許珊珊，范書瑋，宋 亮

(1 黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150027； 2中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，哈爾濱 150000)

0 引言

在工程項(xiàng)目規(guī)模、形式、功能日益復(fù)雜的今天，基于信息技術(shù)和工程數(shù)字建模的設(shè)計(jì)思想推動(dòng)了建筑行業(yè)的快速發(fā)展。相比傳統(tǒng)的建筑平面設(shè)計(jì)，在梁底凈空分析的基礎(chǔ)上結(jié)合各專業(yè)圖紙，按圖層導(dǎo)入并輸出二維截面圖，這種應(yīng)用BIM技術(shù)的便捷性顯得尤為突出。周慧芳等[1]利用BIM主流軟件Revit進(jìn)行全專業(yè)建模，直觀地反映管線布置的空間信息，簡化了設(shè)計(jì)過程，降低了管線綜合難度。王健[2]簡要介紹了BIM協(xié)作平臺(tái)、BIM團(tuán)隊(duì)與工程各參與方的協(xié)作模式，以及地下室管線綜合設(shè)計(jì)在優(yōu)化過程中的BIM的協(xié)作內(nèi)容及階段總結(jié)。王欣睿[3]通過BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為綜合交通樞紐管線的綜合設(shè)計(jì)提供借鑒。

以CAD為主的傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)平臺(tái)，平面圖、 立面圖以及剖面圖等二維圖紙是其主要展現(xiàn)方式。然而，建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)并非只有一個(gè)專業(yè)，各專業(yè)之間的信息交流也會(huì)出現(xiàn)一些偏差，從而使設(shè)計(jì)成果在后續(xù)的執(zhí)行中出現(xiàn)諸多問題，影響最終的設(shè)計(jì)效果。通過BIM技術(shù)，對(duì)工程的地基、主體、機(jī)電管線進(jìn)行預(yù)先模擬，以降低協(xié)同設(shè)計(jì)、施工階段出現(xiàn)專業(yè)矛盾的幾率，利用BIM技術(shù)的仿真性、可視性、信息傳遞性及關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)，對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化管理，解決了超高層建筑復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工難題，提高了施工系統(tǒng)的整體質(zhì)量，將BIM技術(shù)真正落實(shí)到超高層建筑中。

1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目以哈爾濱市某信托大廈為研究對(duì)象，建筑整體分為地下2層，地上34層，建筑高度140 m，總用地面積14 402.77 m2，總建筑面積94 891 m2，其中地上建筑面積72 013 m2，地下建筑面積22 878 m2，建筑占地面積4 981.62 m2。項(xiàng)目中涉及的機(jī)電管線主要包括給排水管道、雨水管道、暖通管道、消防管道及自動(dòng)噴淋管道等，其中包括壓力排水系統(tǒng)和空間占用較大的防排煙系統(tǒng)。整個(gè)項(xiàng)目的多個(gè)專業(yè)管線綜合布置難度大，給機(jī)電安裝工程施工質(zhì)量管理帶來了不利因素，管道分布集中在管廊處且管道系統(tǒng)復(fù)雜多樣，造成了管線密集，這不僅影響工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量及以后的運(yùn)行使用，而且也將影響到工期進(jìn)度及施工成本的控制。從整體上講，整個(gè)項(xiàng)目的機(jī)電工程布局比較復(fù)雜，對(duì)管道的排布進(jìn)行合理的規(guī)劃，并綜合考慮各種因素的影響，就顯得非常重要。

