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[分享]基于BIM的三维综合管线设计优化及应用研究
随着我国经济总量的提升，建筑形体与结构也日益复杂，大型复杂公共建筑的设计和施工难度都在逐步增加，在这些建筑中，尤设备管线系统尤其繁多且布局复杂。在传统的设计施工中，经常会出现大量的返工窝工，既浪费了时间，又浪费了设计及施工人员的精力。如果设计当中出现碰撞等问题没有被及时发现更改，流转到施工阶段，更会出现严重后果，影响整个工程项目的进度，造成大量返工浪费[1]。究其原因，就是传统的设计流程中各个专业之间是相互独立的，建筑专业、结构专业和设备专业之间的设计信息交流主要是通过相互提资来进行，缺乏实时协同性，交流难度较大。传统的综合管线的设计和施工已经难以解决上述问题，BIM技术的出现，使得综合管线的设计和施工的返工率降到了最低。在设计阶段，应用BIM技术对设计方案及图纸进行碰撞检测和审查，充分优化设计中潜在的冲突碰撞问题，保证工程项目的工期和质量。在施工阶段，工程项目人员利用BIM技术对设计阶段优化后的三维综合管线模型进行施工模拟。通过三维漫游直观的检查净空高度，进行管线支吊架优化排布。利用三维模型及复杂节点模型进行三维技术交底，减少或避免施工中有可能会出现的冲突和碰撞等问题。BIM技术显著的减少了设计施工变更，大大的提高设计单位和施工现场的效率[2]。
1 BIM价值
最早的建筑信息模型（building information modeling，BIM）概念是由恰克·伊斯曼（Chuck Eastman）在1975年首次提出的“建筑描述系统（Building Description System）”[3]。随后的几十年中，BIM由虚拟建筑、3D建模等提法逐渐演变成今天广泛应用于建筑行业并且使整个行业发生了变革的建筑信息模型。BIM技术是以三维数字信息技术为基础，具有可模拟、可视化等特点，应用于设计、建造、管理、运营维护等多个阶段，集成了建设工程项目所有相关数据信息。它既是工程数据模型，同时又是一种数字化技术[4]。BIM技术将工程项目中所涉及到的专业的数据信息集成在同一个数字化模型中，对建筑结构和设备及各种管线等进行三维模拟仿真[5]。从设计阶段开始，就可以应用BIM技术为工程建设项目建立协调一致的三维信息模型。在设计、施工、运营维护等阶段再结合传统的二维图纸或图表信息表达，能够帮助项目决策者在不同阶段利用三维信息模型做出正确的决策，做到精细化施工管理，提升工程项目生产效率、提高建筑质量、缩短工期、降低建造成本。
BIM的核心价值在于BIM模型背后复杂的数据信息。目前在工程项目的不同阶段中通过建立BIM协同平台来存储、共享、利用这些数据信息。在平台中，把不同项目参与方的不同格式的模型等集中管理，整合存储类型复杂的模型数据于统一平台，进行数据优化、增添、删除等操作。在平台中进行协同设计、协同施工工作、管线碰撞检查分析、日照采光分析、虚拟漫游和紧急疏散分析、物料管理、成本预算、进度计划模拟、进度管理等，体现数据信息和模型的实际应用价值[6]。
2 BIM技术在综合管线中的优势分析
2.1 综合管线的重要性
管线对建筑的作用类似于人体中的血液，现今越来越复杂的造型使得对综合管线的要求也越来越高，管线综合就是把MEP各专业的管线系统，例如给排水管道、消防喷淋管道、风管等整合在一起，通过规范和实际施工中的经验知识，综合考虑各种要素和管线设计原则，统一布置，解决管线之间的相互交叉碰撞以及与建筑结构的碰撞等问题。进行合理的综合管线布置，能够对设计阶段存在的错漏补缺加以弥补，减少施工中的返工带来的损失，协调机电设备和建筑结构以及装饰装修专业之间的冲突，提升建筑物的净空高度，保证设备设施的安装、运行、维护维修等工作有充足的空间来进行施工作业。
2.2传统综合管线的设计、施工缺陷
综合管线的传统设计及施工方法都是采用二维图纸及图表等方式进行设计与协调，设计的成果中常存在大量难以发现的碰撞问题。由于缺乏可视化，施工现场的未知因素又太多，就会使潜在的问题在施工阶段暴露出来，造成施工返工[7]。总体来说，传统的二维综合管线设计及施工主要存在以下问题：
（1）传统综合管线各个专业分别独立设计，相互之间只是通过互提资料进行信息交流，缺乏沟通与协作，设计时相关资料的管理难度比较大，由此产生系统内及系统之间的相互碰撞。
（2）对于结构体系复杂的建筑，传统的二维图纸缺乏三维可视化特点，在二维图纸上不能进行整个系统的分析，不够直观，对于管线交叉、管线和梁部分的表达不够清晰充分，仅仅通过绘制局部剖面不能完全发现其余碰撞部位。
（3）传统的管线碰撞调整一般为局部调整，没有考虑到管线的整体性，管线的标高一般为相对标高，所以一般解决了某处碰撞后又会引发新的碰撞。
（4）在实际施工中，综合管线布置都以各专业的管线设计及施工指导原则进行，但由二维设计的局限性，会在施工阶段产生很多碰撞问题，有时无法按照原有设计原则进行布置，这时就要根据现场净空要求，实际测量，协调改进，因地制宜的变通布置，由此也会引发造价的变动。
2.3 应用BIM的管线综合优势
