裝配式建筑機電系統BIM模型精細化控制設計研究與應用

卓 旬 徐艷紅 吳正剛 許慶江

(中建安裝集團有限公司，南京 210046)

引言

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡稱BIM技術)作為參數化表達及集成化管理的新型技術[1-2]，在MEP(Mechanical，Electrical and Plumbing)項目中應用與推廣力度逐漸加大，關于新型預制裝配式建筑在建筑機電專業方面的研究(暖通系統、給排水系統、電氣系統、整體廚衛)也陸續展開[3-5]，實行工廠預制、現場裝配將機電設計、現場施工變得程序化、標準化、簡易化，大大提高了勞動生產效率，然而如何在提高效率的同時實現裝配式機電全過程的BIM模型精細化控制，是企業追求的目標和方向。本文在精準地預留預埋前提下，提出了“深化設計—工廠預制—虛擬預裝配模型一體化”的裝配式機電精細化BIM模型控制方案，通過分析各個階段精細化控制的關鍵點，有計劃地對裝配式機電各階段進行全面的、綜合的、完善的技術控制，以保證項目質量、進度目標的實現，達到工程項目經濟效益最大化。

1 精準化BIM模型

BIM模型是由各類系統族、標準族組合而成，一個BIM模型的精準化精細化很大程度上取決于族的精度[6]，一個完整的、系統的、參變的、自適應能力強的族是提高建模效率和模型精度的關鍵。對于裝配式建筑機電BIM模型而言，模塊的劃分方式對BIM模型精細度(Levels of Detail，LOD)也起著至關重要的作用。

1.1 高精度BIM族

高精度的BIM族包含兩個方面：一方面是最廣為人知的BIM構件模型細度，即構件的幾何參數信息； 另一方面則是BIM族的信息細度，即從產品細度等級出發包含性能信息、定位連接信息、設計屬性、價格參數、廠商信息等[7]。高精度BIM族與低精度BIM族的區別在于模型的面數對比不同、精細程度不同、應用的范圍不同。低精度BIM族主要應用于對模型質量需求不高的投標階段，而高精度BIM族則較多應用于對模型的精度和細節要求非常高的深化設計階段。

在裝配式建筑機電工程深化設計過程中，在對各類設備及大型管件進行三維BIM建模的同時，還需要將建模程度細化到機電設備組件，能夠清楚表現機電設備組件的所處位置[8]。結合廠家提供的設備、閥部件等的尺寸大樣圖進行BIM族的調整，使模型內構件尺寸于產品規格尺寸相一致。構件所帶信息完整、準確，包含標準/圖集信息、技術參數信息、規格尺寸信息、工藝信息、廠商信息、運維信息、管理信息、其他信息等。

1.2 BIM模塊劃分

一般情況下對于模型的精細化程度而言，人們往往關注的是BIM模型的幾何信息與屬性的層次深度。而對于裝配式機電模型來說，機電模塊的劃分方式對于BIM模型精細化控制也具有同等重要的地位。為滿足工程預制、現場裝配的順利實施，裝配式機電系統在深化設計階段就要根據零部件之間的各種關聯關系進行機電系統模塊的初步劃分，如圖1所示共分為管道支吊架模塊、工藝管道模塊、設備模塊、電氣管線槽模塊。

圖1 機電系統模塊劃分

對于管線模塊的合理劃分應結合現場實際情況，綜合考慮模塊的運輸空間尺寸、運輸和吊裝設備的能力、支吊架設置位置、模塊間對接的節點要求等因素[9]。在實際操作中，還需要針對各專業管道的不同標準長度來劃分模塊(如風管、噴淋管、空調供回水管、橋架等)。為便于后續模塊的運輸與安裝，可酌情考慮設置短管作為管道長度調整段余量[10-11]。與此同時，管段的模塊劃分還應符合預制加工要求，以節省材料、安裝方便為前提，滿足模塊安裝可操作性、經濟性、合理性。并注意模塊接口的處理方式，建立模塊標準化切割方案，明確不同類型接口標準化、流程化連接方式。對于管道支吊架間距在滿足設計規范要求的同時考慮施工操作便捷。

2 工廠預制加工

裝配式機電系統管道及其管支架的預制加工通常在工廠內完成，為了保證預制加工精度，首先規范出圖標準，形成統一的圖紙格式和制圖模式，同時對設計圖紙進行全面而細致的標注，包括尺寸標注、編號標注、標高標注以及管間距標注等。

