劉麗莎 ， 馬茂源， 李 航， 賀提勝

(1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司GBIM工程實驗室，河南 鄭州 450007；2.國機工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 研發(fā)部，河南 鄭州 450007)

設計企業(yè)傳統(tǒng)上以圖紙作為最終交付成果，目前已無法滿足建筑業(yè)高質量發(fā)展的總體要求。尤其在多曲面造型、多功能空間、復雜管線的綜合性建筑項目中，受限于傳統(tǒng)點線面表達方式的局限性，常規(guī)建筑平立剖加節(jié)點詳圖的做法已無法準確地表達建筑體內部功能邏輯和交叉管線的確切關系，更無法滿足工程建設中核心基礎數(shù)據(jù)搭建的要求，為后期施工策劃和建造帶來了一定的困難。與傳統(tǒng)的二維設計方式相比，基于BIM(Building Information Modeling)技術的設計表達具有可多方案論證、模型數(shù)據(jù)信息豐富、便于多專業(yè)協(xié)同工作和系統(tǒng)化集成設計等優(yōu)勢[1]。具體來說，BIM技術的應用讓工程設計從傳統(tǒng)的單一點線面繪圖表達轉變?yōu)楦缓ㄖ畔⒌目梢暬?、參?shù)化、模型化設計；從傳統(tǒng)的工藝、建筑、結構、暖通、給排水、電氣等各專業(yè)獨自設計或文件級協(xié)同設計，轉變?yōu)槎鄥⑴c方、多專業(yè)、圖元級的實時協(xié)同工作；從傳統(tǒng)的單層、分區(qū)域設計，轉變?yōu)榛谕荒Ｐ偷牟⑿袇f(xié)同設計；從傳統(tǒng)的設計圖紙、計算書等紙質文檔交付轉變?yōu)榛诮桓镀脚_的模型、數(shù)據(jù)、文檔的數(shù)字化交付。

本文基于BIM技術和編制國家、地方BIM標準的經(jīng)驗，研究BIM技術在機電工程設計與交付中的應用問題。

1 基于BIM技術的機電工程設計

1.1 協(xié)同設計

基于BIM技術的協(xié)同設計，能夠將源自不同設計軟件、不同專業(yè)的設計數(shù)據(jù)集成于同一設計平臺，實現(xiàn)專業(yè)間、專業(yè)內的資料互提、文件校對審核等，支持建筑全生命周期的信息傳遞、共享和交換[2]。協(xié)同設計可有效改善資源、行為流程，改變交付成果的割裂狀態(tài)，提升設計質量。

以Revit軟件應用為例，協(xié)同設計通常采用工作集方式和文件鏈接方式。項目級的協(xié)同設計一般應以工作集方式對中心文件進行劃分，要求工作組各成員在本地終端對服務器中的同一個BIM模型進行同步并行設計，并將階段性設計內容及時同步到文件服務器的中心文件中。協(xié)同設計允許工作組的成員之間根據(jù)權限相互借用設計文件?；谕豁椖磕０逦募⒔y(tǒng)一軸網(wǎng)和標高體系的文件鏈接方式，支持階段性成果文件的鏈接。該鏈接方式簡單、便捷，但因其鏈接模型一般不進行編輯，所以同步性、實時性較差。在實際項目中，這兩種方式通常是并用的，專業(yè)內多采用工作集方式實時進行專業(yè)內各系統(tǒng)、各功能分區(qū)的協(xié)同設計，專業(yè)間則多采用文件鏈接方式[3]。

1.2 模型拆分和組合

通過模型拆分和組合，可建立清晰的層級和并列組織關系，更好地管理模型及其成果文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

基于BIM技術，項目模型可從多種不同的角度進行分類，在專業(yè)協(xié)作時，按照專業(yè)協(xié)同的模型組合關系進行劃分；在全生命周期管理時，按照工程建設階段進行劃分，以體現(xiàn)不同階段的模型細節(jié)和數(shù)據(jù)完善過程；在基于模型的多場景應用時，應對同一建筑單體進行樓層、區(qū)域劃分。

