BIM技術在醫院建筑管線綜合設計中的應用
——以孫逸仙心血管醫院為例

吳京戎 姜金延 熊能超

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，武漢 430068)

引言

BIM 技術通過三維的共同工作平臺以及三維的信息傳遞方式，可以為實現設計、施工一體化提供良好的技術平臺和解決思路，以解決目前的協調性差、整體性不強等問題。利用計算機建立BIM模型，可以對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑施工管理信息、以及設備等各專業相關數據集成與一體化管理。BIM技術可以在設計階段進行各專業間的碰撞檢查，深化設計，避免施工階段存在無效的返工和材料的損失，進而有效控制工期，節約成本，提升建筑的綜合效益。把BIM技術的管線綜合應用到項目中，快速定位管線的碰撞和管線與各專業間的碰撞，導出碰撞點，分析并解決問題，可以提高各專業間的協調效率。

對于BIM技術在管線綜合設計中的應用，馬躍構建適用于機電管線綜合排布的模型標準框架，進而完善凈空漫游運算環節，促進機電工程設計—施工管理技術的發展[1]。王欣睿從管線綜合設計原理出發，利用BIM技術在碰撞檢查、優化設計、解決凈高、驗證復雜空間、三維交底5個方面的優勢，分析BIM作為輔助設計的重要性[2]。楊紅巖等結合實際的項目案例，采用BIM技術進行管線綜合，高效地解決了機電管線綜合各專業間的沖突，深化設計任務繁重、后期大量返工等不利因素[3]。藏少君以典型的物流傳輸系統為依托，進行實地參觀調研、資料收集、整理、總結和分析，總結出醫院物流傳輸系統的建設模式以及相關技術設備要求[4]。

可見，基于BIM的機電工程的管線綜合在設計階段就要考慮到機電專業與其他各專業間的專業協同的問題，其中主要是管線碰撞、凈空協同的問題。提前利用BIM技術進行優化設計，精細化排布，管線綜合排布可以達到最大程度節約空間和高效施工運維的要求。特別是醫院這種運營以后人員密集的場所，對于管線系統的精密性、復雜性和特殊性有更高要求，尤其是軌道式物流傳輸系統和通風系統需要考慮到一些特殊管線設備的排布如軌道小車、排風機房和冷凍機房等，使這些管線設備融合到整個機電的管線綜合系統中，達到最優的管線綜合排布，最終提升其綜合效益。這就需要BIM技術在機電工程的管線綜合設計流程方面更具有合理性和標準性，使管線綜合在后期整個工作過程中達到醫院使用的要求。鑒于此，本文通過分析已有成果和文獻，結合實地調研，以孫逸仙心血管醫院為例，對BIM技術在醫院建筑管線綜合設計中的實際應用、技術要點和難點進行分析，以期為后續BIM技術在類似項目中的應用研究提供參考。

1 孫逸仙心血管醫院項目概述及管線綜合設計難點

1.1 工程概況

深圳市孫逸仙心血管醫院項目地址位于深圳市南山區朗山路，總建筑面積8.8萬多m2，主要包括新建醫療綜合樓1棟，地上20層，建筑高度93.15 m，新建行政辦公樓1棟，地上6層，高度32.95 m。本項目含有智能化、消防、凈化空調、機械停車庫、醫用氣體、垃圾收集、核輻射防護、信息物流傳輸等多種功能，是一所設施完善的綜合性高等級醫療建筑。其中心血管內科和大血管病外科目前在華南地區處于領先地位，心臟移植手術成功率達國內外先進水平。

