吳京戎 姜金延 熊能超

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

引言

BIM 技術(shù)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(xiàn)設(shè)計、施工一體化提供良好的技術(shù)平臺和解決思路，以解決目前的協(xié)調(diào)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(shè)備等各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)集成與一體化管理。BIM技術(shù)可以在設(shè)計階段進行各專業(yè)間的碰撞檢查，深化設(shè)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(jié)約成本，提升建筑的綜合效益。把BIM技術(shù)的管線綜合應(yīng)用到項目中，快速定位管線的碰撞和管線與各專業(yè)間的碰撞，導(dǎo)出碰撞點，分析并解決問題，可以提高各專業(yè)間的協(xié)調(diào)效率。

對于BIM技術(shù)在管線綜合設(shè)計中的應(yīng)用，馬躍構(gòu)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(huán)節(jié)，促進機電工程設(shè)計—施工管理技術(shù)的發(fā)展[1]。王欣睿從管線綜合設(shè)計原理出發(fā)，利用BIM技術(shù)在碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計、解決凈高、驗證復(fù)雜空間、三維交底5個方面的優(yōu)勢，分析BIM作為輔助設(shè)計的重要性[2]。楊紅巖等結(jié)合實際的項目案例，采用BIM技術(shù)進行管線綜合，高效地解決了機電管線綜合各專業(yè)間的沖突，深化設(shè)計任務(wù)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(tǒng)為依托，進行實地參觀調(diào)研、資料收集、整理、總結(jié)和分析，總結(jié)出醫(yī)院物流傳輸系統(tǒng)的建設(shè)模式以及相關(guān)技術(shù)設(shè)備要求[4]。

可見，基于BIM的機電工程的管線綜合在設(shè)計階段就要考慮到機電專業(yè)與其他各專業(yè)間的專業(yè)協(xié)同的問題，其中主要是管線碰撞、凈空協(xié)同的問題。提前利用BIM技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，精細化排布，管線綜合排布可以達到最大程度節(jié)約空間和高效施工運維的要求。特別是醫(yī)院這種運營以后人員密集的場所，對于管線系統(tǒng)的精密性、復(fù)雜性和特殊性有更高要求，尤其是軌道式物流傳輸系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)需要考慮到一些特殊管線設(shè)備的排布如軌道小車、排風(fēng)機房和冷凍機房等，使這些管線設(shè)備融合到整個機電的管線綜合系統(tǒng)中，達到最優(yōu)的管線綜合排布，最終提升其綜合效益。這就需要BIM技術(shù)在機電工程的管線綜合設(shè)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(yī)院使用的要求。鑒于此，本文通過分析已有成果和文獻，結(jié)合實地調(diào)研，以孫逸仙心血管醫(yī)院為例，對BIM技術(shù)在醫(yī)院建筑管線綜合設(shè)計中的實際應(yīng)用、技術(shù)要點和難點進行分析，以期為后續(xù)BIM技術(shù)在類似項目中的應(yīng)用研究提供參考。

1 孫逸仙心血管醫(yī)院項目概述及管線綜合設(shè)計難點

1.1 工程概況

深圳市孫逸仙心血管醫(yī)院項目地址位于深圳市南山區(qū)朗山路，總建筑面積8.8萬多m2，主要包括新建醫(yī)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(diào)、機械停車庫、醫(yī)用氣體、垃圾收集、核輻射防護、信息物流傳輸?shù)榷喾N功能，是一所設(shè)施完善的綜合性高等級醫(yī)療建筑。其中心血管內(nèi)科和大血管病外科目前在華南地區(qū)處于領(lǐng)先地位，心臟移植手術(shù)成功率達國內(nèi)外先進水平。

1.2 管線綜合設(shè)計難點

(1)管線綜合難點

醫(yī)院為了優(yōu)化其運作模式，提高醫(yī)療的服務(wù)質(zhì)量，降低醫(yī)院的運營成本，引進了軌道式物流傳輸系統(tǒng)(Track Vehicle System)，即利用物流小車在專用軌道上傳輸物品的系統(tǒng)。如圖1所示。此系統(tǒng)占據(jù)了一定的建筑空間，軌道系統(tǒng)是在吊頂?shù)南路?，對天花板高度要求比較高。為了讓天花板內(nèi)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(shè)計必須預(yù)留足夠的使用平臺和洞口，物流洞口都需要設(shè)置防火裝置?；贐IM技術(shù)的管線綜合可提前模擬軌道的走向，優(yōu)化錯綜復(fù)雜的管線和物流軌道的排布，降低物流軌道系統(tǒng)對功能布局產(chǎn)生的影響。

