許珊珊，范書瑋，宋 亮

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

0 引言

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

以CAD為主的傳統(tǒng)二維設計平臺，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)設計并非只有一個專業(yè)，各專業(yè)之間的信息交流也會出現(xiàn)一些偏差，從而使設計成果在后續(xù)的執(zhí)行中出現(xiàn)諸多問題，影響最終的設計效果。通過BIM技術，對工程的地基、主體、機電管線進行預先模擬，以降低協(xié)同設計、施工階段出現(xiàn)專業(yè)矛盾的幾率，利用BIM技術的仿真性、可視性、信息傳遞性及關聯(lián)性等特點，對工程進行優(yōu)化管理，解決了超高層建筑復雜節(jié)點的施工難題，提高了施工系統(tǒng)的整體質量，將BIM技術真正落實到超高層建筑中。

1 項目簡介

本項目以哈爾濱市某信托大廈為研究對象，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。項目中涉及的機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)。整個項目的多個專業(yè)管線綜合布置難度大，給機電安裝工程施工質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)復雜多樣，造成了管線密集，這不僅影響工程項目的施工質量及以后的運行使用，而且也將影響到工期進度及施工成本的控制。從整體上講，整個項目的機電工程布局比較復雜，對管道的排布進行合理的規(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技術貫穿了整個建筑的生命周期，針對工程自身的特點制訂BIM技術的具體實施方案和使用細則，利用Revit等相關的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，得到碰撞報告和凈高分析，向設計人員進行反饋，按照規(guī)范要求調整房間凈高，進行管線整合，重復檢查以后得到完整的施工模型，根據(jù)輸出模型進行工程量統(tǒng)計，最終導出各專業(yè)圖紙指導施工[4]。三維設計功能作為BIM建筑技術中的一項基本設計功能，不僅僅只局限于此。三維建模軟件不但包含建筑設計過程中賦予模型的所有空間和幾何信息數(shù)據(jù)，還要將三維結構建模軟件知識基礎中的建筑材料信息、物理特性、力學參數(shù)、結構屬性模型等各種非結構化幾何模型信息數(shù)據(jù)整合應用在三維BIM結構建模中。利用三維模擬軟件強大的自動繪圖功能，即可輕松地自動設計制作出建筑平面圖、剖面圖、立面圖模型等，有效滿足相關設計專業(yè)的出圖規(guī)定。

2.1 建筑結構模型

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

2.2 機電模型

超高層建筑機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。機電工程的工程量復雜煩瑣，在繪制過程中采取多人同平臺繪制的方式，通過采用相同的建筑模型來繪制相應的管道系統(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行替換并錄入管道相應的材質、尺寸信息。通過視圖選項欄，對不同系統(tǒng)的管道設置相應的顏色，使模型在三維模式下直觀清晰。某超高層三維機電模型圖如圖1～2所示。

圖1 機電模型

圖2 地下機電模型

3 BIM深化設計

隨著我國城市建設體系的不斷完善，各種管線系統(tǒng)、配套設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、空調系統(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。在項目進行初期，利用BIM技術提前預知管道與管道、管道與結構之間的碰撞問題，做到有效的修改和處理，確保機電專業(yè)與其他專業(yè)的深化設計圖紙相結合，達到三維模型的精度要求，保證管線之間的排布方式科學合理以及管線與設備之間的連接正確，保證建筑的空間布置和最后的深化設計圖匹配度達到100%。

3.1 三維信息模型整合

BIM技術的出現(xiàn)，改變了以往工程項目協(xié)同設計過程中不同專業(yè)的設計協(xié)作關系，把包括設計、施工、業(yè)主方監(jiān)理等所有項目參與者有機地融合到一起來共同來完成整個項目的協(xié)同化設計。BIM技術是一種高效的信息共享平臺，它以Revit軟件為基礎，實現(xiàn)了基于BIM平臺的多專業(yè)信息交流。如果產(chǎn)生不同專業(yè)設計方面的變化，平臺中的數(shù)據(jù)信息庫會及時更新相關的變更內(nèi)容，其他專業(yè)的設計人員都可以通過這個平臺了解到變更信息以便及時調整本專業(yè)的設計方案[5]。超高層建筑各個專業(yè)模型繪制完成后，將各種信息模型進行深度整合，生成完整的建筑機電模型。通過BIM技術可視化的特性，對建筑物進行三維仿真，對整個建筑物的細部結構、復雜節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息集成，實現(xiàn)了對建筑物各個系統(tǒng)的全面認識。

3.2 碰撞檢測

建筑、結構、機電專業(yè)共同組成了建筑系統(tǒng)，這些專業(yè)的融合構成了完整的建筑體系。在復雜的建筑空間區(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，將會造成施工過程中出現(xiàn)返工、施工材料浪費、延誤工期等現(xiàn)象[6]。

通過BIM技術整合建立的專業(yè)模型，提取不同管道系統(tǒng)之間的碰撞節(jié)點，以地下一層為例，通過碰撞檢測得到碰撞點共476處，其中機電管道之間的軟碰撞共計430處，其余均為硬碰撞，碰撞點多為消防噴淋管道和通風管道之間的碰撞，達到329處，占地下一層碰撞點的2/3，整理出部分軟碰撞報告如圖3所示。根據(jù)管道的碰撞分析合理調整管線與管件、管道與管道之間的規(guī)范距離，并且結合硬碰撞節(jié)點實現(xiàn)管道與管道、管道與建筑結構之間的合理避讓。通過碰撞報告全方位查看相應模型信息，提高數(shù)據(jù)信息處理能力，避免了施工過程中出現(xiàn)的不確定性和重復返工，為項目后期的運營、維護提供了便利。