2 BIM全專業(yè)模型

BIM技術(shù)貫穿了整個(gè)建筑的生命周期，針對(duì)工程自身的特點(diǎn)制訂BIM技術(shù)的具體實(shí)施方案和使用細(xì)則，利用Revit等相關(guān)的BIM軟件建立全專業(yè)模型，隨后通過多專業(yè)模型的整合進(jìn)行不同專業(yè)管線之間的碰撞模擬和房間凈高的分析工作，得到碰撞報(bào)告和凈高分析，向設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反饋，按照規(guī)范要求調(diào)整房間凈高，進(jìn)行管線整合，重復(fù)檢查以后得到完整的施工模型，根據(jù)輸出模型進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，最終導(dǎo)出各專業(yè)圖紙指導(dǎo)施工[4]。三維設(shè)計(jì)功能作為BIM建筑技術(shù)中的一項(xiàng)基本設(shè)計(jì)功能，不僅僅只局限于此。三維建模軟件不但包含建筑設(shè)計(jì)過程中賦予模型的所有空間和幾何信息數(shù)據(jù)，還要將三維結(jié)構(gòu)建模軟件知識(shí)基礎(chǔ)中的建筑材料信息、物理特性、力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性模型等各種非結(jié)構(gòu)化幾何模型信息數(shù)據(jù)整合應(yīng)用在三維BIM結(jié)構(gòu)建模中。利用三維模擬軟件強(qiáng)大的自動(dòng)繪圖功能，即可輕松地自動(dòng)設(shè)計(jì)制作出建筑平面圖、剖面圖、立面圖模型等，有效滿足相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)的出圖規(guī)定。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)模型

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的模型大多是由二維空間內(nèi)的點(diǎn)和線組成，其模型信息僅僅包含簡單的構(gòu)建平面信息，模型缺少各自相應(yīng)的屬性信息。而利用BIM技術(shù)構(gòu)建的建筑模型中不僅包括對(duì)基本構(gòu)建的設(shè)計(jì)信息，還對(duì)構(gòu)建的使用情況以及材料用量有著詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，這些龐大的信息分別儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的構(gòu)建內(nèi)部，使得技術(shù)人員可以對(duì)建筑信息進(jìn)行有效的查看。通過BIM的主要軟件Revit對(duì)建筑中的結(jié)構(gòu)梁、剪力墻、地板、柱、門依次進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，傳入相應(yīng)的建筑信息，如結(jié)構(gòu)梁的材質(zhì)信息、樓板的尺寸信息等。針對(duì)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)，采用精確度更高的族模型對(duì)項(xiàng)目中出現(xiàn)的異形結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。通過三維的繪制能夠更加直觀地展示建筑模型的外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題和提交問題所在的位置信息。

2.2 機(jī)電模型

超高層建筑機(jī)電工程包括給排水系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)等。機(jī)電工程的工程量復(fù)雜煩瑣，在繪制過程中采取多人同平臺(tái)繪制的方式，通過采用相同的建筑模型來繪制相應(yīng)的管道系統(tǒng)。在繪制過程中要注意特殊管道出現(xiàn)的坡度問題，按照規(guī)范要求將管件在族庫中進(jìn)行替換并錄入管道相應(yīng)的材質(zhì)、尺寸信息。通過視圖選項(xiàng)欄，對(duì)不同系統(tǒng)的管道設(shè)置相應(yīng)的顏色，使模型在三維模式下直觀清晰。某超高層三維機(jī)電模型圖如圖1～2所示。

圖1 機(jī)電模型

圖2 地下機(jī)電模型

3 BIM深化設(shè)計(jì)

隨著我國城市建設(shè)體系的不斷完善，各種管線系統(tǒng)、配套設(shè)備以及各類管線的種類和數(shù)量都在不斷增加。暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和電氣專業(yè)系統(tǒng)是建筑內(nèi)部的主要系統(tǒng)。暖通系統(tǒng)又分為3大類，分別是暖通、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)；給排水系統(tǒng)的管道系統(tǒng)又分為給水、排水、消防等多種分支，管道碰撞問題大多發(fā)生在管線與管線之間，影響建筑內(nèi)部空間的利用。在項(xiàng)目進(jìn)行初期，利用BIM技術(shù)提前預(yù)知管道與管道、管道與結(jié)構(gòu)之間的碰撞問題，做到有效的修改和處理，確保機(jī)電專業(yè)與其他專業(yè)的深化設(shè)計(jì)圖紙相結(jié)合，達(dá)到三維模型的精度要求，保證管線之間的排布方式科學(xué)合理以及管線與設(shè)備之間的連接正確，保證建筑的空間布置和最后的深化設(shè)計(jì)圖匹配度達(dá)到100%。