醫(yī)院屬于大型建筑物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隔墻眾多，導(dǎo)致建筑內(nèi)部通風(fēng)不暢，必須將室外新風(fēng)通過風(fēng)機送入建筑內(nèi)部，并將建筑物內(nèi)的空氣排出。醫(yī)院屬于人員密集場所，對場所內(nèi)空氣潔凈度的保持要求較高，而排風(fēng)機房排風(fēng)管尺寸較大，管道錯綜復(fù)雜，借助BIM技術(shù)可提前進行排風(fēng)機管線的設(shè)計，優(yōu)化敷設(shè)方式，避免翻彎過多，從而影響到風(fēng)管風(fēng)壓，保證整個排風(fēng)機房的運作效率。如圖2所示。

圖2 排風(fēng)機房風(fēng)管

(2)凈空協(xié)同難點

醫(yī)院建筑作為專業(yè)性較強的建筑，在有限空間內(nèi)需滿足特定區(qū)域功能需求，協(xié)調(diào)凈空高度。如醫(yī)療功能區(qū)域的凈空協(xié)調(diào)、管井煙道的位置確定、車道凈高的確定等，需根據(jù)不同需求具體分析，合理協(xié)調(diào)各空間位置和凈高。通過BIM技術(shù)進行醫(yī)療空間區(qū)域分析、管煙井道位置分析、設(shè)備管線綜合分析、車道凈高分析，按照醫(yī)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(yī)院建筑標準，解決凈空協(xié)同問題。

表1 醫(yī)療綜合樓部分凈高標準

(3)信息管理難點

醫(yī)院建筑這種大型項目從立項開始，到設(shè)計、施工乃至運維每個階段都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，為了能保證數(shù)據(jù)信息的完整性、連續(xù)性、系統(tǒng)性以及可共享性，通過BIM技術(shù)的全過程參與和信息集成，在管線綜合設(shè)計階段可以進行工程量統(tǒng)計和構(gòu)件信息共享，結(jié)合其他技術(shù)如RFID可以銜接施工生產(chǎn)階段，做到信息管理一體化。

2 BIM技術(shù)在管線綜合設(shè)計中的應(yīng)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(yè)BIM模型的搭建及應(yīng)用，通過軟件碰撞檢測和漫游等功能快速導(dǎo)出碰撞點并優(yōu)化，反復(fù)檢測修改后得到施工模型。整個BIM技術(shù)的應(yīng)用流程圖如圖3所示。

圖3 BIM技術(shù)的應(yīng)用流程圖

醫(yī)院建筑管線工程綜合設(shè)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(yī)院建筑BIM管線綜合設(shè)計流程為：用二維軟件CAD得到初步設(shè)計圖，各專業(yè)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(shè)計團隊，利用Revit軟件創(chuàng)建出各個專業(yè)的模型，進行Revit MEP管線綜合設(shè)計，特別是物流小車軌道走向?qū)艨找蟊容^高，須保證在行徑的過程中不會發(fā)生和其他管線或結(jié)構(gòu)的碰撞； 醫(yī)院手術(shù)室CCU等為Ⅰ級潔凈手術(shù)室，具有獨立的凈化空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化送風(fēng)口和過濾器的位置，需要考慮與整個機電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)； 每個設(shè)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(dǎo)入Navisworks軟件進行碰撞檢測查找出碰撞點，結(jié)合Lumion軟件做虛擬動畫漫游進一步檢查各個物體的空間關(guān)系[6]?？焖龠M行模型的調(diào)整和圖紙的優(yōu)化設(shè)計，直到達到設(shè)計的標準，進行管線綜合成果圖的輸出?；贐IM的管線綜合設(shè)計路線流程如圖4所示。

圖4 基于BIM的管線綜合設(shè)計路線流程圖

2.1 碰撞檢測

醫(yī)院建筑圖紙會審合格后創(chuàng)建出各個專業(yè)和系統(tǒng)的模型，如本機電項目共有水電、空調(diào)、智能化等12個系統(tǒng)，包括醫(yī)療智能化系統(tǒng)、醫(yī)用氣體系統(tǒng)等特定系統(tǒng)，加上土建結(jié)構(gòu)共建模13個系統(tǒng)，對兩棟建筑23層全面進行設(shè)計深化，利用NavisWorks軟件對10多種系統(tǒng)類型管線進行碰撞檢測[7-8]。發(fā)現(xiàn)醫(yī)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(diào)整，滿足了各項要求，解決了管線設(shè)計難題。

圖5 碰撞點示例

2.2 凈空分析

醫(yī)院室內(nèi)的空間較少，管線和設(shè)備居多，醫(yī)院的軌道物流系統(tǒng)、上下三層的地下機械停車庫、排風(fēng)機房風(fēng)管和車道橋架布局等對室內(nèi)的凈空要求比較高。利用BIM技術(shù)分析出管線凈空存在的問題，根據(jù)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(guī)則和方式，還要考慮到后續(xù)的施工空間，使用過程中的維修空間等因素。在設(shè)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(xié)同問題。醫(yī)院建筑屬于人員流動性較大的建筑，“停車難”的現(xiàn)象尤其突出[9]，通過引入立體機械停車庫設(shè)計來達到醫(yī)院建筑的使用需求。機械停車庫采用全鋼架結(jié)構(gòu)，如圖7所示，上下三層，增加了空間，先后運用BIM技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)空間高度不夠的位置，報審設(shè)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(shè)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(shù)提前預(yù)知并進行深化設(shè)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(shè)計示意圖