1.2 管線綜合設計難點

(1)管線綜合難點

醫院為了優化其運作模式，提高醫療的服務質量，降低醫院的運營成本，引進了軌道式物流傳輸系統(Track Vehicle System)，即利用物流小車在專用軌道上傳輸物品的系統。如圖1所示。此系統占據了一定的建筑空間，軌道系統是在吊頂的下方，對天花板高度要求比較高。為了讓天花板內部的各種管線和物流軌道用更加合理的方式排布，使整個空間顯得簡潔美觀，保證軌道安全使用，建筑設計必須預留足夠的使用平臺和洞口，物流洞口都需要設置防火裝置?；贐IM技術的管線綜合可提前模擬軌道的走向，優化錯綜復雜的管線和物流軌道的排布，降低物流軌道系統對功能布局產生的影響。

醫院屬于大型建筑物，結構復雜，隔墻眾多，導致建筑內部通風不暢，必須將室外新風通過風機送入建筑內部，并將建筑物內的空氣排出。醫院屬于人員密集場所，對場所內空氣潔凈度的保持要求較高，而排風機房排風管尺寸較大，管道錯綜復雜，借助BIM技術可提前進行排風機管線的設計，優化敷設方式，避免翻彎過多，從而影響到風管風壓，保證整個排風機房的運作效率。如圖2所示。

圖2 排風機房風管

(2)凈空協同難點

醫院建筑作為專業性較強的建筑，在有限空間內需滿足特定區域功能需求，協調凈空高度。如醫療功能區域的凈空協調、管井煙道的位置確定、車道凈高的確定等，需根據不同需求具體分析，合理協調各空間位置和凈高。通過BIM技術進行醫療空間區域分析、管煙井道位置分析、設備管線綜合分析、車道凈高分析，按照醫療綜合樓部分凈高標準進行控制，如表1所示，可以保證凈空達到醫院建筑標準，解決凈空協同問題。

表1 醫療綜合樓部分凈高標準

(3)信息管理難點

醫院建筑這種大型項目從立項開始，到設計、施工乃至運維每個階段都會產生大量的數據信息，為了能保證數據信息的完整性、連續性、系統性以及可共享性，通過BIM技術的全過程參與和信息集成，在管線綜合設計階段可以進行工程量統計和構件信息共享，結合其他技術如RFID可以銜接施工生產階段，做到信息管理一體化。

2 BIM技術在管線綜合設計中的應用方向

項目采用Revit、Navisworks、Lumion、Auto CAD、3d Max、BIM 5D管理平臺等軟件進行全專業BIM模型的搭建及應用，通過軟件碰撞檢測和漫游等功能快速導出碰撞點并優化，反復檢測修改后得到施工模型。整個BIM技術的應用流程圖如圖3所示。

圖3 BIM技術的應用流程圖

醫院建筑管線工程綜合設計原則：小管讓大管，小管繞彎容易，且造價較低； 有壓管讓無壓管，無壓管改變坡度和流向，對流動影響較大； 分支管讓主干管，分支管的影響范圍和重要性不如主干管； 低壓管讓高壓管，高壓管造價高，且強度要求也高； 金屬管讓非金屬管，金屬管易彎曲、切割和連接； 閥件小的讓閥件多的，考慮安裝、操作、維護等因素； 可彎管讓不能彎的管等[5]。

醫院建筑BIM管線綜合設計流程為：用二維軟件CAD得到初步設計圖，各專業人員集中在一起進行圖紙會審，把審查過的圖紙移交給BIM設計團隊，利用Revit軟件創建出各個專業的模型，進行Revit MEP管線綜合設計，特別是物流小車軌道走向對凈空要求比較高，須保證在行徑的過程中不會發生和其他管線或結構的碰撞； 醫院手術室CCU等為Ⅰ級潔凈手術室，具有獨立的凈化空調系統優化送風口和過濾器的位置，需要考慮與整個機電系統的協調； 每個設備的大修、日常維護需要拆卸的檢修口的具體位置需要準確定位，便于后期的維護。把得到的模型導入Navisworks軟件進行碰撞檢測查找出碰撞點，結合Lumion軟件做虛擬動畫漫游進一步檢查各個物體的空間關系[6]。快速進行模型的調整和圖紙的優化設計，直到達到設計的標準，進行管線綜合成果圖的輸出?；贐IM的管線綜合設計路線流程如圖4所示。