以往在所有模型最終確定后，根據需求導出不同形式的BIM施工圖，如二維平面、立面圖、剖面圖、局部三維圖等。對于模塊加工圖而言，由于模塊結構形式復雜需要至少三個視口甚至多個視口才能完美地描述清楚。在實際操作中發現，三視圖出圖的效率低下、出錯率高、圖面數據交錯復雜、信息量大、表達不直觀。鑒于此引入石化工程中常用的正等軸測圖(ISO圖)，通過三維可測量的表達方式(如圖2所示)，將圖面信息更直觀地展現給施工人員[12]，采用這種表達方式使作業人員對管道信息的提取做到一目了然，不僅能很好地表達模塊的詳細尺寸，還能方便地看到模塊三維狀態，給管件預制加工帶來了便利。

創建企業族庫、自主開發相應的軟件工具，將石化工程中常用的正等軸測圖(ISO圖)引入到BIM軟件中(目前已成功實現在Autodesk Revit中的應用)，生成管道軸測圖，同時利用二次開發插件完成管線尺寸標記、標注等工作。該方法解決了BIM軟件繪制正等軸測圖標注困難、二維表達混亂、不清晰等問題，相較于傳統機電工程平剖圖更易讀、圖紙精度更高、出圖效率更高、管線預加工兼容性強[12]。

3 3D激光掃描技術

隨著BIM技術的不斷普及和深入應用，越來越多的施工企業意識到深化設計與施工階段緊密聯接的重要性。深化設計不僅僅是對設計圖紙的進一步深化，更是對項目實施過程中問題的前瞻式解決。

圖2 自主開發插件及正等軸測圖

由于現場土建結構與建筑施工、設備基礎施工難免會存在一定的誤差，通過對現場進行實測，同時結合3D激光掃描技術(又稱實景復制技術)通過高速激光測距原理獲得三維空間坐標數據，將多個數據串聯在一起形成建筑內部與外部的點云數據，然后將掃描到的點云文件導入到掃描軟件中特定的處理中心(如REVIT中.rcp和.rcs索引格式)，形成完整的點云模型，最后采用BIM逆向建模技術，將點云數據形成實體模型，該點云數據與Revit2012以后的版本可做到兼容與結合[13]。通過三維掃描技術將現場情況真實準確地反饋到BIM模型中，清晰地反應建筑機電設備的區間位置、安裝位置與土建結構之間的位置關系[8]。

與此同時對工廠預制的設備、管道進行測量，將實測數據反饋到BIM模型中，通過不斷調整BIM模型數據，使模型與實際相契合。BIM模型詳細的展示設備與設備或建筑構件間的接口信息[8]，模型集成建筑、機電元素的的幾何信息、物理信息和拓撲信息。

通過3D激光掃描技術與BIM逆向建模技術完美的結合，科學高效地解決了深化設計階段與現場施工階段銜接的問題，確保了BIM模型信息的精準性，降低了后期現場裝配過程中的變更，提高了現場裝配的精度和質量，節省資金成本及時間成本，大大提高了工程管理效率。

4 虛擬預裝配技術

為了將安裝誤差最小化，實現一站式裝配，通過引入虛擬預裝配技術，使設計圖紙、現場實際情況、施工工序在BIM模型中進行深度的結合。BIM模型中各個施工構件按實際尺寸、安裝位置、標高、連接方式、施工工藝先后順序進行現場裝配過程模擬，再次復核管線排布的錯、漏、碰問題的同時，對安裝過程中可能發生的工作面偏離或誤差的重點、難點及風險，提前預估誤差積累值，通過安裝方案的調整減少誤差的積累。

通過不斷優化確定最終方案，對安裝過程中的細節通過三維剖面圖與動態漫游相結合的方式向施工技術人員進行沉浸式可視化交底，使安裝人員更能充分理解施工方案，減少因個人主觀意識造成的錯誤理解，在保證施工質量的同時進一步提高施工工效。通過虛擬預裝配的整個過程，提前解決了安裝過程中的隱患，實現了機電系統裝配過程的高精度控制。

5 項目應用

從BIM模型創建、3D掃描模型優化、模塊劃分、出圖預加工、虛擬預裝配等方面出發，裝配式機電BIM模型精細化控制技術在實際項目上進行了成功應用。

5.1 BIM模型精細化控制設計方案

(1)高精度BIM模型的建立

圖3 精細化參數化族

根據項目需要結合實際采購設備清單資料中的機電各部品部件詳細的尺寸參數、接口位置等信息，創建了多個可參數化族，以及與廠家的真實尺寸相匹配的裝配式LOD400族(如圖1所示)，根據設計需求實現族的參數化驅動，通過修改設置參數的方式，實現了不同類型、不同尺寸裝配模塊的快速設計。項目各階段的技術人員通過構件賦予的詳細的參數化信息，實現高效準確的信息提取，從而加強裝配式機電實施過程中的高效化管理。根據施工圖和已建立的設備族，建立設備器具、橋架、線槽、水管、風管、閥門等模型，通過精細化的BIM模型進行機電管線綜合，提前進行碰撞檢查避免沖突的發生。