2.3 管線綜合排布優(yōu)化

傳統(tǒng)的管線綜合設(shè)計是以二維圖紙為基礎(chǔ)，在CAD軟件下進行各系統(tǒng)疊加。施工人員憑借自己的施工經(jīng)驗對管線進行排布與調(diào)整，并以傳統(tǒng)平、立、剖面形式加以表達； 在三維環(huán)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(shè)備復(fù)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(shè)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(nèi)、管廊內(nèi)和吊頂內(nèi)。而本工程排風(fēng)機房排風(fēng)管尺寸較大，管道較多，通過應(yīng)用BIM技術(shù)，優(yōu)化風(fēng)管敷設(shè)，避免管道過多翻彎，影響風(fēng)管風(fēng)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(yù)留洞口，BIM軟件可以直接在模型中預(yù)留洞口，精準定位洞口的標高和尺寸，方便后續(xù)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(jié)約了空間，但需要考慮到軌道小車在電井內(nèi)的運行空間，把物流軌道當(dāng)成一種管線，利用BIM技術(shù)可以更好地進行優(yōu)化設(shè)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(jié)合施工現(xiàn)場的經(jīng)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(zhuǎn)變成綜合吊架。做到管線綜合現(xiàn)場施工經(jīng)驗和BIM技術(shù)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(shè)備、管線、建筑結(jié)構(gòu)的位置、軸線標高關(guān)系，有助于項目管理人員掌握整個工程的空間關(guān)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(tǒng)計和追蹤查驗

利用BIM技術(shù)對管線綜合的信息集成，導(dǎo)出管線構(gòu)件的工程量統(tǒng)計，如圖12所示，可與投資監(jiān)理統(tǒng)計的工程量清單進行對比修正，為招標預(yù)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12]。將管線構(gòu)件進行精細化和標準化管理，并結(jié)合RFID技術(shù)和GPS技術(shù)銜接后面的生產(chǎn)施工階段，實現(xiàn)全過程一體化管理。

圖12 工程量統(tǒng)計圖

3 BIM技術(shù)在管線綜合中的應(yīng)用啟示及建議

通過上述分析可以看出，對于醫(yī)院建筑這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管線排布精密的特殊項目來說，BIM技術(shù)在三維管線綜合應(yīng)用的實施要點、注意點體現(xiàn)在：

(1)管線碰撞。由于醫(yī)院建筑管線綜合中管線的設(shè)計排布較為復(fù)雜，通過BIM軟件創(chuàng)建各專業(yè)三維模型，初步可觀察機電系統(tǒng)的空間排布，再通過模型整合，對專業(yè)協(xié)調(diào)的結(jié)果進行全面檢驗，能重點考量專業(yè)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(yè)之間的所有碰撞問題，得到詳細的碰撞檢測報告，在專業(yè)人員的調(diào)整下，減少或消除所有的管線碰撞問題。

(2)凈空分析。由于醫(yī)院建筑需在有限空間實現(xiàn)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(fēng)機房風(fēng)管等重要部位的走向、標高、層次關(guān)系的協(xié)同設(shè)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(tài)，定位出影響凈高的瓶頸位置進行優(yōu)化設(shè)計，特別是醫(yī)院建筑中的軌道物流系統(tǒng)、三層機械停車庫等，可以準確控制凈高及吊頂?shù)母叨龋瑢ξ锪飨到y(tǒng)的軌道排布和走向更具有指導(dǎo)意義。

(3)信息管理。由于醫(yī)院建筑的管線設(shè)備數(shù)量眾多、工序繁雜，對管線信息進行統(tǒng)計和保證設(shè)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(shè)備的信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用相關(guān)插件可快速精確統(tǒng)計設(shè)備和管線的工程量，提高準確性和便捷性。將管線構(gòu)件信息化，再結(jié)合RFID技術(shù)和GPS技術(shù)，可實時跟蹤和查驗各構(gòu)件情況，做到管線綜合設(shè)計、生產(chǎn)、施工和運維一體化，優(yōu)化項目整體建設(shè)進程。因此利用BIM技術(shù)進行管線綜合設(shè)計，從技術(shù)上解決了傳統(tǒng)管線綜合中面臨的結(jié)構(gòu)性問題，充分發(fā)揮信息化優(yōu)勢，也顯著提升管線綜合項目的綜合效益，為后續(xù)類似項目提供參考價值。

4 結(jié)語

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