3.1 三維信息模型整合

BIM技術(shù)的出現(xiàn)，改變了以往工程項(xiàng)目協(xié)同設(shè)計(jì)過程中不同專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)作關(guān)系，把包括設(shè)計(jì)、施工、業(yè)主方監(jiān)理等所有項(xiàng)目參與者有機(jī)地融合到一起來共同來完成整個(gè)項(xiàng)目的協(xié)同化設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)是一種高效的信息共享平臺(tái)，它以Revit軟件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM平臺(tái)的多專業(yè)信息交流。如果產(chǎn)生不同專業(yè)設(shè)計(jì)方面的變化，平臺(tái)中的數(shù)據(jù)信息庫會(huì)及時(shí)更新相關(guān)的變更內(nèi)容，其他專業(yè)的設(shè)計(jì)人員都可以通過這個(gè)平臺(tái)了解到變更信息以便及時(shí)調(diào)整本專業(yè)的設(shè)計(jì)方案[5]。超高層建筑各個(gè)專業(yè)模型繪制完成后，將各種信息模型進(jìn)行深度整合，生成完整的建筑機(jī)電模型。通過BIM技術(shù)可視化的特性，對(duì)建筑物進(jìn)行三維仿真，對(duì)整個(gè)建筑物的細(xì)部結(jié)構(gòu)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物各個(gè)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。

3.2 碰撞檢測(cè)

建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)共同組成了建筑系統(tǒng)，這些專業(yè)的融合構(gòu)成了完整的建筑體系。在復(fù)雜的建筑空間區(qū)域內(nèi)放置不同專業(yè)的管道系統(tǒng)，會(huì)使不同的管線在使用空間上發(fā)生沖突，管道碰撞和管道交叉問題就顯得尤為突出。如果這些沖突得不到有效的處理，將會(huì)造成施工過程中出現(xiàn)返工、施工材料浪費(fèi)、延誤工期等現(xiàn)象[6]。

通過BIM技術(shù)整合建立的專業(yè)模型，提取不同管道系統(tǒng)之間的碰撞節(jié)點(diǎn)，以地下一層為例，通過碰撞檢測(cè)得到碰撞點(diǎn)共476處，其中機(jī)電管道之間的軟碰撞共計(jì)430處，其余均為硬碰撞，碰撞點(diǎn)多為消防噴淋管道和通風(fēng)管道之間的碰撞，達(dá)到329處，占地下一層碰撞點(diǎn)的2/3，整理出部分軟碰撞報(bào)告如圖3所示。根據(jù)管道的碰撞分析合理調(diào)整管線與管件、管道與管道之間的規(guī)范距離，并且結(jié)合硬碰撞節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)管道與管道、管道與建筑結(jié)構(gòu)之間的合理避讓。通過碰撞報(bào)告全方位查看相應(yīng)模型信息，提高數(shù)據(jù)信息處理能力，避免了施工過程中出現(xiàn)的不確定性和重復(fù)返工，為項(xiàng)目后期的運(yùn)營、維護(hù)提供了便利。

圖3 地下一層碰撞報(bào)告

3.3 管線綜合

在工程建設(shè)中，由于存在管道碰撞、管道交叉等問題，施工人員常常會(huì)采用提前彎折、調(diào)整管道坡度、管道位移等方法。這樣的做法，可以在很短的時(shí)間內(nèi)避開大多數(shù)管道的沖撞和交叉，但卻違背了設(shè)計(jì)者的初衷，在一定程度上會(huì)影響人們對(duì)建筑美感的總體效果。另外，由于這些措施，使得原本就情況錯(cuò)綜復(fù)雜的建筑空間為了避免碰撞而需要重新修改管道路徑，讓整個(gè)房間的高度都被迫下降，導(dǎo)致了建筑空間的浪費(fèi)。