通过对工程项目中建筑、结构、管线系统建立三维信息模型，将BIM技术应用于综合管线的设计施工，在设计阶段的审图中就可以发现隐藏在图纸中用传统审图方式难以发现的设计问题，进而优化设计方案，减少后续施工阶段潜在的错误和返工。利用碰撞检测软件，设置碰撞检测规则及专业，实现碰撞检测，对碰撞点进行分类分组，设计人员可以根据三维碰撞点进行重新设计，优化净空，优化综合管线的排布方案。在施工阶段的技术交底中，利用优化后的模型进行管线综合施工模拟，清晰直观的检查综合管线各专业之间的空间位置关系，指导施工。BIM技术提高了现场相关人员之间交流沟通的能力，进而降低建造成本，提升工程质量，缩短工期，提升项目的生产效率[8]。
3 BIM技术在某服务中心综合管线优化中的应用
3.1项目概况
本项目服务中心主体结构为全现浇钢筋混凝土混合框架结构，其中大量异形结构，混凝土梁、板及柱节点位置的钢筋下料、绑扎与连接，施工难度大。异形结构模板制作安装加固难度大，建筑类别为多商业服务建筑，本工程的施工图包括钢结构网架、建筑、结构、给排水、消防、喷淋、暖通、节能环保系统设计、强电、弱电及智能化系统设计，其中各类设备设施管线布置错综繁杂，使得施工的难度增大，对施工技术要求高。
3.2三维综合管线优化设计
本项目应用BIM技术进行三维综合管线优化的流程是先建立建筑、结构模型，然后再进行MEP设备的建模，将现有的二维图纸转化成为直观的三维建筑信息模型，再根据结构、空间净高及设备管线之间的关系及避让原则，进行碰撞检测，对碰撞结果进行合理的调整，解决图纸当中存在的错误，优化设计。通过多维度可视化的施工三维漫游，4D方案模拟，调整BIM模型，选择最佳的技术方案，革新了传统的审图方式，减少了各参与方重复沟通调整设计和比算方案的时间和环节，大大提升了管线综合优化的效率及效果。
3.2.1模型建立
本项目BIM模型的建立由BIM团队分建筑、结构和机电模型分别建立。本项目采用Autodesk Revit、Tekla和鲁班软件，充分发挥各自的优越性，弥补对方软件的不足，具体是：用Revit建立游客服务中心建筑BIM模型，用Tekla建立钢结构屋面BIM模型，用鲁班建立钢筋及安装工程BIM模型，3种软件建立的模型最终都导入鲁班BIM平台进行应用，实现碰撞检查、管线优化、提取工程量、进度、质量、安全控制及资料管理等功能。
在BIM模型的创建过程中，BIM团队各专业建模人员发现图纸中的错误共有32处，涉及到土建17个、结构8个和管线7个。在BIM模型创建完成后，各专业汇总问题，撰写图纸问题汇总报告，经工程项目部反馈给设计院。随后，根据设计院的答复，修改、完善BIM模型。驻场开始后在图纸答疑会中提前解决了所有问题,不但节约了时间，而且为后期顺利施工奠定了基础。
图1 图纸问题
3.2.2碰撞检查
将土建模型和MEP模型导入BIM平台进行碰撞检测。碰撞检测完成后，平台中会显示碰撞部位，然后进行碰撞点筛选，生成碰撞检测报告，共发现碰撞点603处。碰撞的部位涉及土建模型与安装模型、安装模型与安装模型。
- 图2碰撞实例
图3 碰撞检测报告
第一次碰撞检查，土建与安装模型发现碰撞点603个，其中地下发现碰撞点185个，一层发生碰撞418个。碰撞报告中详细明确的给出了碰撞点定位、名称及描述。主要的碰撞点集中在土建与安装专业中的消防、喷淋、给排水及暖通管道。碰撞报告中清晰直观的可视化表达给设计单位和业主单位进行设计变更提供了良好的指导，为施工的正常进行和质量的提升有了有效的保障。
3.2.3管线综合优化
第二次碰撞检查，利用BIM模型对管道密集区的各专业管道进行综合模拟施工排布，解决了绝大部分的碰撞问题，对于还需确认最终位置及标高的各类管道，提交给设计院再做进一步的优化设计，为后期指导现场施工、准确提取材料量奠定基础。如图5：地下室的强弱电和消防管道之间的金风管等设置综合支吊架。将喷淋头的高度提升至正负零以上3000mm布置。消防泵房的管道配件等在上方无法布置的，调至地面作业。
图4管线整体模型
图5优化实例
管线综合优化的原则是整体在先、局部在后。考虑施工先后顺序和设计规范要求，优先确定大管径管道位置、压力管道位置，水电分离、电在水上。本项目中管线避让按照如下规则：
（1）有压管让无压管
有压管由于压力的存在，受管道的走向、坡度和翻折的对管道作用的影响较小。而无压管应避免转折、翻转、起坡等，尽量保持直线，以免影响管内介质的重力作用，产生介质堆积、堵塞管道。
（2）小管道让大管道
一般在小管道和大管道有冲突时，调整造价低、尺寸小、容易翻转和移动的小管道。
（3）冷水管让热水管
热水管一般需采用保温处理，由此相比冷会管会使得造价高且直径较大。冷水管进行弯折翻转等处理也不会出现热水管的集气等问题。
（4）简单的管让复杂管
为了留出充足的施工安装、维护维修空间，一般施工简单且附件较少的管道优先级低于复杂的管道。
（5）临时管让永久管
原有管道位置已经固定，一般不可调整，新建的管线可选择多种方案进行调整；低压管避让高压管；非重力管道避让重力管道。
3.2.3三维技术交底、漫游
通过将优化后的各专业模型导入BIM平台，结合施工进度计划，进行施工模拟及漫游，身临其境地观看管线排布和走向。这种直观的技术交底形式是传统的二维图纸和图表所不能达到的，颠覆了以往的交底形式。基于BIM技术的三维交底，发现施工过程中因时间先后顺序导致的“软碰撞”， 净空高度不足等问题，还能精确预留洞口位置，针对复杂节点可做详细的三维交底技术材料，通过设置综合支吊架等手段，对施工重点难点进行模拟，提升了作业班组的技术水平，指导现场的施工，提高了精确度和效率。此外项目各参与方可利用BIM模型进行讨论，快速修改BIM模型，调整方案，最终确定最优的施工方案。