圖4 基于BIM的管線綜合設計路線流程圖

2.1 碰撞檢測

醫院建筑圖紙會審合格后創建出各個專業和系統的模型，如本機電項目共有水電、空調、智能化等12個系統，包括醫療智能化系統、醫用氣體系統等特定系統，加上土建結構共建模13個系統，對兩棟建筑23層全面進行設計深化，利用NavisWorks軟件對10多種系統類型管線進行碰撞檢測[7-8]。發現醫療綜合樓標準層以下每層7 840多個碰撞點，標準層每層1 210多個碰撞點，碰撞點如圖5所示，按吊頂高度、安裝操作、運行功能、維護檢修等要求全面綜合進行了調整，滿足了各項要求，解決了管線設計難題。

圖5 碰撞點示例

2.2 凈空分析

醫院室內的空間較少，管線和設備居多，醫院的軌道物流系統、上下三層的地下機械停車庫、排風機房風管和車道橋架布局等對室內的凈空要求比較高。利用BIM技術分析出管線凈空存在的問題，根據所建的模型找到解決凈空問題的處理策略,如圖6所示。不僅需要考慮到自身的排布規則和方式，還要考慮到后續的施工空間，使用過程中的維修空間等因素。在設計階段就需要考慮到模型的精細度和施工的方便可行性，從而解決凈空協同問題。醫院建筑屬于人員流動性較大的建筑，“停車難”的現象尤其突出[9]，通過引入立體機械停車庫設計來達到醫院建筑的使用需求。機械停車庫采用全鋼架結構，如圖7所示，上下三層，增加了空間，先后運用BIM技術，提前發現空間高度不夠的位置，報審設計院修改，避免后期施工階段返工。車道一部分凈高只有2.475m，由于車道為螺旋弧形，按設計安裝部分管道底部標高只有約1.9m，無法保證2.2m的最低標高，通過BIM技術提前預知并進行深化設計，如圖8所示，車道凈高問題得以解決。

圖6 凈空分析及處理策略流程圖

圖7 機械停車庫示意圖

圖8 車道深化設計示意圖

2.3 管線綜合排布優化

傳統的管線綜合設計是以二維圖紙為基礎，在CAD軟件下進行各系統疊加。施工人員憑借自己的施工經驗對管線進行排布與調整，并以傳統平、立、剖面形式加以表達； 在三維環境下，可以查看模型中任意角度，特別對于管線布置縱橫交錯，設備復雜位置的項目來說，通過Revit Mep深化后出施工圖紙，能提高施工效率[10]。

在保證滿足設計和使用功能的前提下，管道、管線盡量暗裝于管道井、電井內、管廊內和吊頂內。而本工程排風機房排風管尺寸較大，管道較多，通過應用BIM技術，優化風管敷設，避免管道過多翻彎，影響風管風壓，達到合理化，如冷凍機房管線深化，如圖9、圖10所示。物流軌道的需要穿過水平方向的墻體，因此需要預留洞口，BIM軟件可以直接在模型中預留洞口，精準定位洞口的標高和尺寸，方便后續的施工。物流軌道垂直方向可以直接通過電井來進行布置，節約了空間，但需要考慮到軌道小車在電井內的運行空間，把物流軌道當成一種管線，利用BIM技術可以更好地進行優化設計。

圖9 冷凍機房管線深化效果圖

圖10 冷凍機房管線深化出圖

結合施工現場的經驗，還要考慮到管道是否要保溫、安裝空間、天花高度、管材行駛，不同的管材，厚度不同，占用的空間也不相同。為了提高施工的效率，未來的支吊架更多會轉變成綜合吊架。做到管線綜合現場施工經驗和BIM技術的融合，不再是停留在紙上談兵的階段，落實到實際中，使做出的管線綜合的方案是可行的[11]。

