基于BIM技术地下车库管线综合应用研究

郝小杨 李 昊 张 园

(1. 内蒙古农业大学 内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古建筑职业技术学院 呼和浩特 010070)

引言

管线综合一直是机电安装工程的重点难题，管线综合是由多专业协作完成，但是传统二维管综设计与深化有很大的局限性，如隐藏在空间上的碰撞矛盾与问题难以彻底的暴露，管线综合表达不够准确合理，为施工现场留下了不可控的弊端因素，直接或者间接造成经济损失[1]。信息技术已然成为建筑产业生产与管理的关键因素[2]，建筑信息模型(Building Information Modeling)被认为是建筑行业的又一次信息技术革命，以高效、智能的三维数字技术作为基础，并以其独特的工作方式将项目信息集成汇总，最终生成数据模型[3]。BIM不仅仅是单一或多个软件集合，更重要的是信息集成的管理方式[4]。BIM技术辅助机电设备安装施工，相当于对建筑设计的提前“预演”及图纸的“三维校核”[5]，实现保质提效的目的，同时基于网络协同平台的基础上[6]，确保多专业工程信息获取及时准确，破除各专业间的信息壁垒、数据孤岛的现象[7]，实现专业间的信息共享，同时满足国家倡导的绿色施工的理念要求。

1 BIM辅助管线综合优势分析

1.1可视化

以BIM技术为基础的项目综合交付模式，将带来新的项目管理模式的变更，实现信息共享及团队间的高效协作[8]。BIM技术的基础是集成项目信息的数据模型，将线条式的构件变成三维模型，直观的查看项目状况，提前消除设计阶段未发现的隐蔽问题，最终输出能够指导施工的综合图纸[9]。

1.2 集成化

BIM模型是随着项目进行，工程信息的实时录入并进行优化[10]，再提交、共享给所需人员的过程。将建筑供应链上的各参与制信息集成到整体模型数据库中，将建筑供应链各成员企业的信息模型协同的集成到建筑供应链的整体信息模型数据库中[11]。因此BIM模型应用于管线综合阶段，BIM模型可以真实反映管道的尺寸、高度、管道类型等信息，在模型中以不同颜色区别不同类型管道，碰撞检测及管道优化更加方便，施工模拟阶段对有疑问的位置查看更为方便,同时利用信息集成的手段保证项目的管控水平有效提高。

1.3优化性

根据施工图纸搭建模型过程中，相当于对图纸的二次审核，克服传统二维审图效率低、易遗漏的问题，及时处理施工图存在的不足及问题[12]。模型搭建完成后，将模型进行碰撞检测并进行人工复核找出有效碰撞点，解决碰撞问题，对于管线密集区域，在保证满足规范要求的前提下预先排布，通过BIM模型进行事前模拟，检查净高不满足的区域，再通过设计调整及优化布置实现净高需求，并输出剖面图、三维管综图指导施工[13]。

由以上分析可知，BIM技术在管线综合方面具有较强的优势，以三维可视化立体的方式将复杂管线呈现给管理者，并将相关信息存储于模型中，实现设计、施工、管理一体化[14]。

2 BIM辅助管线综合应用

2.1模型精度

BIM技术最大的特征是改变了传统二维纸质媒介传递建筑信息的方式，通过管理软件将设备构件、管理人员及技术设备联结在一起，实现建筑信息化的高效管理[15]。BIM技术服务于项目的基础是BIM数据模型，模型搭建的精度与速度对BIM技术的应用有极大的影响，数据模型始终贯穿于项目的整个生命周期，模型的内容与细节是由项目生命周期内各专业在应用阶段对模型信息需求决定的，因此项目各主要参与方前期及早的确定并及时参与进来，协同工作[16]，确定各阶段项目需求，以需求为导向确定各阶段数据模型的精度标准。

BIM模型建立精度(Level of Detail, LOD)现今已有英国AEC(UK)以及美国建筑学会(AIA)组织提出相关定义与标准。AIA将模型精度分为五阶段，各分别为LOD 100、LOD 200、LOD 300、LOD 400 及LOD 500，每一阶段LOD模型内容必须符合所订定的度要求[17]。如表1所示：

表1 美国建模精度

2.2深化设计

施工前依据设计方输出的施工图纸进行深化设计，有效的提高施工质量与效率。BIM技术辅助管线综合其深化设计主要包括将水、暖、电等专业模型链接整合在一起，同时将结构模型与机电模型进行链接整合，有效的利用BIM技术的可视化功能，查找碰撞点、局部空间狭小管线密集难排布、空间布局优化，根据管线调整原则及施工规范要求，结合现场安装实际情况对管线进行优化综合排布，深化设计图流程如图1所示：

