BIM技術(shù)在機電安裝工程中的應用難點及改進探究

嚴流橋

（1.貴州建工集團有限公司，貴州 貴陽 550005；2.貴州大學，貴州 貴陽 550025）

1 背景

BIM技術(shù)自1975年被提出，2007年中國開始應用，因其可視化、模擬性、可出圖性等諸多優(yōu)勢被建筑企業(yè)廣泛應用，已成為傳統(tǒng)建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，BIM技術(shù)與其他數(shù)字技術(shù)融合應用將是推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的核心支撐技術(shù)［1］。醫(yī)院項目機電安裝工程相對其他民用建筑工程更加復雜、涉及專業(yè)更廣，在受限的空間內(nèi)安裝各種材質(zhì)和介質(zhì)的管線，還要防止其互相影響，勢必對機電安裝協(xié)調(diào)提出極高要求。在機電安裝工程施工中，需要引進一些新材料、新技術(shù)及新設備等。由于建筑機電設備安裝材料類型眾多、施工工藝復雜，因此施工中需要投入大量的人力、物力，并且要求施工管理人員和作業(yè)人員具備豐富的施工經(jīng)驗。G市某醫(yī)院建設項目應用BIM技術(shù)建立三維模型，對管線較多的重點區(qū)域進行圖紙深化和綜合布置，提前發(fā)現(xiàn)和解決了許多圖紙設計問題和管線碰撞問題，減少了施工階段沖突和返工損失、材料浪費，降低了管理成本。但在模型應用中，企業(yè)也發(fā)現(xiàn)了一些難題，影響了BIM技術(shù)的推廣應用。

2 應用的重難點

2.1 BIM軟件及模型輕量化要求

BIM具備功能強大、顯示直觀等優(yōu)點，然而在建筑業(yè)極大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模推動和多方努力下也難以得到全面的推廣應用，更遑論更多領(lǐng)域的拓展，究其原因是要創(chuàng)建和使用BIM需要專業(yè)的軟硬件條件，這些軟件往往較復雜，非專業(yè)人員很難快速掌握，而硬件設施價格昂貴，出于成本的考量，使很多建筑企業(yè)望而卻步。由于模型文件包含的信息和關(guān)系過于龐雜，查看和編輯都需要高性能的計算機硬件，要使BIM能為更多人所利用，首先需要對模型進行“減肥”，即對BIM進行輕量化。

現(xiàn)階段，以施工單位為主導的施工模式下，工程其他相關(guān)方?jīng)]有采購圖形工作站和相應軟件、配置專業(yè)的BIM人才的動力。如果將BIM軟件輕量化，普通辦公電腦、手機即可即時查看模型文件，提取關(guān)鍵信息，對工程相關(guān)單位的溝通和信息傳遞、協(xié)同設計具有重要意義。

在現(xiàn)場施工管理中，要將各專業(yè)設計二維圖紙落地為實物，因工程量大，專業(yè)化分工成為必然。由于設計階段未建立BIM，如果各個專業(yè)僅按照本專業(yè)圖紙依次完成施工，各行其是，最終必然形成僵局。如果將BIM進行輕量化，減少對高性能硬件的依賴性，移動端即可隨時快速流暢地查看 BIM，對推進BIM技術(shù)應用具有重要的意義。

2.2 軟件功能板塊互通需求

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，其應用范圍越來越廣，各功能板塊專業(yè)性劃分越來越細。以魯班BIM軟件為例，其應用包括土建、鋼筋、安裝、基建、場布、下料、造價等，這些功能板塊建立的模型不能共通，需要分別打開不同的建模軟件進行調(diào)整，之后再重新整合，對模型的使用者來說過于繁復，如果軟件廠商可以將開發(fā)的所有BIM軟件整合，打通底層數(shù)據(jù)和操作模式，必定帶給使用者更好的工作體驗。然而，不同專業(yè)的建模邏輯不一，如果單個BIM應用需要集成所有功能，又必然導致軟件的空間占用大，提高了對計算機硬件的要求，這與輕量化的應用需求相悖。