應(yīng)用BIM可視瀏覽，預(yù)防管道線路之間的碰撞，促進(jìn)機(jī)電安裝工程穩(wěn)步進(jìn)行，有效提升施工質(zhì)量。在調(diào)理管線排布的過程中，要按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修正，在發(fā)生碰撞的管道節(jié)點(diǎn)處，通過管道局部彎翻來解決碰撞問題，若出現(xiàn)管徑較大的管道發(fā)生碰撞而需要調(diào)節(jié)整體管道高度和管線路徑時(shí)，要與設(shè)計(jì)院進(jìn)行反饋和溝通，找到最優(yōu)方案進(jìn)行繪制。針對(duì)以上碰撞問題，在保證房間凈高的前提下，進(jìn)行管道集中調(diào)整，依次確定各個(gè)管道系統(tǒng)的位置，在此過程中可能會(huì)出現(xiàn)大面積的管道調(diào)整，因此，合理的管線優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜且龐大的過程。機(jī)電管線調(diào)整如圖4～5所示。

以圖6管廊凈高分析為例，管線排布后的所有機(jī)電管線集中于管廊中間，施工操作和檢修空間分布在管線兩側(cè)，管道整體分為上中下3層，頂層為橋架系統(tǒng)，底標(biāo)高為4.93 m，中間為壓力排水管道，管中心標(biāo)高為4.48 m，下部為防排煙系統(tǒng)，管中心標(biāo)高為4.1 m；消防噴淋噴頭標(biāo)高4.4 m(凈高 4 m)，同時(shí)為保證管道之間距離規(guī)范，大管徑按150～200 mm繪制，小管徑按50～100 mm繪制。

圖4 機(jī)電管線調(diào)整前

圖5 機(jī)電管線調(diào)整后

根據(jù)施工圖模型以及設(shè)計(jì)調(diào)整前后的機(jī)電管線圖紙及修改意見，施工人員利用碰撞優(yōu)化后的三維管線施工方案，進(jìn)行施工模擬，提高了施工質(zhì)量。

圖6 管廊凈高分析

圖7 房間凈高分析

4 超高層建筑BIM技術(shù)應(yīng)用價(jià)值及成效

4.1 三維動(dòng)態(tài)模擬，精細(xì)化進(jìn)度管理

在本工程BIM技術(shù)應(yīng)用中，采用三維模型的動(dòng)態(tài)化管理，使施工人員充分理解模型對(duì)應(yīng)的信息，若在施工過程中出現(xiàn)臨時(shí)變動(dòng)，對(duì)相應(yīng)模型信息進(jìn)行更改即可。在前期對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)繪制后，對(duì)建筑、機(jī)電模型進(jìn)行分類工程量統(tǒng)計(jì)，通過Excel表格進(jìn)行查看和統(tǒng)計(jì)，方便后期采購單位對(duì)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行編制，減少現(xiàn)場(chǎng)大約8%以上不必要的返工，縮短大約10%的施工工期以及節(jié)約5%～10%的成本投入。在于后期的建筑維護(hù)管理階段，為保證建筑整體功能的完善，技術(shù)人員可根據(jù)BIM模型查看相應(yīng)設(shè)備的構(gòu)件信息，若出現(xiàn)設(shè)備故障，便可以準(zhǔn)確定位到設(shè)備所在位置，進(jìn)行及時(shí)的診斷，便于整體建筑的維護(hù)。

4.2 多平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)

本文以哈爾濱市某信托大廈為例，利用BIM軟件Revit、Lumion、Fuzor等對(duì)其進(jìn)行了三維模擬、管線綜合、凈高分析，實(shí)現(xiàn)了建筑模型、結(jié)構(gòu)模型和機(jī)電模型的一體化設(shè)計(jì)。采用三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)建?！┕つM—深化協(xié)同的設(shè)計(jì)過程，有效降低了同溝通不及時(shí)帶來的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，合理地把控建筑內(nèi)部空間，提高施工效率[7]。三維信息模型的建立為后續(xù)的專業(yè)排布提供了依據(jù)，增強(qiáng)了建筑和管道系統(tǒng)之間的聯(lián)系，增強(qiáng)了檢查設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的合理性。

