基于BIM技術(shù)地下車庫管線綜合應(yīng)用研究

郝小楊 李 昊 張 園

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學院 呼和浩特 010070)

引言

管線綜合一直是機電安裝工程的重點難題，管線綜合是由多專業(yè)協(xié)作完成，但是傳統(tǒng)二維管綜設(shè)計與深化有很大的局限性，如隱藏在空間上的碰撞矛盾與問題難以徹底的暴露，管線綜合表達不夠準確合理，為施工現(xiàn)場留下了不可控的弊端因素，直接或者間接造成經(jīng)濟損失[1]。信息技術(shù)已然成為建筑產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與管理的關(guān)鍵因素[2]，建筑信息模型(Building Information Modeling)被認為是建筑行業(yè)的又一次信息技術(shù)革命，以高效、智能的三維數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，并以其獨特的工作方式將項目信息集成匯總，最終生成數(shù)據(jù)模型[3]。BIM不僅僅是單一或多個軟件集合，更重要的是信息集成的管理方式[4]。BIM技術(shù)輔助機電設(shè)備安裝施工，相當于對建筑設(shè)計的提前“預(yù)演”及圖紙的“三維校核”[5]，實現(xiàn)保質(zhì)提效的目的，同時基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺的基礎(chǔ)上[6]，確保多專業(yè)工程信息獲取及時準確，破除各專業(yè)間的信息壁壘、數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)象[7]，實現(xiàn)專業(yè)間的信息共享，同時滿足國家倡導(dǎo)的綠色施工的理念要求。

1 BIM輔助管線綜合優(yōu)勢分析

1.1可視化

以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的項目綜合交付模式，將帶來新的項目管理模式的變更，實現(xiàn)信息共享及團隊間的高效協(xié)作[8]。BIM技術(shù)的基礎(chǔ)是集成項目信息的數(shù)據(jù)模型，將線條式的構(gòu)件變成三維模型，直觀的查看項目狀況，提前消除設(shè)計階段未發(fā)現(xiàn)的隱蔽問題，最終輸出能夠指導(dǎo)施工的綜合圖紙[9]。

1.2 集成化

BIM模型是隨著項目進行，工程信息的實時錄入并進行優(yōu)化[10]，再提交、共享給所需人員的過程。將建筑供應(yīng)鏈上的各參與制信息集成到整體模型數(shù)據(jù)庫中，將建筑供應(yīng)鏈各成員企業(yè)的信息模型協(xié)同的集成到建筑供應(yīng)鏈的整體信息模型數(shù)據(jù)庫中[11]。因此BIM模型應(yīng)用于管線綜合階段，BIM模型可以真實反映管道的尺寸、高度、管道類型等信息，在模型中以不同顏色區(qū)別不同類型管道，碰撞檢測及管道優(yōu)化更加方便，施工模擬階段對有疑問的位置查看更為方便,同時利用信息集成的手段保證項目的管控水平有效提高。

1.3優(yōu)化性

根據(jù)施工圖紙搭建模型過程中，相當于對圖紙的二次審核，克服傳統(tǒng)二維審圖效率低、易遺漏的問題，及時處理施工圖存在的不足及問題[12]。模型搭建完成后，將模型進行碰撞檢測并進行人工復(fù)核找出有效碰撞點，解決碰撞問題，對于管線密集區(qū)域，在保證滿足規(guī)范要求的前提下預(yù)先排布，通過BIM模型進行事前模擬，檢查凈高不滿足的區(qū)域，再通過設(shè)計調(diào)整及優(yōu)化布置實現(xiàn)凈高需求，并輸出剖面圖、三維管綜圖指導(dǎo)施工[13]。

由以上分析可知，BIM技術(shù)在管線綜合方面具有較強的優(yōu)勢，以三維可視化立體的方式將復(fù)雜管線呈現(xiàn)給管理者，并將相關(guān)信息存儲于模型中，實現(xiàn)設(shè)計、施工、管理一體化[14]。

2 BIM輔助管線綜合應(yīng)用

2.1模型精度

BIM技術(shù)最大的特征是改變了傳統(tǒng)二維紙質(zhì)媒介傳遞建筑信息的方式，通過管理軟件將設(shè)備構(gòu)件、管理人員及技術(shù)設(shè)備聯(lián)結(jié)在一起，實現(xiàn)建筑信息化的高效管理[15]。BIM技術(shù)服務(wù)于項目的基礎(chǔ)是BIM數(shù)據(jù)模型，模型搭建的精度與速度對BIM技術(shù)的應(yīng)用有極大的影響，數(shù)據(jù)模型始終貫穿于項目的整個生命周期，模型的內(nèi)容與細節(jié)是由項目生命周期內(nèi)各專業(yè)在應(yīng)用階段對模型信息需求決定的，因此項目各主要參與方前期及早的確定并及時參與進來，協(xié)同工作[16]，確定各階段項目需求，以需求為導(dǎo)向確定各階段數(shù)據(jù)模型的精度標準。