在項目實施過程中，應根據(jù)軟件要求和應用場景，選擇適當?shù)牟鸱址绞?，以便以模型應用和協(xié)同工作為原則來構建合適的分工合作模型。項目模型的拆分與組合關系如圖1所示。

圖1 項目模型的拆分與組合關系

1.3 模型配色

模型配色即機電工程各專業(yè)模型的顏色設置，旨在為基于BIM模型的跨部門、跨階段協(xié)同工作提供統(tǒng)一顏色設置的參考，方便設計人員快速識別，避免或減少混淆導致的錯誤。

在全生命周期應用管理時，各階段模型應采用統(tǒng)一配色體系，以便參與項目的各方溝通協(xié)作。當機電設備歸屬一個專業(yè)系統(tǒng)時，模型配色應與其所歸屬專業(yè)系統(tǒng)的顏色保持一致；當機電設備歸屬兩個及以上專業(yè)系統(tǒng)時，可采用設備本身材質或原色進行設置。各專業(yè)系統(tǒng)中涉及消防的相關管線及設備均應采用紅色，以起到醒目警示作用。

1.4 模型編碼

模型編碼可實現(xiàn)物理實體、模型與信息的關聯(lián)。在工程全生命周期過程中保持編碼的唯一性和一致性，可保證信息從設計、建造到運維的有效傳遞，并為項目后續(xù)應用奠定基礎。

模型編碼的對象涵蓋給排水、暖通、電氣、動力等機電工程系統(tǒng)的設備及其管線。針對不同的應用場景，模型編碼可分為空間編碼、系統(tǒng)編碼和設備編碼?？臻g編碼主要是針對模型中各物理空間按照層級進行統(tǒng)一標識，用于設施設備在所屬空間的定位。系統(tǒng)編碼是對設施設備所屬專業(yè)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)進行標識。設備編碼主要用于區(qū)分設施設備所屬類型，以便后續(xù)工程應用階段設施設備的數(shù)據(jù)采集和維護。機電設備的模型編碼示例如圖2所示。

圖2 機電設備的模型編碼示例

1.5 管線綜合設計

管線綜合設計是BIM技術在機電工程中的典型應用之一[4]。管線綜合設計應基于各專業(yè)模型來協(xié)調各種設備、管線與建筑結構構件的空間位置，遵循設計合理、安裝可行、檢修方便、運行可靠的基本原則，從全局、全階段應用出發(fā)，綜合考慮各種因素，使管線排布優(yōu)化、空間位置協(xié)調、預留預埋和安裝定位合理，按規(guī)范完成多專業(yè)綜合設計工作[5]。

管線綜合設計包括各子項管線綜合設計、各子項主干管路支吊架模型設計、機電安裝設備材料統(tǒng)計等。管線綜合設計效果示例如圖3所示。

圖3 管線綜合設計效果示例

1.6 綜合支吊架設計

在機電工程設計中，對于管線繁雜、安裝空間有限的局部區(qū)域，需要進行綜合支吊架設計。綜合支吊架設計包括：支吊架編碼設計、支吊架布置、支吊架定位尺寸的標注和支吊架詳圖設計等[6]。

以Revit軟件應用為例，平臺只能手動放置支吊架，且無法支持支吊架的力學和詳圖生成。為此，應通過二次開發(fā)，采用綜合支吊架設計工具來實現(xiàn)綜合支吊架設計。首先，可根據(jù)Revit API，利用 Visual Studio開發(fā)工具，在C#語言環(huán)境下開發(fā)綜合支吊架輔助設計工具；然后，采用有限元分析法，自動進行結構的受力分析；最后，將計算分析結果用于支吊架的選型，通過參數(shù)驅動實現(xiàn)支吊架的自動選型和布置。圖4所示為綜合支吊架詳圖示例。

