公共建筑的机电工程涉及面广, 学科跨度大, 持续时间从主体施工开始实施直至装饰工程结束, 其设计和施工质量关系到建设项目竣工移交后的使用, 对工程有重要的影响, 因此, 提高机电工程设计-施工管理技术意义重大。随着信息技术的发展, 具有可视化、碰撞检查、虚拟施工等功能的BIM技术为机电工程管线综合排布效率提供了有力支持, 有效的提高了设计质量和施工效率, 可利用BIM模型在设计阶段进行三维管线综合及机电深化, 减少了设计专业之间的冲突。但是随着应用案例增多, 对于大型复杂的机电工程, BIM技术实施管线综合排布缺少标准, 串联设计与施工的效率不高, 在机电工程中的应用发展遭遇了瓶颈。本文通过分析当前BIM在机电工程领域的应用研究现状, 构建了适用于机电管线综合排布的模型标准框架, 进而设计基于BIM的机电工程设计-施工的应用流程。

随着BIM技术应用的不断深入, 基于BIM的管线综合排布得到了快速发展, 尤其是在管线复杂的大型项目中, 效果显著。梁永平认为, 机电安装工程的施工重点难点在于解决管线安装空间与管道施工的冲突问题, 综合排布设计利用BIM技术构建出建筑与机电专业模型, 可以实现设计控制的全面性与协调性优化目标^[1]。罗军等利用BIM解决了高层建筑管线净空调整以及管线碰撞问题, 优化了管道布置, 降低了成本^[2];王成君等则基于BIM提出面向地铁工程的吊装设备系统以解决管线分段整体吊装问题^[3]。可见通过BIM技术进行管线综合排布及深化已成为解决机电管线排布的有效工具, 但是应用主要集中于BIM工具软件的碰撞检查功能, 过于追求管线零碰撞, 而对碰撞原因缺少归纳, 导致BIM模型对施工的指导性下降。蔡大伟等按照三级步骤进行BIM机电深化工作, 提出需在解决机电管线定位、路径优化、净空分析的基础上生成剖面、详图、预留洞口等图纸指导施工^[4]。因为公共建筑机电设备布置要充分考虑设备要求, 使得建筑、结构、水、暖、电气等专业相互协调, 这需要在设计阶段开始考虑管线走向、空间等因素, 合理布置设备及管线, 通过建筑、结构专业合理预留基础及洞口, 才能有效减少设计变更以及返工。如果净空不足或安装空间紧张, 则为施工阶段通过调整管线间距、翻弯等方法以达到满足净空以及排布美观的要求增加了难度。纪凡荣等指出基于BIM的管线综合需考虑施工空间及工作面问题^[5]。王健认为在方案或初期设计阶段采用BIM, 会在层高压缩、建筑面积利用率 (管井、设备机房等) 以及管线走向等方面发挥更大价值^[6]。可见, 基于BIM的机电工程需要从设计阶段延续至施工阶段, 设计阶段需要考虑机电专业内及与建筑、结构等专业的协同净空条件和主要管线碰撞问题, 而在施工阶段则要考虑在不影响施工和检修的情况下, 充分细化管线布局最大程度地节约空间, 这需要对BIM技术在机电工程中的标准和流程优化方面进行归纳和统一。

为达到BIM优化的目标, 需要在设计、施工两个阶段加强迭代净空分析、碰撞检查、管线排布等功能。Wang等将BIM模型分为五个阶段以加强设计与施工的结合, 分别是初步设计模型、深化设计模型、施工设计模型、施工模型和预制模型^[7], 而BIM通过符合标准的模型进行在各阶段建立并交付, 而目前行业还缺少指导性强的面向机电工程的BIM模型交付标准。国家及地方政府部门近年来相继发布了《建筑信息模型应用统一标准》 (GB/T 51212-2016) 、《建筑信息模型施工应用标准》 (GB/T 51235-2017) 等一系列标准和指导性文件, 主要针对团队架构、模型创建要求及深度、软硬件要求、成果交付、BIM应用流程等进行了系统性的阐述和规定, 杨震卿等认为企业BIM实施策略及标准有利于推动BIM的发展^[8], 周继登等在实例应用中, 建立了包含软件版本、实施计划、命名规则、色彩规则等内容的BIM实施标准以指导建立BIM模型, 并采用了LOD300的模型深度等级^[9]。但是在具体专业领域, 例如机电工程领域缺乏指导性, 缺少对不同专业应用的模型信息范围及精度要求, 而BIM应用需要分阶段分类别动态变化。刘卡丁等提出建筑模型应包括墙体、门窗、幕墙、电梯以及扶梯等, 结构专业模型主要包括梁、柱、板等^[10]。张营设计了基于BIM的多源数据查询与录入、管线设备信息查询与统计、维修计划生成与BUM模型快速浏览的管廊运维管理平台, 指出种类复杂、权属不同的管线给地下综合管廊的线路规划设计带来了极大的困难^[11]。综上所述, BIM技术在机电工程的应用需加强净空分析方面功能, 而构建面向机电工程的统一标准是BIM技术在机电工程进一步发展的关键。