4.3 增強(qiáng)管道系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性

超高層建筑有著復(fù)雜的管道系統(tǒng)，管廊又是最密集、最復(fù)雜的區(qū)域，機(jī)電管線綜合優(yōu)化是機(jī)電安裝工程的首要任務(wù)，在進(jìn)行管線綜合優(yōu)化時(shí)，需遵循設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)需要考慮到建筑施工和結(jié)構(gòu)安全等方面因素。采用BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)作設(shè)計(jì)，打破了以往多學(xué)科間相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)模式，不同專業(yè)的設(shè)計(jì)者通過三維信息建模，可以更好地掌握整個(gè)工程的總體情況，從而提前協(xié)商解決。通過信息交換，可以有效防止可能發(fā)生的碰撞問題[8]。協(xié)同設(shè)計(jì)可以為今后的建筑布局提供更多的空間信息，從而增強(qiáng)不同專業(yè)之間的融合度，提高工作人員的設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)管道系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性。

哈爾濱市某信托大廈結(jié)合BIM軟件建立三維模型作為輔助設(shè)計(jì)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)的錯(cuò)誤，真實(shí)模擬管道線路空間，掌握施工時(shí)內(nèi)部管線的真實(shí)情況，有效減少了設(shè)計(jì)失誤帶來的人力、物力、財(cái)力損失。運(yùn)用BIM技術(shù)合理地提高機(jī)電工程的安裝效率和設(shè)備利用率，使本項(xiàng)目變更結(jié)算的費(fèi)用僅占合同金額的7.5%，對(duì)比傳統(tǒng)的管理模式，減少設(shè)計(jì)變更約35%。其地下一層建筑標(biāo)高6.6 m，梁下凈高5.4 m，將管線集中設(shè)置在4.4 m以上的空間，提高了整體建筑的空間利用率，使建筑內(nèi)部空間得到合理的優(yōu)化。

5 結(jié)論

該工程管線系統(tǒng)復(fù)雜，整體管道線路變化多樣，包含的管道體系齊全，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的施工質(zhì)量影響巨大，有較大的施工難度。本文以預(yù)防管線綜合過程中的管道碰撞和管線交叉現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行多專業(yè)同平臺(tái)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中的適用性，并且有效利用Revit等軟件對(duì)建筑施工材料進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，利用BIM與應(yīng)用平臺(tái)限額領(lǐng)料，減少浪費(fèi)，澆筑混凝土節(jié)約費(fèi)用3.12萬元，為施工精準(zhǔn)用料提供依據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，BIM技術(shù)克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于信息傳輸?shù)膹?fù)雜性而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)誤差，為解決管線碰撞、管線交叉、施工用料總量、施工工藝模擬等問題提供了可能，管線的綜合優(yōu)化使管道施工前期就基本解決了所有施工困難，大大提高了施工效率，如在安裝專業(yè)施工時(shí)，管綜節(jié)省265個(gè)工，約節(jié)約費(fèi)用6.36萬元，根據(jù)碰撞檢查的結(jié)果，生成碰撞檢查報(bào)告，嚴(yán)格按照該報(bào)告施工，在管道、套管預(yù)埋期間節(jié)省140個(gè)工，節(jié)約經(jīng)費(fèi)為3.36萬元，為以后的施工提供了借鑒，從而達(dá)到控制工期、提高質(zhì)量的目的。BIM技術(shù)在超高層建筑工程中的應(yīng)用，充分展示了BIM技術(shù)的切實(shí)可行，因此，構(gòu)建科學(xué)的BIM應(yīng)用模式是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，能有效推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)化發(fā)展。