BIM模型建立精度(Level of Detail, LOD)現(xiàn)今已有英國AEC(UK)以及美國建筑學會(AIA)組織提出相關(guān)定義與標準。AIA將模型精度分為五階段，各分別為LOD 100、LOD 200、LOD 300、LOD 400 及LOD 500，每一階段LOD模型內(nèi)容必須符合所訂定的度要求[17]。如表1所示：

表1 美國建模精度

2.2深化設(shè)計

施工前依據(jù)設(shè)計方輸出的施工圖紙進行深化設(shè)計，有效的提高施工質(zhì)量與效率。BIM技術(shù)輔助管線綜合其深化設(shè)計主要包括將水、暖、電等專業(yè)模型鏈接整合在一起，同時將結(jié)構(gòu)模型與機電模型進行鏈接整合，有效的利用BIM技術(shù)的可視化功能，查找碰撞點、局部空間狹小管線密集難排布、空間布局優(yōu)化，根據(jù)管線調(diào)整原則及施工規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場安裝實際情況對管線進行優(yōu)化綜合排布，深化設(shè)計圖流程如圖1所示：

圖1 BIM輔助深化設(shè)計流程圖

2.2.1碰撞檢查

機電安裝系統(tǒng)主要包含采暖、空調(diào)、通風防排煙、給排水、消防、供配電等，BIM輔助管綜充分首先創(chuàng)建不同專業(yè)的數(shù)據(jù)模型，并將模型與構(gòu)件屬性關(guān)聯(lián)，之后把數(shù)據(jù)模型在軟件中進行整合，連接模型導(dǎo)入到Navisworks中進行碰撞檢查，根據(jù)檢查報告的構(gòu)件ID進行準確定位，根據(jù)屬性面板的信息進行篩選有效的碰撞點，通過報告可以清晰明了的找尋碰撞位置、碰撞原因及碰撞類型等信息。

2.2.2車道、車位專項分析

傳統(tǒng)車道車位進行分析時將二維圖紙層疊，對于車道坡度、中心線高、梁高的檢查，需要車道平面圖同剖面詳圖核對，二維圖紙缺乏聯(lián)動性，不僅費時費力且容易出錯，造成疏漏。車道高度計算方面，二維圖紙需以人工方式計算車道中心線個點高度，在一一核對車道平面詳圖與立面詳圖的車道中心線各點高度與水平為是否一致，進而考慮凈高問題。車道因設(shè)計問題需要重新設(shè)計時，需要將結(jié)構(gòu)圖、建筑圖層疊，才能得知是否出現(xiàn)沖突。

基于BIM技術(shù)的車道車位專項分析，利用平面圖紙建立模型，以模型作為介質(zhì)，將3D模型與2D圖紙進行結(jié)合，可以利用模型減少車道設(shè)計人工核算的疏漏，同時可以直觀的查驗車道凈高是否滿足要求，車道調(diào)整較為便捷，且直觀的查看調(diào)整后車道與周邊構(gòu)件的空間關(guān)系。

2.3管綜出圖

在完成碰撞檢查、管綜優(yōu)化等工作后，能得到完整的管綜優(yōu)化模型及復(fù)雜節(jié)點的三維模型，利用數(shù)據(jù)模型輸出機電三維圖，三維模型圖準確的定位管線的安裝的先后順序、標高及管線詳盡的尺寸標注等信息，相對于二維圖紙而言，三維模型圖視覺上更加直觀，對于管線密集、空間關(guān)系復(fù)雜的設(shè)備機房和走道區(qū)域，能清晰的表達管線的空間關(guān)系，利用已經(jīng)完善的數(shù)據(jù)模型制作施工技術(shù)動畫、實景交互動畫及二維碼等，簡化復(fù)雜節(jié)點的施工技術(shù)交底，提高施工人員對項目的熟悉程度，保證施工質(zhì)量與進度。

3 項目實例

3.1項目簡介

本文從內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市某高層住宅項目地下車庫為例，該項目為北區(qū)第二標段，其總建筑面積為107,357.04m2，地上建筑面積88,159.13m2，地下車庫整體建筑面積為40159.82m2。設(shè)置停車位1326個，該地下車庫南北高差大，車庫自北向南傾斜。該項目體量巨大工期緊張，且設(shè)計方輸出的圖紙中采用的是絕對標高，不利于項目的結(jié)構(gòu)、機電模型的搭建、管綜優(yōu)化及凈高分析。