2.3 層高差異導致模型問題

異形建筑能更好地應對使用功能的復雜需求，并且建筑設計要考慮地形地塊的影響、地形的高差和地塊的劃分等。在房建工程設計中，為良好表達各個專業(yè)的施工內(nèi)容，設計單位出具的施工藍圖均按樓層劃分，機電管線的布置也是在土建圖紙的基礎上分樓層展開設計。建模軟件以此為依據(jù)，將二維電子版圖紙導入各樓層并以基軸為三維空間的坐標基點，分專業(yè)構(gòu)建模型，再將各專業(yè)的模型經(jīng)過轉(zhuǎn)換后導入基礎模型中，進行下一步的檢查和調(diào)整。

在G市某醫(yī)院建設項目的三維模型中，地下室為一個整體，為了滿足醫(yī)院對供水、用電、用氣、采暖等需求，各個區(qū)域的樓層高度不一致，這就導致模型調(diào)整工作量大大增加。

2.4 基于AutoCAD平臺的BIM應用兼容性問題

在中國工程建設行業(yè)，BIM建模軟件都是基于AutoCAD平臺開發(fā)的［2］，因此版本兼容性問題尤為突出和明顯。以本項目中在用的魯班大師軟件為例，AutoCAD每次更新其基礎邏輯和操作界面都會發(fā)生一些變化，導致軟件沖突甚至無法運行。在模型文件的兼容性方面，不同廠商的軟件不支持打開其他廠商的模型文件，模型的傳遞成為一個大問題。在工程建設相關(guān)方的信息交流中，只有施工單位使用建模軟件，才能有效處理與相關(guān)方的遠程溝通問題。為保護自身知識產(chǎn)權(quán)利益和獨占用戶，大廠沒有動力推動模型文件的通用性進程，這就導致市場競爭不夠充分，軟件價格降不下來，當小廠能夠進入這個行業(yè)后，BIM技術(shù)的應用才能全面普及。

3 應用改進方向

為了更快、更大范圍地推廣BIM技術(shù)，在現(xiàn)階段的硬件水平和市場環(huán)境的基礎上，提出兩個改進設計方案，一是BIM輕量化設計方案，二是設計單位直接基于三維模型立體設計方案。以期通過設計改進，解決BIM應用技術(shù)難題和推廣難題。

3.1 BIM輕量化方案

BIM是一個集成大數(shù)據(jù)的大平臺模型，其表現(xiàn)形式是可視化的多維度、多用途、多功能的計算機圖形模型，方便人們將以往的線條式的構(gòu)件形成一種三維的立體實物圖形展示。隨著項目體量越來越大，BIM體量也隨之增大。目前，直接將BIM原始模型進行信息傳遞，上行和下行均非常不便，失去了利用價值。根據(jù)不同單位對模型的使用要求（如圖1所示），若能在保留基本空間結(jié)構(gòu)信息和構(gòu)件信息的前提下，將三維模型盡可能做到輕量化，其應用范圍就可大幅擴大。

圖1 輕量化模型傳遞要求

3.1.1 功能封裝和構(gòu)件外輪廓展示

對于輕量化模型需求者來說，僅需軟件提供完整的三維可視界面，將模型的三維可視與構(gòu)件數(shù)據(jù)展示聯(lián)動起來即可。“軟件商可以直接利用BIM引擎將模型的展示和操作、BIM數(shù)據(jù)提取等功能進行封裝，以API的形式開放給第三方開發(fā)者，使第三方開發(fā)者也能實現(xiàn)完整的BIM+系統(tǒng)”［3］，用戶不僅可以直接看到解析好的模型全貌，也可以通過點擊構(gòu)件，獲取構(gòu)件的基礎數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。利用模型的空間性進行信息的管理與展示，將被遮擋的內(nèi)部構(gòu)件通過算法全部篩選并過濾掉，僅保留外輪廓構(gòu)件集，可以避免原有運維管理數(shù)據(jù)量大、信息對應不直觀、無法直觀查看等一系列問題。由于模型建立時的精細度不同，有些模型由細小構(gòu)件組成而有些模型由完整大片構(gòu)件組成，還可以采取不同的提取精細度來解決這一問題。

