大型商业综合体中BIM管线综合优化设计的应用研究

任昱忠 李勇

摘  要：在大型复杂工程项目中，传统的二维图纸难以解决综合管线施工中各专业之间的碰撞、错误、遗漏等问题。结合工程实践，应用BIM技术进行复杂机电工程管线综合深化设计、碰撞检测、工程量统计、系统平衡校核、施工技术交底、质量问题跟踪、辅助编制专项方案等，有效提高了施工图纸的质量和施工效率，减少了项目协调和返工时间，缩短了建设工期，降低了项目建设成本，提高了施工质量，提升了技术和管理水平，取得了良好的经济效益和综合效益，为类似工程提供参考。

关键词：BIM技术;机电管线综合深化设计;碰撞优化;可视化;工程管理

中图分类号：TU81    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）03-0000-00

1 现行管线综合设计与安装施工中存在的问题

大型商业综合体项目往往伴随着错综复杂的综合管线，管线和设备安装过程中经常会出现各专业管线之间、管线与建筑结构之间的碰撞，因此增加了施工工作的复杂性。在传统二维CAD设计图纸中标识各专业管线位置及走向，说明管线排布原则，在综合图纸中叠加体现。因此在局部管线较多或交叉碰撞的关键部位增加剖面图。再经图纸会审后实施。

由于项目复杂、现场工作人员能力存在差别，在实际施工安装中，設计方在现场参与较少，很多问题难以得到全面直观的考虑。因此常常出现碰撞现象，造成返工和材料的浪费，此外还存在操作空间不足、室内净高不够、管线排布不美观、操作时存在安全隐患等问题。因此设计“错、漏、碰、撞”等问题日益突出，极大地影响工作效率和工程质量。具体问题如下：

（1）管线碰撞分析不全面，不能综合考虑安装中各专业与建筑结构等专业间的位置冲突。实施中参建各单位专业人员通过不断查看图纸来进行综合管线的分析及校正，费时费力，失误也多。特别是在大型项目中，有部分梁高变化较大，常常忽略了管线与梁的碰撞问题。（2）管线优化处理难以系统化。二维设计软件不能提供实时关联修改功能，需要手动修改。现场对于综合管线交叉碰撞位置的处理主要为局部调整，难以从整体角度考虑大范围管线的走向问题，因此会因为局部的调整造成其他部位管线和构件的再次碰撞。

BIM（Building Information Modeling）技术具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等五大特点。本文主要采用基于BIM的Magicad、Naviosworks管线综合多专业三维协同优化技术，实现建筑结构与机电安装专业模型的三维可视化融合、碰撞检查分析和优化设计，解决复杂建筑综合管线安装质量问题。

2 工程概况

本工程为河南省驻马店市置地百佳商业广场工程，位于驻马店市乐山路与洪河大道交叉路东南角，总建筑面积125050m，结构类型为框架-核心筒、剪力墙结构，建筑高度78.5m，分为商场、A座、B座、C座、D座五个部分。其中商场部分为地下二层、地上五层。在商业工程部分，包括土建、机电安装、钢筋、装饰装修、地下工程和人防工程等。其中商业广场部分深基础达-11.54m，内部包括通风防排烟、空调新风、空调水、喷淋、消防、生活给水、生活排水、虹吸雨水、照明、弱电、变配电等众多子系统。管线、设备多集中于地下室、地上商场、公共走廊中，机械设备较多，机电管线系统繁多，管线错综复杂，碰撞检查复杂，环境要求较高，空间净高要求严格，施工难度较大。

3 BIM机电管线综合优化过程

BIM技术在机电管线综合深化设计中的优化流程如图1所示。

3.1 建筑结构BIM模型的建立

本工程建筑结构BIM模型采用Magicad软件，使用Room智能建模，基于原二维CAD图纸建立建筑结构BIM模型。

3.2 建立机电安装BIM模型

由于原设计图纸是分专业进行设计，基本没有明确的管线标高标注，仅有施工时笼统的安装原则，很难避免各专业管线的位置和标高互相重合。如果直接按照原二维设计图纸进行建模，其碰撞点是初步规划设计后建模碰撞点数量的3～5倍，有的甚至达到10倍以上。因此在建模之前，有必要和机电安装总工商讨进行初步的管线综合讨论，初步确定机电管线的各自标高，制定管线综合排布的走向并绘制草图，然后根据初步规划的管线综合方案进行BIM建模。对于不同类型的管线，需要设置的模型精细度不一样，对于像暖通风管和给排水水管等需要较高的模型精细度，需要设置的参数有标高。管道尺寸、坡度和材质等，而对于像附件、管件、阀门等等不需要太高的模型精细度，过分追求较高的模型精细度反而会让模型浏览起来更加缓慢，因此采用合理的机电模型精细度标准划分是十分有必要的。