图1 BIM辅助深化设计流程图

2.2.1碰撞检查

机电安装系统主要包含采暖、空调、通风防排烟、给排水、消防、供配电等，BIM辅助管综充分首先创建不同专业的数据模型，并将模型与构件属性关联，之后把数据模型在软件中进行整合，连接模型导入到Navisworks中进行碰撞检查，根据检查报告的构件ID进行准确定位，根据属性面板的信息进行筛选有效的碰撞点，通过报告可以清晰明了的找寻碰撞位置、碰撞原因及碰撞类型等信息。

2.2.2车道、车位专项分析

传统车道车位进行分析时将二维图纸层叠，对于车道坡度、中心线高、梁高的检查，需要车道平面图同剖面详图核对，二维图纸缺乏联动性，不仅费时费力且容易出错，造成疏漏。车道高度计算方面，二维图纸需以人工方式计算车道中心线个点高度，在一一核对车道平面详图与立面详图的车道中心线各点高度与水平为是否一致，进而考虑净高问题。车道因设计问题需要重新设计时，需要将结构图、建筑图层叠，才能得知是否出现冲突。

基于BIM技术的车道车位专项分析，利用平面图纸建立模型，以模型作为介质，将3D模型与2D图纸进行结合，可以利用模型减少车道设计人工核算的疏漏，同时可以直观的查验车道净高是否满足要求，车道调整较为便捷，且直观的查看调整后车道与周边构件的空间关系。

2.3管综出图

在完成碰撞检查、管综优化等工作后，能得到完整的管综优化模型及复杂节点的三维模型，利用数据模型输出机电三维图，三维模型图准确的定位管线的安装的先后顺序、标高及管线详尽的尺寸标注等信息，相对于二维图纸而言，三维模型图视觉上更加直观，对于管线密集、空间关系复杂的设备机房和走道区域，能清晰的表达管线的空间关系，利用已经完善的数据模型制作施工技术动画、实景交互动画及二维码等，简化复杂节点的施工技术交底，提高施工人员对项目的熟悉程度，保证施工质量与进度。

3 项目实例

3.1项目简介

本文从内蒙古自治区包头市某高层住宅项目地下车库为例，该项目为北区第二标段，其总建筑面积为107,357.04m2，地上建筑面积88,159.13m2，地下车库整体建筑面积为40159.82m2。设置停车位1326个，该地下车库南北高差大，车库自北向南倾斜。该项目体量巨大工期紧张，且设计方输出的图纸中采用的是绝对标高，不利于项目的结构、机电模型的搭建、管综优化及净高分析。

由于项目自北向南倾斜，车库梁顶部标高均不相同。管线排布最低点处能否满足规范要求的净空标准、最高点处空间布局是否合理及同一管道在敷设在底高度不同的梁下时等问题的解决尤为重要。因此，只依靠二维图纸进行深化、调整，基本无法形成有保障的排布方案。

鉴于上述难点，项目采用BIM技术辅助管线综合应用，应对以上问题。

3.2各专业BIM模型搭建

BIM模型作为后期应用的基础，模型精度与细节的掌握都需要预先制定相应的规则加以约束(如图2)。

图2 模型精度流程图

不同专业在不同阶段所需要表达的模型精度也大相径庭。机电安装项目涵盖了暖通、给排水、消防、电气等专业。本项目是地下车库管综项目机电安装项目，涉及的专业繁多，输出的施工图需要进行现场施工指导。因此在项目初期就进行模型精度的探讨，将模型精度定义到LOD300，即表现模型元素的数量、形状、位置、方向及构件关系，如图3所示为低区热水循环泵房与管道连接。

图3 低区热循环水泵连接

本项目地下车库结构模型如图4所示，地下车库管综模型如图5所示

图4 地库结构模型

图5 地库管综模型

3.3 碰撞检测

碰撞检查能够在施工前对施工图纸进行一次审查，避免因尚未发现的图纸问题导致施工过程返工，同时对于二维图纸不能发现的密集区域隐蔽问题，进行预先排除，减少大面积拆改的现象，把控施工质量进度及造价。

碰撞检查分为单专业内部碰撞检查和多专业碰撞检查，本项目首先进行单专业之间内部碰撞检查，然后进行多专业之间碰撞检查，碰撞检查结果如表2所示：

表2 碰撞检查统计

单专业碰撞检查图6所示为风管专业与直饮水碰撞检查。

图6 单专业碰撞检查

多专业碰撞检查如图7，图示为管道与整个项目的其他专业进行碰撞检查。

图7 多专业碰撞检查

3.4车位、车道专项分析

管线进行综合排布与优化时，不仅需要管线综合排布美观合理，同时需要将空间净高作为重要参考因素，需满足规范要求的净高标准，在此基础上进行合理的优化，尽可能的提高空间高度，空间净高的减少，每平方米的造价成本也会随之减少，有效的节约成本，同时减少土方开挖量，工期也随之缩短。针对车位净高(图9)以及车位使用方面，提出优化建议；辅助优化车位设计，提前暴露不利因素，降低风险，便于营销定价。