3.3经济效益分析
本项目应用BIM技术进行了三维综合管线的优化，经济效益显著，在图纸审核阶段，一次性解决所有图纸问题，避免了变更和返工，节约资金约10万元；管线综合优化，合理排布各位置，对管线及支吊架进行综合设置，缩短工期约15天，节约资金约6万元。
4 结语
在工程项目各个阶段，利用BIM技术，使传统的工程项目形成带有数据信息的三维模型，将模型中的数据进行存储共享，在项目不同阶段进行调用，增添数据满足项目设计及施工的功能需求。在施工中，通过利用特定区域的三维数据信息，可以按工序、要求等进行施工的精细化管理。通过BIM技术在服务中心综合管线优化中的应用，虚拟各种施工条件下的管线安装及布设，提前发现施工现场存在的碰撞和冲突，优化设计，减少变更；利用三维漫游检查净空高度，对管道密集区设置综合支吊架，并进行支吊架受力分析，确保安全可靠；利用存储于BIM平台的建筑信息数据，进行成本预算，限额领料等，实现了高效的施工管理，大大提高了施工现场的施工效率。未来BIM技术在综合管线优化中的重要性将愈加重要，也将将成为提升整个建筑行业经营管理和技术水平及生产效率的有力工具。
参考文献
[1] 何关培，王轶群，应予垦． BIM 总论［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011．
[1] He Guanpei, Wang Yuqun, should be given. BIM General [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2011
[2] 乔堃，张亮．建筑信息模型在上海国际旅游度假区某主题公园施工全周期中的应用[J].工业建筑.2016,(46).
[2] Qiao Wei, Zhang Liang. Application of Building Information Model in the Construction Period of a Theme Park in Shanghai International Tourism Resort[J].Industrial Construction.2016,(46).
[ 3 ]伊士曼 萨克斯BIM指南手册：建筑信息建模（业主，经理，设计师，工程师和承包商[M].新泽西州：约翰威利&兄弟，股份有限公司.，2011:1-30.
[3] Eastman C，Teicholz P，Sacks R. BIM handbook：a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers and contractors [M]. New Jersey: John Wiley & Sons， Inc,2011:1-30.
[4] 孙同谦，徐峥．BIM在市政管线综合中的应用[J]．中国给水排水，2014/06；30（12）：77
[4] Sun Tongqian and Xu Zheng.BIM in municipal pipeline integration [J]. China water supply and drainage, 2014/06; 30 (12): 77
[5] 张新兰，李颜强，李文江．积极推进BIM设计技术在市政工程中的应用[J].中国给水排水，2013/04；29（8）：64
[5] Zhang Xinlan, Li Yanqiang, Li Wenjiang. Actively promoting the application of BIM design technology in municipal works [J]. China water supply and drainage, 2013/04; 29 (8): 64
[6] 沈亮峰．基于BIM 技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用［J］．工业建筑，2013，43( 6) : 163 － 166．
[6] Shen Liang Feng. Application of 3D pipeline integrated design based on BIM technology in subway stations [J]. Industrial buildings, 2013, 43 (6): 163 - 166.
[8] 马捷．基于BIM的地铁综合管线设
计优化方法研究[D]华南理工大学．
[8] Ma J. based on BIM based Metro integrated pipeline
Study on the optimization method [D] South China University of Technology.
来源：BIM 微信公众号 写意BIM
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