由于項目自北向南傾斜，車庫梁頂部標高均不相同。管線排布最低點處能否滿足規(guī)范要求的凈空標準、最高點處空間布局是否合理及同一管道在敷設(shè)在底高度不同的梁下時等問題的解決尤為重要。因此，只依靠二維圖紙進行深化、調(diào)整，基本無法形成有保障的排布方案。

鑒于上述難點，項目采用BIM技術(shù)輔助管線綜合應(yīng)用，應(yīng)對以上問題。

3.2各專業(yè)BIM模型搭建

BIM模型作為后期應(yīng)用的基礎(chǔ)，模型精度與細節(jié)的掌握都需要預(yù)先制定相應(yīng)的規(guī)則加以約束(如圖2)。

圖2 模型精度流程圖

不同專業(yè)在不同階段所需要表達的模型精度也大相徑庭。機電安裝項目涵蓋了暖通、給排水、消防、電氣等專業(yè)。本項目是地下車庫管綜項目機電安裝項目，涉及的專業(yè)繁多，輸出的施工圖需要進行現(xiàn)場施工指導(dǎo)。因此在項目初期就進行模型精度的探討，將模型精度定義到LOD300，即表現(xiàn)模型元素的數(shù)量、形狀、位置、方向及構(gòu)件關(guān)系，如圖3所示為低區(qū)熱水循環(huán)泵房與管道連接。

圖3 低區(qū)熱循環(huán)水泵連接

本項目地下車庫結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，地下車庫管綜模型如圖5所示

圖4 地庫結(jié)構(gòu)模型

圖5 地庫管綜模型

3.3 碰撞檢測

碰撞檢查能夠在施工前對施工圖紙進行一次審查，避免因尚未發(fā)現(xiàn)的圖紙問題導(dǎo)致施工過程返工，同時對于二維圖紙不能發(fā)現(xiàn)的密集區(qū)域隱蔽問題，進行預(yù)先排除，減少大面積拆改的現(xiàn)象，把控施工質(zhì)量進度及造價。

碰撞檢查分為單專業(yè)內(nèi)部碰撞檢查和多專業(yè)碰撞檢查，本項目首先進行單專業(yè)之間內(nèi)部碰撞檢查，然后進行多專業(yè)之間碰撞檢查，碰撞檢查結(jié)果如表2所示：

表2 碰撞檢查統(tǒng)計

單專業(yè)碰撞檢查圖6所示為風管專業(yè)與直飲水碰撞檢查。

圖6 單專業(yè)碰撞檢查

多專業(yè)碰撞檢查如圖7，圖示為管道與整個項目的其他專業(yè)進行碰撞檢查。

圖7 多專業(yè)碰撞檢查

3.4車位、車道專項分析

管線進行綜合排布與優(yōu)化時，不僅需要管線綜合排布美觀合理，同時需要將空間凈高作為重要參考因素，需滿足規(guī)范要求的凈高標準，在此基礎(chǔ)上進行合理的優(yōu)化，盡可能的提高空間高度，空間凈高的減少，每平方米的造價成本也會隨之減少，有效的節(jié)約成本，同時減少土方開挖量，工期也隨之縮短。針對車位凈高(圖9)以及車位使用方面，提出優(yōu)化建議；輔助優(yōu)化車位設(shè)計，提前暴露不利因素，降低風險，便于營銷定價。

本項目地庫層高3700mm，板厚250mm，板下凈高3450mm，最高梁900mm，梁下凈高2800mm。風管底距地面2500mm，支吊架按50mm考慮，采暖管道、消火栓管道、噴淋主管、給水管道同層安裝，車位處管道中心距地2450mm，車道處管道中心距地2650mm，支吊架按100mm考慮。橋架車位處底部距地為2400mm，車道處底部距地為2600mm，支吊架按50mm考慮。機電管線所占用的空間高度大約為1000mm，部分管線距頂板底50mm。

管線調(diào)整已考慮支吊架及燈槽所需空間共150mm，管線間距排布已將保溫層厚度考慮在內(nèi)。

經(jīng)過管線優(yōu)化后如圖8，車道凈高可達到2400mm，車位凈高可達到2200mm。

圖8 車道、車位管線優(yōu)化排布 圖9 車道車位凈高分析

3.5管線優(yōu)化實踐

利用碰撞檢查報告中的ID進行碰撞點精確定位，然后根據(jù)管線調(diào)整的基本原則及施工規(guī)范要求進行管綜優(yōu)化。

管線優(yōu)化的基本原則：總體原則是充分利用梁內(nèi)空間，避免與其他管道沖突，滿足層高要求；避讓原則：有壓讓無壓，小管避讓大管，冷水管道避讓熱水管道，管道附件少的避讓管道附件多的，臨時管道避讓永久管道，低壓避讓高壓，空氣管道避讓水管道；垂直排列原則：熱介質(zhì)管道在上，冷介質(zhì)在下；無腐蝕介質(zhì)的管道在上，腐蝕介質(zhì)的管道在下，氣體介質(zhì)在上，液體介質(zhì)在下；保溫管道在上，不保溫管道在下；高壓管道在上，低壓管道在下；金屬管道在上，非金屬管道在下；不經(jīng)常檢修的管道在上，經(jīng)常檢修的管道在下等。