圖3 地下一層碰撞報告

3.3 管線綜合

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

應用BIM可視瀏覽，預防管道線路之間的碰撞，促進機電安裝工程穩(wěn)步進行，有效提升施工質量。在調理管線排布的過程中，要按照設計規(guī)范進行修正，在發(fā)生碰撞的管道節(jié)點處，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)生碰撞而需要調節(jié)整體管道高度和管線路徑時，要與設計院進行反饋和溝通，找到最優(yōu)方案進行繪制。針對以上碰撞問題，在保證房間凈高的前提下，進行管道集中調整，依次確定各個管道系統(tǒng)的位置，在此過程中可能會出現(xiàn)大面積的管道調整，因此，合理的管線優(yōu)化是一項復雜且龐大的過程。機電管線調整如圖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，管道整體分為上中下3層，頂層為橋架系統(tǒng)，底標高為4.93 m，中間為壓力排水管道，管中心標高為4.48 m，下部為防排煙系統(tǒng)，管中心標高為4.1 m；消防噴淋噴頭標高4.4 m(凈高 4 m)，同時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 機電管線調整前

圖5 機電管線調整后

根據(jù)施工圖模型以及設計調整前后的機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，進行施工模擬，提高了施工質量。

圖6 管廊凈高分析

圖7 房間凈高分析

4 超高層建筑BIM技術應用價值及成效

4.1 三維動態(tài)模擬，精細化進度管理

在本工程BIM技術應用中，采用三維模型的動態(tài)化管理，使施工人員充分理解模型對應的信息，若在施工過程中出現(xiàn)臨時變動，對相應模型信息進行更改即可。在前期對模型進行詳細繪制后，對建筑、機電模型進行分類工程量統(tǒng)計，通過Excel表格進行查看和統(tǒng)計，方便后期采購單位對進度計劃進行編制，減少現(xiàn)場大約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管理階段，為保證建筑整體功能的完善，技術人員可根據(jù)BIM模型查看相應設備的構件信息，若出現(xiàn)設備故障，便可以準確定位到設備所在位置，進行及時的診斷，便于整體建筑的維護。

4.2 多平臺協(xié)同設計

本文以哈爾濱市某信托大廈為例，利用BIM軟件Revit、Lumion、Fuzor等對其進行了三維模擬、管線綜合、凈高分析，實現(xiàn)了建筑模型、結構模型和機電模型的一體化設計。采用三維建模技術，實現(xiàn)多專業(yè)建?！┕つM—深化協(xié)同的設計過程，有效降低了同溝通不及時帶來的設計錯誤，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)，增強了建筑和管道系統(tǒng)之間的聯(lián)系，增強了檢查設計和預測設計的合理性。

4.3 增強管道系統(tǒng)的科學性和合理性

超高層建筑有著復雜的管道系統(tǒng)，管廊又是最密集、最復雜的區(qū)域，機電管線綜合優(yōu)化是機電安裝工程的首要任務，在進行管線綜合優(yōu)化時，需遵循設計規(guī)范進行調整，同時需要考慮到建筑施工和結構安全等方面因素。采用BIM技術進行協(xié)作設計，打破了以往多學科間相對獨立的設計模式，不同專業(yè)的設計者通過三維信息建模，可以更好地掌握整個工程的總體情況，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)同設計可以為今后的建筑布局提供更多的空間信息，從而增強不同專業(yè)之間的融合度，提高工作人員的設計效率，增強管道系統(tǒng)的科學性和合理性。

哈爾濱市某信托大廈結合BIM軟件建立三維模型作為輔助設計，預先發(fā)現(xiàn)設計上出現(xiàn)的錯誤，真實模擬管道線路空間，掌握施工時內(nèi)部管線的真實情況，有效減少了設計失誤帶來的人力、物力、財力損失。運用BIM技術合理地提高機電工程的安裝效率和設備利用率，使本項目變更結算的費用僅占合同金額的7.5%，對比傳統(tǒng)的管理模式，減少設計變更約35%。其地下一層建筑標高6.6 m，梁下凈高5.4 m，將管線集中設置在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 結論

該工程管線系統(tǒng)復雜，整體管道線路變化多樣，包含的管道體系齊全，對整個項目的施工質量影響巨大，有較大的施工難度。本文以預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，進行多專業(yè)同平臺之間的協(xié)同設計，增強了BIM技術在設計過程中的適用性，并且有效利用Revit等軟件對建筑施工材料進行有效統(tǒng)計，利用BIM與應用平臺限額領料，減少浪費，澆筑混凝土節(jié)約費用3.12萬元，為施工精準用料提供依據(jù)。相對于傳統(tǒng)的二維設計，BIM技術克服了傳統(tǒng)設計中由于信息傳輸?shù)膹碗s性而產(chǎn)生的設計誤差，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，管綜節(jié)省265個工，約節(jié)約費用6.36萬元，根據(jù)碰撞檢查的結果，生成碰撞檢查報告，嚴格按照該報告施工，在管道、套管預埋期間節(jié)省140個工，節(jié)約經(jīng)費為3.36萬元，為以后的施工提供了借鑒，從而達到控制工期、提高質量的目的。BIM技術在超高層建筑工程中的應用，充分展示了BIM技術的切實可行，因此，構建科學的BIM應用模式是當前研究的重點，能有效推動社會可持續(xù)化發(fā)展。