3.1.2 幾何轉(zhuǎn)換和優(yōu)化圖形渲染

BIM之所以占用較大空間，原因之一是三維模型屬于計算機圖形模型，圖形占用的計算機空間相比文字呈幾何級數(shù)。集成越多專業(yè)的數(shù)據(jù)、信息，相應的模型也會越大，建筑模型更是如此。這對系統(tǒng)加載及繪制提出了更高的要求，需要通過各種手段加速場景的繪制。幾何轉(zhuǎn)換過程就是將設計模型轉(zhuǎn)換到BIM的過程，這個過程是整個輕量化的源頭，也是核心，可以通過兩個途徑解決，一是參數(shù)化幾何描述，二是三角化幾何描述，這兩個途徑可以在一定程度上提升輕量化效果。此外，渲染處理過程可使用八叉樹快速剔除不可見圖元，減少進入渲染區(qū)域的繪制對象，還可以使用多重LOD，加速單圖元渲染速度，這需要平臺廠商不斷優(yōu)化軟件［4］。

3.2 推廣應用BIM技術(shù)進行機電設計

現(xiàn)階段，建筑業(yè)依然廣泛采用二維CAD制圖，它的本質(zhì)還是線段的堆砌，但三維設計必須創(chuàng)造一個三維實體。開展BIM技術(shù)的設計應用，設計師要發(fā)揮出應有的作用，其主導思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中，而要充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，探索便于用戶理解、更具效率的設計信息表達方式。為了適應發(fā)展需求，設計師必須學習軟件，不斷嘗試做出改變。

做三維設計最大的問題就是新標準制定，要滿足二維設計定下的規(guī)矩，例如圖面表達樣式、圖紙設計規(guī)范、審查規(guī)范等，現(xiàn)階段審圖依然采用二維圖紙，缺乏一套完善的BIM審圖機制［5］，對實際工作開展會產(chǎn)生影響，如果三維設計轉(zhuǎn)換輸出成二維圖紙輸出，又存在數(shù)據(jù)丟失、徒增工作量等難題。由于缺少在三維模型中進行標注的標準和規(guī)范，因此三維圖紙僅僅包含設備管線的幾何模型和構(gòu)件信息，其他一些重要的安裝要求等不能完整體現(xiàn)。在全面推廣三維設計前，要制定符合實際的全新設計規(guī)范和審查標準，設置一定的過渡期，推進三維設計。BIM應用難點分析層級圖如圖2所示。

圖2 BIM應用難點分析層級圖

4 結(jié)語

BIM技術(shù)的全面應用是大勢所趨，但是在現(xiàn)階段應用過程中，仍然有許多痛點難點亟待解決。一是受工程師的能力水平限制。在現(xiàn)階段設計、建模、施工中，雖然工程師有較強的意愿提升自身水平，但是精通設計、施工規(guī)范和軟件應用的人仍然嚴重不足。二是受軟件商提供的BIM軟件限制。軟件商為了自身的經(jīng)濟利益和知識產(chǎn)權(quán)保護等原因，不能全面放開接口和軟件架構(gòu)，軟件兼容性、輕量化需求得不到很好解決，軟件只有在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題中升級才會適合更多行業(yè)人群使用，而很多小的軟件企業(yè)無法進入該領(lǐng)域，導致市場競爭機制缺乏，軟件價格降不下來，對BIM技術(shù)推廣不利。三是受標準規(guī)范的限制。由于缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準和軟件標準，模型文件的互通性差，在相關(guān)單位的傳遞中，三維模型不能作為正式數(shù)字文本，需要降至二維圖紙方可使用，導致相關(guān)單位對BIM技術(shù)投入意愿不高。四是資源投入不足。現(xiàn)階段，BIM技術(shù)應用成本高，而經(jīng)濟效益得不到體現(xiàn)，在建筑業(yè)，基本處于施工單位賠本賺吆喝的階段，應用的可持續(xù)性受到質(zhì)疑。五是信息共享和知識產(chǎn)權(quán)保護風險。現(xiàn)階段的BIM軟件開發(fā)還是基于AutoCAD平臺，國內(nèi)沒有自己的軟件基礎架構(gòu)，國外不會將最新的平臺更新放開給國內(nèi)軟件商，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展始終落后于國外，因此我們既要發(fā)展自己的軟件基礎架構(gòu)，又要形成開放的軟件開發(fā)氛圍，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維，真正將BIM技術(shù)應用推廣開來。

隨著BIM技術(shù)和應用環(huán)境的成熟，BIM技術(shù)在建筑機電安裝工程中的應用將會更加廣泛，而BIM技術(shù)的不斷深入應用，必然會給建筑機電安裝工程帶來極大的幫助，不僅能夠提高機電安裝工程設計的合理性，還能夠提高機電安裝工程的投資回報，從而為建筑安裝工程的高質(zhì)量施工打下堅實的基礎。