随着中国经济和基础设施建设的发展,传统建筑业碳排放量大、资源浪费、效率低下的问题推动了建筑业的转型升级。建筑信息模型(Building information modeling,BIM)是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目的各种相关信息,是对工程项目实体与功能特性的数字化表达^[1]。BIM技术被认为是能够对建筑业带来二次变革的信息技术,正在不同的阶段中发挥巨大的作用。

由于建筑室外红线、道路、景观设施等限制,管线错综复杂,施工空间狭小,建设工期紧张,建设质量要求高的问题,室外管综设计一直都是机电设计中的难点。利用BIM技术进行可视化、参数化、精细化设计,可以有效提高设计质量,降低后期施工难度。本文以南京市某大型综合体室外管综设计应用为例,详细介绍BIM技术在建筑室外管综设计阶段中的应用,为后续项目提供借鉴。

本工程位于南京市河西CBD中央商务区核心地块西区,由4栋超高层塔楼、4栋商业楼及5层地下室组成,总建筑面积379 721 m²,最高的建筑高度为217.6 m,是一座集商业、办公、酒店式公寓为一体的超高层城市综合体。

项目规划用地面积36 981 m²,地下一层建筑面积31 724 m²,地下室顶板平均覆土厚度为1.4 m,局部覆土厚度仅为0.4 m,室外管线大部分敷设在地下室顶板上的覆土内,管线安装间距紧张;项目室外地面采用大量荔枝面芝麻灰花岗岩进行石材铺装,对室外窖井的位置美观及实用要求高;地下室顶板覆土层内有出室外压力排水、塔楼排出管、场地雨水、污水、消防、给水、电缆管沟等管线,管线纵横交错;场地南侧紧邻河道,建筑容积率为8.5,场地用地紧张,管线安装空间难以保证;项目为南京市重点工程,同时为了推进二期建设,项目建设工期紧,防水质量要求高^[3]3]。传统的CAD设计方式已经难以应对本项目的众多问题。通过BIM技术的应用,可有效检查管线之间的碰撞,同时对管道检查井的位置进行精确定位,综合考虑覆土厚度、管道安装间距,排水坡度等因素,对室外管综进行优化设计,以提高设计质量,减少施工返工,达到提质增效的目的。

本项目室外管线众多,主要的土建设计资料包括市政现状图、建筑总平面图、景观总平面图及构筑物详图,包括基地红线、建筑退让线、主体建筑外墙线、车道、车位、绿地、景观等^[2]2];室外管线包括污水管道、雨水管道、室外消火栓管道、市政自来水管道、电力管沟,弱电管沟,天然气管道,涉及众多相关专业。本项目在设计之初,即采用BIM技术进行辅助管综设计。通过建立地下室、地上单体的综合管线模型,然后在此基础上进行室外管综设计。

在项目的设计伊始,即通过借鉴地上BIM管线综合设计经验,制定如图1所示的BIM室外管综设计流程。通过建立室外场地BIM模型,将地下室的顶板、地下室上翻梁、汽车坡道、地下室外墙、景观水池、线性排水沟等设施精确绘制,形成场地室外BIM模型。通过链接地下室及地上单体建筑一层模型,绘制地下室及地上单体排出管,以准确接入就近的检查井。在BIM软件中绘制各类管线路由,并结合场地实际情况,对管线碰撞部分进行优化调整,解决所有交叉问题,最终导出二维、三维图纸,结合模型进行现场交底,指导现场施工。

项目的数据格式、分类编码、模型设计深度、图层、图例、线型、颜色、线宽、视图、标注等内容,依据《建筑信息模型应用统一标准》(GB/T 51212-2016)、《建筑信息模型分类和编码标准》(GB/T 51269-2017)、《建筑信息模型设计交付标准》(GB/T 51301-2018)、《江苏省民用建筑信息模型设计应用标准》(DG J32/TJ 210-2016)等相关标准进行设计。

BIM技术在室外管综中的应用还未成熟,与CAD的应用初期相同,为了保障BIM技术的应用效果,需要根据项目设计要求、标准图集、招标文件样本等定制适合本项目的室外BIM族库及设计样板文件,见图2。BIM族库中不仅包含设施的尺在图上详细标准管网的类型、尺寸信息以及定位尺寸寸信息,同时包含了大量的属性信息,部分族可以做成参数化的族,根据管道的管径等尺寸自动改变族的尺寸信息,实现自适应设计。为了满足后期设计出图要求,针对目前市场上常用的族文件进行了定制开发,使其二维图例的比例符合相关制图标准要求。

在BIM样板文件中,根据设计规范及样本文件中的尺寸规定,制作了不同材质的室外管线类型、管道附件、管件,以满足BIM的精细化设计要求。同时根据室外管综的设计习惯,制作标准的过滤器文件,提高BIM设计效率。

为了符合国内的审图要求,目前主流BIM设计软件均需进行定制开发,对其二维图例进行优化。在本项目中,结合了省内的BIM设计应用标准,制定了符合公司要求的线型、线宽、标注、图例等出图标准,见图3,同时探索双线图在室外管综设计中的应用。