利用Lumion軟件制作三維動畫，機械停車庫、車道視頻漫游等全面展示設備、管線、建筑結構的位置、軸線標高關系，有助于項目管理人員掌握整個工程的空間關系。

最后進行成果圖輸出，包括①三維圖； ②局部大樣圖、剖面圖； ③支吊架④安裝順序⑤工程量清單等，如圖11。

圖11 施工成果圖

2.4 信息統計和追蹤查驗

利用BIM技術對管線綜合的信息集成，導出管線構件的工程量統計，如圖12所示，可與投資監理統計的工程量清單進行對比修正，為招標預算提供數據基礎[12]。將管線構件進行精細化和標準化管理，并結合RFID技術和GPS技術銜接后面的生產施工階段，實現全過程一體化管理。

圖12 工程量統計圖

3 BIM技術在管線綜合中的應用啟示及建議

通過上述分析可以看出，對于醫院建筑這類結構復雜、管線排布精密的特殊項目來說，BIM技術在三維管線綜合應用的實施要點、注意點體現在：

(1)管線碰撞。由于醫院建筑管線綜合中管線的設計排布較為復雜，通過BIM軟件創建各專業三維模型，初步可觀察機電系統的空間排布，再通過模型整合，對專業協調的結果進行全面檢驗，能重點考量專業間的碰撞沖突、凈空要求、高度方向上的碰撞問題。通過全面檢測管線之間、管線與土建專業之間的所有碰撞問題，得到詳細的碰撞檢測報告，在專業人員的調整下，減少或消除所有的管線碰撞問題。

(2)凈空分析。由于醫院建筑需在有限空間實現更多功能需求，在對管線的標高和位置進行精確定位時，需注意車道橋架布局、軌道物流小車、排風機房風管等重要部位的走向、標高、層次關系的協同設計，以及安裝的空間、管材的形式和天花板的高度等易忽略的要點，同時通過樓層凈高的分布狀態，定位出影響凈高的瓶頸位置進行優化設計，特別是醫院建筑中的軌道物流系統、三層機械停車庫等，可以準確控制凈高及吊頂的高度，對物流系統的軌道排布和走向更具有指導意義。

(3)信息管理。由于醫院建筑的管線設備數量眾多、工序繁雜，對管線信息進行統計和保證設計、施工等各階段的順利銜接尤為重要。通過BIM模型集成各種管線和設備的信息數據，應用相關插件可快速精確統計設備和管線的工程量，提高準確性和便捷性。將管線構件信息化，再結合RFID技術和GPS技術，可實時跟蹤和查驗各構件情況，做到管線綜合設計、生產、施工和運維一體化，優化項目整體建設進程。因此利用BIM技術進行管線綜合設計，從技術上解決了傳統管線綜合中面臨的結構性問題，充分發揮信息化優勢，也顯著提升管線綜合項目的綜合效益，為后續類似項目提供參考價值。

4 結語

本文所研究的醫院項目屬于大型復雜的工程項目，特別是在機電系統涉及到的管線綜合部分，各種管線錯綜復雜，種類繁多，采用BIM技術來進行三維的管線綜合設計能帶來明顯的優勢和意義[13]。通過利用BIM技術對孫逸仙心血管醫院中的管線綜合進行施工流程、重點、難點技術交底，可知BIM技術在本項目中的碰撞檢測、凈空分析和信息統計這三個應用點效果最為顯著，且對于醫院建筑特有的特殊設備的深化設計和綜合排布有突出的優勢，尤其是利用BIM技術對醫院新引進的軌道物流系統、三層機械停車庫等進行優化設計，對車道橋架布局、軌道物流小車、排風機房風管等重要部位的走向、標高、層次關系進行重點關注，使其能合理融入到整個機電系統中，為醫院的高效運轉提供了保障。與傳統管線綜合對比，BIM技術的應用要點體現在管線碰撞、凈空分析和信息管理，合理應用BIM技術進行綜合管線設計能夠顯著提升項目綜合效益，也為后續研究BIM技術在同類型工程項目中的實際應用提供了參考價值。