BIM技術在建筑給排水設計與優化中的應用

陳巖

（菏澤市規劃建筑設計研究院有限公司，山東菏澤274000）

1 引言

建筑給排水設計的合理性直接影響建筑供水穩定性與排水順暢性，如果給排水管道連接處松動，將會出現漏水現象；如果管道中存在大量的彎頭與過渡件，會增加水流阻力，影響供水與排水效果，排水管道易出現堵塞、管道爆裂等問題，影響建筑的功能品質與住戶的居住體驗。 BIM 技術具有良好的可視性、模擬性與協同性，利用BIM 技術對建筑給排水進行三維建模與可視化表達， 通過碰撞檢測與錯誤分析自動檢測出給排水管道的結構沖突與空間交錯問題， 利用施工模擬功能仿真模擬建筑給排水管道的安裝過程， 以便設計人員根據檢測結果與模擬情況優化給排水設計， 提高建筑給排水設計的合理性與實用性[1]。

2 BIM技術在建筑給排水設計中應用的特點

2.1 參數化設計

基于BIM 技術的建筑給排水設計是在三維數字虛擬空間中對建筑給排水信息模型進行構建， 高度集成建筑給排水的幾何信息、結構信息、屬性信息等，利用建筑給排水三維信息模型構建給排水工程數據資源庫。 設計人員可對建筑給排水三維信息模型進行信息編輯與參數調整操作， 以控制給排水三維信息模型的物理幾何結構與規格屬性， 三維信息模型可根據新調整的信息參數自動更新模型， 以參數化設計的理念提高建筑給排水設計的操作響應性與靈活性。

2.2 可視化設計

基于BIM 技術構建的建筑給排水三維信息模型是建筑給排水的三維仿真模擬，設計人員可通過漫游、放大、縮小、旋轉等操作， 更為直觀地查看建筑給排水的幾何結構與設計細節。 相較于紙質版的圖紙以及二維CAD 設計圖而言，建筑給排水三維信息模型的直觀性與可視性更優， 所集成與表達的信息內容更多，且不會因紙質材質問題而出現設計失真，也不會因表達維度問題而出現信息丟失或受損， 具有良好的實時性、直觀性與信息傳遞完整性。 建筑給排水工程、土建工程等分部、分項的參建單位可根據可視化的三維信息模型，協同推進設計方案優化工作，提高建筑給排水設計的效率。

2.3 碰撞檢測

利用BIM 技術對建筑給水管道與排水管道分別進行三維信息建模，將兩類管道三維信息模型加以集成綜合，利用碰撞檢測與錯誤分析工具， 對給排水管道模型中存在的結構沖突或空間交叉部位進行自動檢測與高亮顯示。 設計人員可根據自動檢測的報錯結果對給排水管道分布、標高、結構等進行調整優化， 有效消除建筑給排水設計中的各類空間碰撞與擠壓隱患。

2.4 安裝模擬

安裝模擬是BIM 技術在建筑給排水管道應用設計中的重要優勢功能。 設計人員在設計好的建筑給排水三維設計方案中添加時間維度，形成給排水施工進度時間表，通過時間表動態模擬給排水工程施工過程， 以便建筑給排水工程設計人員與施工人員更為直觀地了解工程施工過程， 在協同管理框架下優化建筑給排水工程設計方案[2]。

3 BIM技術在建筑給排水設計與優化中的具體應用

3.1 給排水參數化設計

參數化設計是BIM 技術的重要特點，其將建筑給排水工程實體映射至三維虛擬空間中，利用幾何參數、屬性參數構建出給排水三維模型。 在建筑給排水三維信息模型構建、模型計算、方案模擬等環節中，數據的參數化處理與應用是模型科學計算的關鍵，需利用空間數據庫與關系型數據庫，對給排水三維信息模型的空間結構數據、 規格屬性數據等進行聯動式管理，支持圖形屬性互查機制。 設計人員可選中給排水模型中某管段，查詢其管段屬性，包括管道直徑、管道材質、管道曲率、管道聯結點坐標、 管道標高等。 給排水工程參數化設計模式下，設計人員可以編輯調整給排水三維信息模型的參數，實現給排水模型優化設計。 例如，調整排水管道的管徑大小，提高建筑排水能力；調整給水管道的拓撲結構，提高供水的穩定性與順暢性；將排水管道中不必要的引流管道與管件刪除，優化排水管道路徑，減少排水阻力等。

3.2 給排水可視化建模

可視化特性是BIM 技術區別于CAD 設計的關鍵特性。傳統的CAD 二維圖紙以點與線作為基本元素， 管道在CAD圖上表征為一條線， 管道聯結點在CAD 圖上表征為一個點，二維圖紙缺少高程這一三維信息， 管道之間的結構沖突與空間交叉較難直觀發現。 BIM 技術利用三維信息模型表達給排水管道， 可視化的三維模型可立體化展示管道的空間結構布局與拓撲關系，管道以及管道聯結點不再表征為線與點，在數字虛擬空間中，仿真模擬出三維管道及其連接情況，從而使設計人員從視覺層面能夠直觀判斷建筑給排水管道設計的合理性與實用性， 并結合參數化設計模式及時調整建筑給排水模型的相關參數。 同時，BIM 技術具有良好的自動渲染功能。 模型參數調整后，給排水三維信息模型可自動渲染刷新，實時動態顯示參數調整后的設計結果， 可以極大地提高給排水設計工作的互動性與效率。