圖4 綜合支吊架詳圖示例

1.7 預留洞口設計

為確保管線設備現(xiàn)場安裝時能正常穿越樓板、墻體、屋面或結構構件，避免因預留位置不準確導致的返工問題[7]，可采用合適的軟件工具，精確、快速地創(chuàng)建預留洞口；也可基于二次開發(fā)工具，進行預留洞口的自動生成和分類標注。

在Revit軟件環(huán)境下，將土建專業(yè)模型鏈接機電設備模型，根據(jù)管線或設備穿越墻體或樓板時預留洞口的要求，能生成結構預留洞口，必要時可設置綜合預留洞口，并在模型平面圖上對洞口進行標注。預留洞口設計結果如圖5所示。

圖5 預留洞口設計結果

1.8 凈空分析與優(yōu)化

對空間狹小、管線密集和凈空要求高的地下車庫行車通道和入口坡道、貨車通道、公用站房、走廊等區(qū)域，可通過BIM技術進行凈空分析，量化機電工程凈高控制方案，若發(fā)現(xiàn)不滿足凈空要求和美觀需求的部位，則應進行機電設備和管線排布的優(yōu)化[8]。例如，通過凈空分析與優(yōu)化，車位凈空高度由3.20 m變?yōu)?.45 m(圖6)。

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

2 基于BIM技術的機電工程交付

作為指導工程建設的唯一依據(jù)，傳統(tǒng)二維設計模式的主要交付物是工程圖紙。采用BIM設計模式后，交付成果的形式多樣，除二維工程圖紙以外，還包括模型文件、數(shù)據(jù)文件、多媒體文件等。

2.1 模型交付

采用輕量化平臺進行機電工程BIM模型交付，能夠解決傳統(tǒng)工程交付中存在的數(shù)據(jù)不兼容、利用率低、可讀性差等問題，保證機電工程項目各參與方基于同一模型環(huán)境進行的數(shù)據(jù)傳遞、共享和交換，實現(xiàn)輕量化的模型交付。輕量化模型交付界面如圖7所示。

圖7 輕量化模型交付界面

2.2 模型出圖

目前，圖紙不但仍然是表達設計意圖和設計結果的重要途徑，而且是施工安裝的重要依據(jù)。為保證專業(yè)圖紙具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，可直接由模型及模型視圖生成二維圖紙?；谌S模型的二維出圖方式能保證專業(yè)內平立剖圖、系統(tǒng)圖、詳圖等表達的一致性和及時性，消除專業(yè)間設計沖突與信息不對稱的情況。

以Revit軟件應用為例，為提高出圖表達效率，可借助Revit API進行二次開發(fā)出圖、標注和算量，實現(xiàn)管線綜合設計圖紙、特殊部位設計圖紙等的快速表達。圖8所示為給排水系統(tǒng)的BIM模型。

圖8 給排水系統(tǒng)的BIM模型

2.3 碰撞檢測與漫游瀏覽

基于各專業(yè)模型，可進行專業(yè)內、專業(yè)間沖突和碰撞的檢測，并形成檢測報告。該報告的內容主要包括模型檢測版本、檢測規(guī)則、檢測范圍、碰撞位置、問題描述和優(yōu)化調整建議、檢測日期等。

基于BIM技術的模型漫游是指結合虛擬現(xiàn)實(VR)技術，為各參與方提供身臨其境的視覺、空間感受，并輔助完成多方案比選、可視化設計交底和可視化校審。在機電工程項目中，結合項目關注重點，如管線錯綜復雜區(qū)域、凈高特殊要求區(qū)域、特殊構造區(qū)域，通過直觀瀏覽視頻，由多參與方全方位地對項目進行細致的把握。

3 結束語

隨著行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)機電工程設計和交付領域所應用的二維圖紙已無法滿足需求，應用BIM技術能很好地實現(xiàn)基于模型的協(xié)同設計、管線綜合設計、支吊架快速自動生成，以及基于模型的出圖、工程數(shù)字化交付等。BIM技術為機電工程設計與交付技術的發(fā)展提供了有力支撐。