如圖10所示，風管在梁下100mm敷設(shè)時，630×400的風管底部高程為-3.94m，風管底部距地面高度小于業(yè)主要求的凈空標準，在與設(shè)計溝通協(xié)商后，在保證不影響風管功能的前提下，使用800*320mm的風管進行替換。

a 優(yōu)化前 b 優(yōu)化后

3.6管線綜合出圖

相對于傳統(tǒng)圖紙信息雜亂無序，利用BIM技術(shù)出圖性很好的克服了傳統(tǒng)圖紙問題，將設(shè)計與現(xiàn)場緊密聯(lián)系起來，由于三維模型不能在二維圖紙體現(xiàn)，所以需要繪制各種二維圖紙[18]，利用BIM技術(shù)不僅可以導(dǎo)出二維平面圖，還可以對于復(fù)雜節(jié)點導(dǎo)出節(jié)點大樣圖(如圖11)，管道的層次關(guān)系直觀、明確，加強施工人員對項目的了解，提高工作效率，可以依照設(shè)計標準完成管道的施工質(zhì)量和進度控制。

圖11 節(jié)點大樣圖及剖面詳圖

4 BIM技術(shù)效益分析

4.1 成本分析

通過BIM技術(shù)輔助管線綜合應(yīng)用，預(yù)先解決機電管線之間的問題，減少了施工過程中不必要的返工和材料的浪費，減少了工程變更，提高工作效率，實時監(jiān)測資源曲線、資金曲線及物資查詢功能管控現(xiàn)場人、材、機并制定合理的計劃，通過清單三算與資源三算對項目做出最合理的決策[19]。進而控制了造價，極大的節(jié)約了成本。在滿足設(shè)計規(guī)范及業(yè)主要求的情況下，對項目層高進行合理的優(yōu)化降低，層高降低可以減少土方的開挖量，也可以實現(xiàn)節(jié)約成本的目標。

4.2 進度分析

本項目解決管線碰撞問題，降低返工率，縮短工期；復(fù)雜節(jié)點三維可視化交底，提高安裝施工人員工作效率，節(jié)省工期；以模型為中心連接各個參與方，有效的提高協(xié)作解決問題的效率。

4.3 社會效益分析

利用BIM技術(shù)的可視化和模擬性使得施工人員對整個機電管線的安裝更加熟悉，模擬管道的安裝過程進一步增加施工人員的安裝經(jīng)驗，提高管道安裝的質(zhì)量和效率，促進機電設(shè)備安裝綠色施工，同時利用BIM技術(shù)的協(xié)同性，使得各個參與方聯(lián)系更加緊密，更加便捷的解決項目過程中出現(xiàn)的問題，提高整個項目的管理效率。BIM技術(shù)的優(yōu)化性預(yù)先解決管道碰撞問題，減少施工過程返工量及拆改面積，縮短工期，同時在項目施工過程中，對比工程實況與實時施工模型，以動態(tài)管理的方式輔助施工,通過BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，最大程度的實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”推動建筑產(chǎn)業(yè)低碳化[20]。

結(jié)語

BIM技術(shù)被認為是能對建筑行業(yè)帶來二次信息革命的新技術(shù)，正在被應(yīng)用于不同階段發(fā)揮其應(yīng)有的價值，但是BIM技術(shù)普及還需要過程，BIM技術(shù)在我國發(fā)展已經(jīng)從單一的數(shù)據(jù)模型為中心轉(zhuǎn)向模型的多方面應(yīng)用，以實際案例為中心，分析BIM技術(shù)輔助管綜的主要應(yīng)用點，從模型精度的確定到深化設(shè)計階段，碰撞檢測、車位車道專項分析及施工模擬等多方面應(yīng)用點，有效的克服傳統(tǒng)管綜的問題，以數(shù)據(jù)模型為中心，以階段需求為目標，將BIM技術(shù)的價值最大化解決項目實際問題，從成本、施工進度、社會效益方面進行項目評價分析，結(jié)果表明基于BIM技術(shù)的管綜應(yīng)用有效的管控成本、增強各參與方的協(xié)作交流、提高現(xiàn)場問題解決的效率、保證施工進度計劃等。本文為BIM技術(shù)輔助管綜應(yīng)用提供一定的參考，促進BIM技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的推廣。