本项目地库层高3700mm，板厚250mm，板下净高3450mm，最高梁900mm，梁下净高2800mm。风管底距地面2500mm，支吊架按50mm考虑，采暖管道、消火栓管道、喷淋主管、给水管道同层安装，车位处管道中心距地2450mm，车道处管道中心距地2650mm，支吊架按100mm考虑。桥架车位处底部距地为2400mm，车道处底部距地为2600mm，支吊架按50mm考虑。机电管线所占用的空间高度大约为1000mm，部分管线距顶板底50mm。

管线调整已考虑支吊架及灯槽所需空间共150mm，管线间距排布已将保温层厚度考虑在内。

经过管线优化后如图8，车道净高可达到2400mm，车位净高可达到2200mm。

图8 车道、车位管线优化排布 图9 车道车位净高分析

3.5管线优化实践

利用碰撞检查报告中的ID进行碰撞点精确定位，然后根据管线调整的基本原则及施工规范要求进行管综优化。

管线优化的基本原则：总体原则是充分利用梁内空间，避免与其他管道冲突，满足层高要求；避让原则：有压让无压，小管避让大管，冷水管道避让热水管道，管道附件少的避让管道附件多的，临时管道避让永久管道，低压避让高压，空气管道避让水管道；垂直排列原则：热介质管道在上，冷介质在下；无腐蚀介质的管道在上，腐蚀介质的管道在下，气体介质在上，液体介质在下；保温管道在上，不保温管道在下；高压管道在上，低压管道在下；金属管道在上，非金属管道在下；不经常检修的管道在上，经常检修的管道在下等。

如图10所示，风管在梁下100mm敷设时，630×400的风管底部高程为-3.94m，风管底部距地面高度小于业主要求的净空标准，在与设计沟通协商后，在保证不影响风管功能的前提下，使用800*320mm的风管进行替换。

a 优化前 b 优化后

3.6管线综合出图

相对于传统图纸信息杂乱无序，利用BIM技术出图性很好的克服了传统图纸问题，将设计与现场紧密联系起来，由于三维模型不能在二维图纸体现，所以需要绘制各种二维图纸[18]，利用BIM技术不仅可以导出二维平面图，还可以对于复杂节点导出节点大样图(如图11)，管道的层次关系直观、明确，加强施工人员对项目的了解，提高工作效率，可以依照设计标准完成管道的施工质量和进度控制。

图11 节点大样图及剖面详图

4 BIM技术效益分析

4.1 成本分析

通过BIM技术辅助管线综合应用，预先解决机电管线之间的问题，减少了施工过程中不必要的返工和材料的浪费，减少了工程变更，提高工作效率，实时监测资源曲线、资金曲线及物资查询功能管控现场人、材、机并制定合理的计划，通过清单三算与资源三算对项目做出最合理的决策[19]。进而控制了造价，极大的节约了成本。在满足设计规范及业主要求的情况下，对项目层高进行合理的优化降低，层高降低可以减少土方的开挖量，也可以实现节约成本的目标。

4.2 进度分析

本项目解决管线碰撞问题，降低返工率，缩短工期；复杂节点三维可视化交底，提高安装施工人员工作效率，节省工期；以模型为中心连接各个参与方，有效的提高协作解决问题的效率。

4.3 社会效益分析

利用BIM技术的可视化和模拟性使得施工人员对整个机电管线的安装更加熟悉，模拟管道的安装过程进一步增加施工人员的安装经验，提高管道安装的质量和效率，促进机电设备安装绿色施工，同时利用BIM技术的协同性，使得各个参与方联系更加紧密，更加便捷的解决项目过程中出现的问题，提高整个项目的管理效率。BIM技术的优化性预先解决管道碰撞问题，减少施工过程返工量及拆改面积，缩短工期，同时在项目施工过程中，对比工程实况与实时施工模型，以动态管理的方式辅助施工,通过BIM技术能够实现节能减排，最大程度的实现“四节一环保”推动建筑产业低碳化[20]。

结语

BIM技术被认为是能对建筑行业带来二次信息革命的新技术，正在被应用于不同阶段发挥其应有的价值，但是BIM技术普及还需要过程，BIM技术在我国发展已经从单一的数据模型为中心转向模型的多方面应用，以实际案例为中心，分析BIM技术辅助管综的主要应用点，从模型精度的确定到深化设计阶段，碰撞检测、车位车道专项分析及施工模拟等多方面应用点，有效的克服传统管综的问题，以数据模型为中心，以阶段需求为目标，将BIM技术的价值最大化解决项目实际问题，从成本、施工进度、社会效益方面进行项目评价分析，结果表明基于BIM技术的管综应用有效的管控成本、增强各参与方的协作交流、提高现场问题解决的效率、保证施工进度计划等。本文为BIM技术辅助管综应用提供一定的参考，促进BIM技术在行业内的推广。