为了充分利用BIM模型的信息数据,在本项目中利用DYNAMO软件进行二次开发,能够非常方便的对不同类型的管线进行染色,修改器属性值,提高室外管综BIM设计效率。

在项目室外管综方案设计之初,通过收集土建及景观专业相关资料,对照BIM建模标准,建立完整的室外场地模型,见图4,以便于在此基础上完成室外管线路由的设计工作。特别注意的是,在场地建模中,需要将构件按照设计尺寸、材质、标高表示清楚,这样更方便施工图设计阶段能够直接通过revit二次开发的插件读取高程信息,实现自动标注出图。

结合本项目的现状市政资料,在项目的北侧市政道路上有供本项目的市政自来水管、市政雨水管、市政污水管、市政电力管、电信电视管。项目的雨水回用池也位于项目的北侧地下一层内,故本项目雨水和污水均需要排至北侧道路上。在初步规划道路的重力流排水管线后发现,地下室单边长度为186 m,按最小坡度0.003计算,坡降为0.56 m,如水管直径为De400,地下室顶板标高为-1.60 m。假设管道出地下室顶板范围时的管道底标高为-1.50 m(考虑100 mm垫层),管道起端的管内底标高为-1.50+0.56=-0.94(m),地面高度为-0.35 m,则覆土厚度为0.94-0.35-0.4=0.19(m),不满足管道最小覆土厚度0.7 m要求,故本项目重力流管线分两侧从主干路分别汇集至市政排水口。通过模型可以很直观地观察管道的实际情况,避免了繁琐的计算过程。重力流管道示意见图5。

本项目通过链接室外场地模型,在机电模型中进行室外管网的设计。项目的其他管线均借助场地BIM模型,结合单体建筑位置,进行管线路由设计,形成最终方案,见图6。

在revit软件中规划好室外管综的方案后,需要进一步深化设计,完成如检查井的精确定位,地下室压力排水管、地上重力排水管接入检查井,室外排水明沟接管等内容,同时综合考虑设计管线类型、管线间距、安装空间等要求,对室外管线进行优化,减少在施工时的不必要返工,提高施工质量,缩短施工工期^[4]4]。

本项目地下室为5层,地上有8栋单体,有大量的地下室出顶板管线、单体出户管线。通过链接地下室BIM设计模型,将地下室排水管出顶板位置根据设计留洞图在室外管综模型中进行标注,同时根据现场实际情况调整出顶板管线位置。通过链接地上BIM设计模型,将一层出建筑外墙的管线在BIM室外模型中标示出来。根据雨污分流、管道系统对应的原则,将这些管线分别接入对应管网,见图7。

利用BIM软件对室外管网进行管线之间、管线与土建构件之间的碰撞检查,生成碰撞报告。随后对每一处碰撞进行核查,根据管线避让原则(小管让大管,支管让干管,有压管让无压管,施工简单的让施工难度大的),对所有管线进行管线路由优化。

本项目室外场地多为硬质石材铺装,室外构筑物的安装位置要求美观、合理。结合景观铺装图纸,在项目设计中,对雨水、污水检查井,室外消火栓,消防水泵接合器,室外排水沟的位置进行了精细化设计。调整位置,避免检查井、室外消火栓位于建筑门厅出口附近,尽量布置在建筑的转角、绿化设施内,兼顾美观和设计合理性,见图8。

BIM具有可视化、精细化的设计优势。在室外管综设计中,结合室外场地模型,对所有管线的位置进行综合考虑。在施工中,塔吊的位置往往会影响管线的安装,在本项目设计时,将塔吊布置在项目场地模型中,通过可视化设计,论证室外管网安装的安全性,见图9。

借助BIM的协同设计优势,本项目利用工作集,给专业设计、校对、审核分配了不同的工作权限,见图10,对模型进行审核。通过安装在院内的协同服务器进行协同设计,设计不合理之处,可利用红线进行标注,征得原设计人员工作集同意后,可直接进行修改。通过协同设计,所有设计修改过程都可以有记录可查,减少了各专业直接的沟通时效,提高了设计质量和效率。

为了能够适应现阶段的设计审图制度以及现场施工要求,在BIM设计及优化完成后,通过丰富多样的BIM设计成果,见表1,将设计意图更加直观的传递给相关人员,使其充分理解设计意图。

在室外机电模型的基础上,对照传统CAD设计模型,分别导出单专业平面图及综合平面图,见图11,在图11中详细标注管网的类型、尺寸信息以及定位尺寸。通过施工协作平台,将模型、图纸、图片上传至软件平台,施工现场人员即可在移动端查看这些数据。现场发现问题后,可通过平台在线反馈问题,设计人员进行复核。通过信息的传递,改变传统的设计模型,提高项目协作效率^[5]5]。

本项目探索了BIM技术在室外管综设计中的应用路径,实现了室外管综的可视化设计,解决了室外管综设计要求高、场地有限、工期紧张的问题,降低了施工成本。利用BIM丰富的成果,使得设计意图能够更加直观地被项目参与人员理解,减少沟通成本。

随着智慧城市的建设,相信在未来几年内BIM在室外管综设计、海绵城市设计中的应用会越来越多。只有城市的基础设施都具备信息化的基础,充分挖掘BIM技术中的信息,通过物联网技术,构建智慧城市的数字模型,智慧城市的建设蓝图才能更好的落地。