3.3 管道綜合設計

建筑給排水設計涉及給水管道設計與排水管道設計，設計人員在對上述管道進行獨立設計的基礎上， 對給水管道與排水管道進行綜合，通過碰撞檢測與錯誤分析，自動發現管道設計不合理之處，如結構沖突、空間交叉等。 同時，給排水工程設計需與土建工程等進行綜合， 再次利用碰撞檢測與錯誤分析，自動發現給排水工程與土建工程中存在沖突之處。 設計人員可對BIM 軟件平臺中提示的構件沖突等不合理之處進行參數調整，有效規避土建工程與給排水工程、給排水工程內部的摩擦與碰撞，以免給排水工程在施工期間出現此類問題，影響工程施工進度。

3.4 多單位協同設計

協同設計是一種管理的組織模式， 是BIM 的核心概念。相比于以往的CAD 技術，BIM 技術的協同設計改進并完善了此特點，充分發揮了協同設計的作用效果。 在BIM 技術的協同設計中，同一個構件的元素只需要輸入一次，其他不同類型的數據可以從不同的專業角度進行操作。 在應用BIM 技術之前，設計人員是用CAD 技術進行工程設計，這種方式的設計建構數據信息是獨立的，各個環節信息缺少聯系性，不能對構件的信息進行全面掌握了解， 在整體配合時會加大工作量或者發生一些專業事故。 在BIM 協同設計中，協同設計將各構件圍繞一個模型開展工作，項目的各方面聯系增強，設計人員能夠對構件信息全面了解，從而減少工作量，保證設計的質量達標并提高設計的工作效率。同時，BIM 技術設計的各部分是有聯系性的，在對給排水系統進行工程設計時，可以一次性完成模型的修改，減少相關設計的工作難度和工作量，并且BIM的關聯性可以避免人為修改的失誤和誤差， 對設計進行自動修改，保證工程的質量。

3.5 數據自動統計

建筑給排水工程設計中涉及大量的統計工作， 如工程量統計、施工材料數量統計等，設計人員需根據統計結果對給排水三維信息模型進行調整優化， 以提高給排水工程設計的效率。 早期給排水設計系統中的數據表達形式為點與線，數據管理方式采用文件數據庫或關系型數據庫， 未采用空間數據庫對數據進行管理。BIM 技術關聯文件數據庫、關系型數據庫與空間數據庫，設計人員可以通過BIM 軟件平臺的圖屬互查機制點選、圈選、框選給排水三維信息模型，然后BIM 軟件平臺根據選擇范圍快速計算出需統計的區域坐標， 梳理出選中區域內的屬性信息并加以統計，數據統計速度快、準確度高，可助力建筑給排水設計效率提升。

3.6 給排水安裝模擬

排水管道安裝不規范、底數大、吊裝面積大等問題均會影響建筑給排水工程的工期以及相關資源利用率。 施工圖的編制不僅應以B1M 為基礎，對施工流程進行全面展示，還應能在不同建筑階段為技術人員做示范， 并依據論證結果制定出適用于初步設計的組裝工藝，并按實際條件進行合理安裝。 設計人員利用BIM 技術對給排水安裝過程進行模擬，施工人員可按配套程序進行施工，避免了給排水項目的設計更改，從而節省了人力，提高了工作效率。

4 BIM技術在建筑給排水設計與應用優化中應注意的問題

4.1 信息量大

建筑給排水三維信息模型中不僅集成了建筑工程的土建、水電、暖通等分部分項信息，也全面表達了給排水工程的幾何信息、屬性信息，數據體量龐大。 建筑給排水設計時，參數調整與結構優化對基礎軟件的計算性能要求較高， 碰撞檢測需要耗費大量的計算資源進行空間三維交叉檢測與拓撲關系計算；施工安裝模擬需要匯總并統計大量的建筑給排水信息，如管道規格屬性信息、成本信息、組織設計方案等；建筑給排水管道綜合設計與參數調整優化時，往往牽一發而動全身，如某排水管道標高的調整需綜合考量地下水位空間分布數據、地基三維數字高程模型等[3]。 針對此類問題，設計人員應加強BIM 軟件平臺的硬件配置，提高各類模擬、統計分析的計算性能，支持碰撞檢測、錯誤分析等功能的快速計算，以及建筑給排水三維信息模型更新后的快速渲染。 同時， 還應加強BIM軟件平臺中基礎數據的錄入精度，確保模型模擬、數據統計的準確性，為建筑給排水設計優化提供更加精準的參考。

4.2 協同設計難

協同設計與協同管理是BIM 技術在建筑給排水設計與優化中應用的重要優勢。當前，BIM 技術協同設計包括集中式與連通式兩類，其在具體應用時均面臨一些問題。 由于建筑給排水設計可細分為若干類，涉及土建、給排水等不同專業，模型資源的共享效果不佳， 協同設計所需要的共享資源池與標準化設計平臺缺少應用體系支持。 同時，由于BIM 技術應用成熟度不高，數據共用體制不健全，給排水三維模型與建筑工程其他模型的銜接與傳遞過程中仍存在諸多阻力， 影響了建筑給排水設計的協同性。

5 結語

BIM 技術在協同性、 模擬性與可視性等方面具有顯著優勢，其利用三維信息模型直觀、可視化地表達建筑給排水工程的空間布局、內部結構、幾何特征、管道屬性等，為設計方案優化提供了碰撞檢測、數據統計、管道綜合設計、設計方案模擬等重要功能， 切實提高了建筑給水管道的設計優化效率。 但是，BIM 技術自身存在數據共用體制不健全、應用標準體系未建立、技術成熟度不高、計算性能要求高等問題。 在實際建筑給排水設計優化中， 應進一步明確BIM 技術的應用環節，加大硬件設施投入，拓展BIM 技術的應用深度，提高BIM 技術在建筑給排水設計優化中的實際價值。