机电工程的BIM模型开始于设计阶段, 深化于施工准备期间, 由于机电工程信息在项目前期无法达到完整交付的要求, 因此, 在满足机电设计与施工需求的前提下, 机电工程BIM模型交付内容应遵循模型对象的范围适度、细度适度和信息适度。如图1所示, 设计阶段模型交付标准建立在设计规范及标准的基础上, 通过明确土建专业与机电专业标准范围建立BIM模型, 考虑预留洞口、吊顶厚度、墙、梁、门窗、设备基础、防火卷帘、挡烟垂壁等因素。然后交付施工方, 施工方根据BIM模型的深度及细度有所不同, 按照持续性标准进行迭代。在施工阶段, 首先按照标准核查设计交付模型, 然后按照施工标准对BIM模型进一步深化, 考虑施工空间、维修空间、吊杆、末端尺寸、小尺寸管道等因素, 最终获得最优的全因素全方位的BIM施工模型, 为机电管线施工提供支持。

在两个阶段, 由于设计方与施工方获取信息途径及成本不同, 因此BIM模型的信息范围及精度在两个阶段需有所区别, 如表1所示。在设计阶段, BIM模型的建立首先需满足设计规范和标准, 然后需要满足建筑使用空间, 明确不同区域的净空要求和公共走廊的宽度及梁底高度、吊顶高度。除此之外, 由于管线穿墙的预留孔洞及套管预埋等工作是在主体结构施工过程中实施, 但机电设备及管线的安装工作需要在主体结构完成后实施, 因此结构洞口尺寸需在设计阶段模型中输入。因为末端布置需要参考装修设计、采购进场设备参数, 而在设计阶段甚至施工前期都无法实现, 而这些内容涵盖在施工阶段的标准范围内。

通过归纳符合机电工程设计-施工规则以及BIM技术操作特点的应用原则, 可为管线综合排布提供理论指导。而在模型标准框架基础上, 通过规定净空漫游运算算法及处理策略, 在获取符合标准的模型参数基础上预先识别净空问题, 进而使基于BIM更为合理地支持设计-施工机电管线排布。最后结合模型标准、应用原则以及净空运算算法, 进一步优化并完善基于BIM技术的机电工程应用流程。

(1) 设计-施工管线排布迭代:基于BIM的综合管线排布贯穿设计与施工两个阶段, 在符合一定精细度的模型进行迭代检查和调整。

(2) 净空分析最不利原则:在一定区域和范围内, 将净空最不利点作为对比点, 一旦不符合净空要求, 则以该点所在的一定区域作为不合格区域。

(3) 管线修改原则:按照小管让大管、有压管让无压管、冷水管让热水管、易施工的避让施工难度大、临时管让永久管、电气在上水管在下的基本修改原则。

(4) 增加软空间:增加施工空间、维修空间、吊顶厚度以及共用支架尺寸。

由于符合要求的净空是碰撞检查的前提, 因此增加净空漫游运算以识别模型中的阻碍因素, 包括管线、结构构件、建筑构件。如以下公式所示, 通过自动提取模型中的构件参数 (包括H、h₁、h₂、h₃、K_1……n) , 通过输入吊顶要求高度、设备运输高度等参数, 按照初步运算-净空调整-二次运算-管线综合排布-过程运算的逻辑, 对管线综合排布进行净空漫游运算计算以获得结果, 辅助设计完成综合管线排布的优化。初步运算、净空调整两个步骤在设计阶段完成, 输出预留洞口、管线尺寸等数据, 其余步骤则在施工阶段实施完成。

式中, S:管线净空高度;S₀:吊顶要求高度;H:板顶高程;h₁:首次综合管线厚度;h₂:地面完成高程;h₃:MAX{结构梁高度};K₁:MAX{施工空间, 维修空间};K₂:吊顶厚度;K_n:其他构件高度。

净空漫游运算基础数据分为两类, 第一类是模型构件参数及二阶参数, 包括管线尺寸、结构梁尺寸, 二阶参数如基于管线尺寸及间距形成的综合管线厚度;第二类是净空分析要求参数, 如吊顶高度要求、运输路径高度要求、施工空间、维修空间;系统自动获取第一类参数, 并通过输入第二类参数, 计算模型管线净空高度是否与吊顶要求高度相符, 进而识别不符合净空要求的区域, 并按照表2规则进行处理。

在设计阶段, 按照设计阶段模型标准及范围建立BIM设计模型, 并对模型范围和精度进行审核。系统在以上原则和净空漫游运算的基础上, 首先通过净空漫游运算识别BIM设计模型中净空不足区域并显示, 设计方按照处理策略处理显示区域范围内的净空问题。在有效的净空前提下, 初步排布管线并进行碰撞检查, 高效的解决管线间的碰撞问题。系统最终生成包含预留洞口位置及尺寸的交付模型至施工阶段, 保证BIM设计交付模型的合理性和可指导性。在施工阶段, 施工方按照施工阶段模型标准及范围进一步深化BIM模型, 通过核实预留洞口、设备末端构件实际参数, 细微调整管线排布。将施工空间、维修空间等净空要求参数输入系统, 再一次实施碰撞检查, 最终建立BIM施工模型。最后通过施工模拟, 识别出设备暗转、运输空间冲突的位置, 提前进行处理, 保证机电工程施工安排的流畅。基于BIM的机电工程工作流程如图2所示。

BIM技术可以在设计、施工等阶段提高机电工程的技术能力, 尤其在提高设计质量、管线综合排布质量等方面, 已得到了广泛的认可。本文对BIM技术在机电工程的应用进行了研究分析, 主要提出了标准框架及工作流程, 未来将对净空漫游运算自动识别功能做进一步完善, 并在此基础上开发基于BIM技术的机电工程平台, 希望为机电工程设计-施工一体化提供参考。