3.3 模型整合

通过Magicad软件整合通风、给排水、电气专业的BIM模型，进而输出nwf格式的文件，再次用navisworks软件打开该文件。在Navisworks软件中采用统一的BIM色彩标准展示，有助于管理人员和技术人员清晰区分不同的管道系统类型。

3.4 碰撞检测

利用navisworks软件中强大的“Clash Detective”功能进行管线综合碰撞检测。本工程涉及20多种专业，管线比较复杂，碰撞专业涉及通风防排烟、喷淋、消火栓、给排水、电缆桥架、空调风、空调水、虹吸雨水8个专项，23种碰撞关系，碰撞总次数达3263次。如表1所示。

从项目构成上划分：地下二层碰撞670次，地下一层碰撞808次，一层碰撞725次，二层碰撞86次，三层碰撞161次，四层碰撞83次，五层碰撞325次，六层碰撞405次。从管线碰撞关系上划分：碰撞次数较多的是喷淋与消火栓管线碰撞达833次，空调水与空调风碰撞664次，暖通与给排水碰撞618次，给排水与电气碰撞452次，空调水与通风防排烟碰撞406次，暖通与电气碰撞285次，碰撞次数较少的是空调风与通风防排烟碰撞5次。通过导出“HTML”格式的碰撞报告，在碰撞报告中清楚地看出存在碰撞的图元的ID，方便优化。

3.5 模型优化及全专业CAD图纸出图

得到“碰撞报告后”，BIM优化人员根据各专业技术要求，空间要求，施工工作面以及质量安全要求等与项目机电安装总工商讨，确定本工程管线综合优化原则：

（1）层高5.4m部分，通风防排烟和空调风管底标高不低于4m;层高5.1m部分，通风防排烟和空调风管底标高不低于3.6m;层高4.5m部分，通风防排煙和空调风管底标高不低于3m;层高3.9m部分，通风防排烟和空调风管底标高不低于2.6m。（2）有压管避让无压管（排水管），无压管（排水管）一般不改动。（3）通风防排烟和空调管道与有压管道（喷淋、给水、消防）碰撞时，有压管道避让，90°上翻处理。通风管道末端与水管碰撞时，提前终止风管避让水管。（4）通风防排烟和空调管道一般情况下按照下部平齐原则排布。（5）消防管道与喷淋管道碰撞时，喷淋管道避让消火栓管道;同管径时，生活给水管让消火栓管道，消火栓管道让喷淋管道。桥架与风管碰撞时，桥架避让风管。（6）水平方向上，管道定位优化顺序依次为：无压管道、风管、有压管道和桥梁。

依据优化原则，BIM优化人员在Magicad软件中完成全专业管线的优化，本次优化仅优化干管部分，支管等管径较小的管道（如喷淋管道DN15等）不予优化。完成二维施工图纸的优化后进行BIM出图。BIM出图与一般出图方式不同，该种图纸是三维与二维相结合的图纸，易于理解，方便施工，如图2所示。

全专业模型优化完成后，利用Magicad软件中“自动预留孔洞”功能进行全专业孔洞的预留，通过详细的预留孔洞标识完成对全专业预留孔洞图纸出图。如图3所示。由于该图纸没有设计单位盖章及通过图纸技术审查及行政联合审查，只能作为第三方咨询成果为项目服务。

4 本项目管线综合深化设计应用实例

4.1 在地下一层“高低跨”处的应用

地下一层17—19轴交A—H轴处，由于梁顶标高由5400mm降为4500mm，并且此处管线较为集中，所以在深化设计中将此处作为重点进行优化。此区域有通风防排烟管道2000×500mm，空调风管道1000×200mm，空调供水管道DN100，空调回水管道DN100，消火栓管道DN150，喷淋管道DN150，强电桥架600×150mm。原设计图纸在此处没有标注管线随着梁高度变化而变化的说明，并且此处管线非常复杂，涉及到7个系统，有多处明显碰撞。如图4所示。

优化解决方案为：管线随着梁顶标高降低而降低，垂直方向上从下往上依次是，暖通专业、电气专业、给排水专业。暖通管道在最下方，通风防排烟管道做45°弯头下移，下移后管底标高为2500mm，空调风管道做90°弯头下移，下移后管底标高为3000mm，空调水管道做90°弯头下移，下移后中心标高为3080mm。电气专业强电桥架做90°弯头下移，下移后底部标高为3250mm，位于空调风、通风防排烟管道上方。给排水专业消火栓管道做90°弯头下移，下移后中心标高为3450mm，喷淋管道做90°弯头下移，下移后中心标高为3450mm。各专业之间留下足够的安装间距，方便施工。经过管线综合深化设计后如图5所示，合理地解决了管线碰撞问题。

4.2 在一层公共走廊区域的应用

本工程一层～六层为商业部分，一层应用风机盘管系统，公共走廊内管线复杂。分别有通风防排烟管道2000×400mm，空调风管道1000×200mm，空调供水管道DN100mm，空调回水管道DN100mm，喷淋管道DN150mm，消火栓管道DN150mm，强电桥架320×150mm。按照原设计图纸走，此处管线碰撞明显，并且控制净高为3.5m，远不满足项目需求。

