀察到其他專業(yè)的模型，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并解決。三維設(shè)計有助于提高模型的精度，解決復(fù)雜的管線碰撞問題。碰撞的類別主要為管線和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的碰撞，以及管線之間的碰撞，還可分為硬碰撞和最小間隙檢查，將Revit模型導(dǎo)入Navisworks中即可進(jìn)行碰撞檢查。通常，走廊上空的管線碰撞問題亟須解決，走廊的凈高往往極大地影響到建筑的舒適度，而走廊上空往往聚集著水管、風(fēng)管、電纜橋架等各種管線，需要進(jìn)行精確的空間設(shè)計，盡可能地利用有限的空間，建筑專業(yè)人員可通過將Revit模型導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行碰撞檢查，可生成檢測報告(圖4)，對碰撞結(jié)果進(jìn)行預(yù)覽，同時碰撞結(jié)果可以反饋到Revit模型中，可進(jìn)行精確的定位便于相關(guān)專業(yè)設(shè)計人員解決問題。

圖4 碰撞檢查報告

在Navisworks中，還可實現(xiàn)包含時間參數(shù)的施工模擬，根據(jù)不同專業(yè)、不同構(gòu)件進(jìn)行任務(wù)分解，可以得到施工流程的甘特圖和動畫，了解項目的建造過程，及時發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中存在的問題，尤其是大型設(shè)備運(yùn)輸進(jìn)場的時序問題，從而選擇最優(yōu)的施工方案，增加施工效率和安全性。

2.5 工程量統(tǒng)計

BIM模型是工程數(shù)字化的表現(xiàn)形式，其包含著模型各個構(gòu)件的信息，基于BIM協(xié)同平臺的工程量統(tǒng)計主要包括混凝土算量、鋼筋算量、門窗統(tǒng)計、設(shè)備統(tǒng)計、管線統(tǒng)計等，設(shè)計人員在創(chuàng)建模型的同時記錄下構(gòu)件的相關(guān)屬性，可以提高工程量統(tǒng)計的精度。隨著模型的不斷完善，工程量統(tǒng)計可以貫穿到項目實施的全過程，實現(xiàn)全設(shè)計周期內(nèi)的應(yīng)用。同時，由于在歐特克協(xié)同平臺中構(gòu)件的信息得到共享，工程量統(tǒng)計中的明細(xì)可以對應(yīng)到具體的構(gòu)件上，使精度得到保障，而傳統(tǒng)的算量模式是由設(shè)計人進(jìn)行提資，往往會造成較大的誤差，同時后期設(shè)計變更也不能及時地反饋到工程算量中去。在理想情況下，基于Revit協(xié)同平臺的工程量統(tǒng)計應(yīng)具有很高的精度，然而由于Revit平臺建模本身的不足，如梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋建模不夠精細(xì)，導(dǎo)致鋼筋算量往往存在較大的偏差，同樣由于工程量明細(xì)較多，很多細(xì)節(jié)在建模時往往被忽視，導(dǎo)致工程量偏差，因此基于Revit協(xié)同平臺的工程量統(tǒng)計仍需不斷完善。

3 結(jié) 論

本文依托歐特克三維協(xié)同設(shè)計平臺，結(jié)合具體工程，討論了工業(yè)建筑三維協(xié)同設(shè)計平臺的選擇，對主要專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié),并對碰撞檢查、施工模擬以及工程量統(tǒng)計等BIM應(yīng)用進(jìn)行了探究。鑒于工業(yè)建筑具有大空間、設(shè)備管線復(fù)雜等特點(diǎn)，選擇歐特克三維協(xié)同平臺能很好地滿足設(shè)計需求，在Revit平臺中建立共享服務(wù)器即可實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，各專業(yè)模型實現(xiàn)了共享，并通過三維模型碰撞檢查優(yōu)化了管線排布，避免了傳統(tǒng)設(shè)計模式中土建和機(jī)電等專業(yè)之間反復(fù)的提資和變更，有效地提升了設(shè)計效率和質(zhì)量。基于BIM三維協(xié)同設(shè)計平臺的工程量統(tǒng)計，貫穿整個設(shè)計過程，具有實時更新的特點(diǎn)，然而在現(xiàn)階段應(yīng)用過程中仍存在較大的偏差，尚需不斷完善。BIM三維協(xié)同設(shè)計平臺的發(fā)展方向應(yīng)不僅僅局限于設(shè)計階段，更應(yīng)該貫穿于項目的整個建設(shè)過程，建設(shè)方、設(shè)計方和施工方共建具有全生命周期BIM模型，將進(jìn)一步提升工程質(zhì)量和建設(shè)效率，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。