(2)3D掃描、模型優化

采用3D激光掃描技術進行現場復核，采集到的現場真實的尺寸信息，點云數據如圖4所示，對點云數據進行去噪、冗余數據剔除、軸網匹配后，將三維點云模型與BIM模型的疊加整合(圖5)進行色譜偏差分析，在理想的掃描條件下，掃描精度達到2mm[14]，綠色部分表示偏差較小，在誤差可控范圍內，紅色部分代表偏差較大，最大值約為180mm(圖6)。對于偏差較大的區域進行問題查找，進而調整BIM模型(圖7)，使模型與安裝現場高度契合，形成一個真實、信息全面的虛擬建筑信息集成模型。

圖4 三維點云

圖5 點云與模型整合

圖6 偏差分析

圖7 模型調整

(3)模塊劃分、預制加工

利用BIM技術進行模塊劃分，根據加工廠的設備加工需求合理利用法蘭進行管道分段，結合閥門、儀表形成各種設備模塊。綜合考慮管道場外預制和運輸的便利，實現現場安裝無焊接，模塊劃分接口避開管道支吊架部位。通過Revit API接口，自主研發了Revit插件(圖8)，可以將管線在滿足國家規范的情況下大批量自動切割劃分管道，并自動按規則編號。

圖8 管道自動拆分插件及模塊示意圖

圖9 正等軸測圖紙

模塊劃分完畢后，利用的三維尺寸標注出圖。通過二次開發插件完成管線尺寸標記、標注等工作并生成ISO管線加工圖(圖9)。工廠根據圖紙和材料表的數據信息，利用專業的加工設備對管道進行機械化流水制造，加工、焊接、探傷、熱處理，嚴格的生產流程在保證了質量的同時大大減少了臨時材料、零星材料的使用量，降低了加工成本。

在BIM模型中對每個模塊信息進行自動編碼，編碼具有空間位置唯一性、可查詢性，將圖紙上傳至網絡服務器生成二維碼作為模塊自身獨有的身份“ID”，現場技術人員通過掃描二維碼即可查看圖紙。

(4)虛擬預裝配

圖10 模塊的虛擬預裝配

圖11 地下室走道模型與現場圖

圖12 一層走道模型與現場圖

項目施工階段遵循“先試后建、虛擬建造”的原則，利用BIM技術進行信息化構件預裝配模擬(圖10)，將三維掃描/實際測量的預裝配構件的控制截面數據通過坐標轉換后導入BIM模型中，核對構件加工偏差和構件之間的空隙是否滿足規范要求，在施工前最大程度地發現問題、解決問題，通過對現場實際施工過程的模擬和預裝配分析，確定設備部件組裝及管道安裝的最優方案，實現施工現場一次整體拼裝成型[15]。

5.2 實施效果及效益分析

通過BIM管段編號，三維模擬施工，優選最佳管排安裝順序，在確保安裝精度和質量前提下，完成管道的整體提升組隊及法蘭盤拼接，BIM模型與現場實施效果如圖10所示。

項目采用“深化設計—工廠預制—虛擬預裝配模型一體化”的裝配式機電精細化BIM模型控制方案，LOD400高精度的BIM族，提高了建模效率及BIM應用深度，結合三維激光掃描技術進行偏差分析節約了人工測量的時間成本加快了設計進度，通過引進ISO出圖方法大大提高了圖紙的精準度，使技術人員能夠一目了然地獲取信息。

6 結語

裝配式機電是BIM精益化、數字化制造的體現，本文提出了裝配式機電精細化BIM模型控制設計方案，同時結合實際工程進行了應用，通過對裝配式機電各階段的統籌管理，將BIM模型精細化控制工作進行細化分解，利用科學化、信息化、標準化的技術手段，在保證機電系統安裝質量的前提下，進一步提高了施工效率，為裝配式機電全過程精細化控制奠定了良好的基礎。在保證高精度BIM模型的前提下，如何兼顧快速性及模型輕量化，是在實際開發應用中仍需不斷探索和努力的方向。