优化方案为：垂直方向上从下往上依次是，暖通专业，电气专业，给排水专业，暖通专业中通风防排烟管道管竖直上移500，管底标高由3500mm升为4000mm，空调风管道竖直上移500，管底标高由3500mm升为4000mm，空调水管道中心标高为4150mm，位于通风管道上方。电气专业强电桥架底部标高为4250mm，给排水专业喷淋、消火栓管道中心标高为4350mm，与强电桥架碰撞，喷淋、消火栓管道竖直方向翻弯上移200mm。调整后控制管底净高为4000mm，提升了500mm，满足各方的需要。

通过对公共走廊区域管线综合深化设计后，实现对管线标高全方位的定位，发现影响净高的瓶颈位置，从而优化设计，使布局美观紧凑。在施工交底过程中，应用三维可视化交底技术，更直观地对细节进行查看，加快与各专业分包之间的沟通，同时通过三维可视化交底，让现场施工作业人员更深入地理解图纸，减少由于施工作业人员对设计图纸理解不清造成的返工。在安装施工过程中，对复杂节点进行施工模拟，辅以局部剖面图及局部三维图，使管线关系一目了然，更加清楚地向施工人员表达设计意图，让施工人员掌握安装过程的重点及难点、调整施工方法及施工工序，提高工程施工效率和质量。

5 BIM管线综合技术应用效果评价

本工程涉及20多种机电安装专业，管线复杂，管线间碰撞共计3263处。经过BIM优化后碰撞点仅有221处（多为支管直接碰撞，施工时简单上翻即可），优化复杂碰撞点538个，发现图纸问题25处，理论上优化后碰撞点数为0个。在实际施工过程中通过对BIM技术的应用，实现了综合管线安装的质量控制。根据现场统计数据，综合管线一次安装合格率达到了93%，超出了目标值90%。并在节约成本、缩短工期、施工管理效率等方面效果显著。

（1）节约成本。经过BIM管线综合深化设计，发现并优化解决了较大碰撞点，明确了所有管线的走向、标高和具体位置，依据 BIM-magicad软件列出材料清单，在施工中，材料利用率达95%以上。为项目节约材料成本直接费约85万元。（2）缩短工期。通过BIM-magicad软件进行管线综合深化设计后，大大节省了各专业之间的协调工作，为支吊架、预制件的提前加工制作创造了大量的时间，同时避免了不必要的返工，大大地缩短了工期。（3）技术和管理水平提高。应用BIM技术进行可视化、虚拟化、精细化的建造，解决了室内外机电专业多、管线复杂密集、管线难以合理排布、净高要求难以满足、施工难度大等问题。提高交底的有效性，极大提高了技术管理水平。（4）综合效益提升。通过应用BIM技术，实现事前控制，设计变更大幅减少，现场安装效率大幅提升，确保项目整体工期、成本和质量目标。

6 结语

BIM 技术在河南省驻马店市置地百佳商业广场工程中的应用证明，BIM模型实现了工程的机电管线综合深化设计，碰撞检测、工程量统计、系统平衡校核、施工技术交底、质量问题跟踪、辅助编制专项方案等。BIM技术在大型复杂项目中对提高项目管理水平、施工質量和效率有重要作用。

参考文献

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[2] 贺平，张宇.应用BIM技术控制综合管线施工质量[J].建筑施工，2017（5）：716-718.

[3] 王健.大型地下室机电管线综合的BIM技术应用[J].施工技术，2016（6）：32-36.

[4] 林榕，许华春.明丰城光电研发中心应用BIM进行管线综合优化[J].城市住宅，2015（7）：117-118.

收稿日期：2019-05-12

作者简介：任昱忠（1990—），男，甘肃武威人，本科，研究方向：建筑工程咨询。

Application Research of BIM Integrated Pipeline Optimization Design in Large Commercial Complex

REN Yuzhong， LI Yong

（1.Xi'an Yanbixing Engineering Consulting Co.， Ltd， Xi'an Shaanxi 710000;

2.Huanghuai University， Zhumadian Henan 463000）

Abstract： In large and complex engineering projects， traditional two-dimensional drawings are difficult to solve problems such as collisions， errors， and omissions among various majors in integrated pipeline construction. Combining engineering practice， applying BIM technology to  deepen design of complex mechanical and electrical engineering integrated pipelines， collision detection， engineering quantity statistics， system balance check， construction technology disclosure， quality problem tracking， auxiliary preparation special programs， etc.， which can effectively improve the quality of construction drawings and construction quality， reduce the time spending on the project coordination and rework. And BIM technology can shorten the construction period， reduce project construction cost， improve construction quality， technology and management level. Also BIM technology can achieve good economic benefits and comprehensive benefits， and provide reference for similar projects.

Keywords： BIM technology; deepening design of mechanical and electrical integrated pipeline; collision optimization; visualization; engineering management