数据中心装配式建筑开放式BIM应用工具集研究

唐怀坤，史一飞

（1.中通服咨询设计研究院有限公司；2.北京世纪晟辉咨询服务有限公司）

1 引言

随着近年来国际形势的巨变和我国自身人口红利的消失、劳动力紧缺等问题的出现，我国推动工业经济向数字经济转型升级。2018年全国建筑业总产值23.5万亿元，同比增长9.9%，高于GDP增速，2019年预计增速不会超过8%，但仍属于高增长产业，如何适应新的环保要求、如何快速高效保质保量的完成项目，成为我们现在需要考虑的现实问题。我们需要改变固有粗放式建筑思维。根据不完全统计，全国每年数据中心建筑投资规模在500亿元～800亿元，如果再涵盖5G时代电信运营商网络转型，越来越多的CO机房将DC化。SDN/NFV推动网络云化，将会带动新建数据中心对旧机房的替代（旧机房的承重、配电改造成本不如新建DC）。行业内目前对建筑领域BIM技术应用讨论较多，但是对于开放式BIM(OPENBIM）在数据中心的应用讨论和研究较少，笔者尝试通过数据中心建筑行业特点分析和实践总结探索相关领域的应用。

2 数据中心建筑的特点和行业趋势

1）对建筑节能技术要求较高

目前大部分新建的超大型、大型数据中心的PUE值约束在1.5以内，PUE值的影响因素有很多，包括与气候地理环境，如南方的数据中心建筑对墙体保温要求较高；当地平均气温较低的地区对墙体保温要求较低；制冷方式，如自然蒸发冷却技术，自然冷源技术；外墙保温厚度与不同地区的参数不同。对于数据中心来说，根据调查数据显示，我国数据中心围护结构的传热、耗热量占建筑物总耗热的70%以上，分布于墙体、屋面、门窗等各个部位，因此大幅度降低围护结构的传热系数是数据中心建筑节能的重要途径之一。

2）数据中心建筑应用的灵活性、模块化

数据中心建筑的一个重要发展趋势就是模块化，因为只有模块化才能实现分期投资，将数据中心全生命周期的TCO成本降到最低。模块化的角度包括数据中心园区级的楼宇模块化、楼层级模块化、机房级的模块化、列架微模块、机架模块化、服务器模块化等。其中与数据中心建筑有关的是园区级的模块化、楼层级的模块化、机房级的模块化，这种模块化非常适合采用BIM形式模块化设计，而且业主方、设计方、施工方、运营方都可以在数据中心BIM模型中运作。传统的CAD制图是二维的平面，实际上数据中心建筑平面的信息只占1/3，更多是立体方向之间的协同。

3）数据中心建筑的标准化、规范化

数据中心与其他民用建筑不同，其标准化程度要求较高，包括选址、建筑导热系数、建筑体型系数、防火分区、楼板承重等。如，一个气体消防防护区的面积不宜大于800m2，容积不宜大于3600m3。楼板承重方面，电池区的承重要求达到了15kN/m2以上，数据中心机架区根据设备区的不同功耗密度而异，高于5kW/机架的区域功耗要达到10kN/m2以上，在BIM平台上如果确定了每个模块的功能就可以通过标准化插件工具，快速计算建筑材料和配筋模型等。

4）数据中心管线复杂对土建设计图纸要求高

数据中心管线有空调水管、空调风管、密集母线管、配电电缆走线架、信息号线走线架、光缆走线架、消防管线、环境监控管线、等种类多、走向复杂，需要在提前在设计之前就要做好机房布局设计、走线规划，在图纸上预留号相应的孔洞。在传统建筑模式下，很容易出现二次返工、建筑改造的问题，增加了机房的建筑施工难度、装修难度、延长了工期；有时孔洞不符合标准会带来管线高度、交叉位置不符合标准，如果现场为了节省成本和工期的赶工，不严格按照标准验收，会带来较大安全隐患。

3 装配式建筑技术应用在数据中心的优势

1）设计阶段可以深度介入

由于各种装配建筑板材、预埋件、空洞设置、管孔都是提前在工厂预制，大大减少了现场的工作量，各专业设计人员在项目经理和BIM设计经理的统一协调下，可以深化相关设计，纳入到预制件中，设计可以考虑数据中心使用全生命周期的需求、系统之间的互相影响、管线之间的碰撞等，都可以在模型中提前设计，避免了现场改造工作量。

2）提高了项目建设速度，缩短了建设周期

由于地面上的建筑部分在工厂提前预制，地面部分和地基、地下建筑部分并行实施，大大提高了项目的响应速度，缩短了建设周期，因此，进度及成本提前可控，有利于项目进度管理。

据统计，如果通过全国统一规范、建筑产业链合作完善，数据中心采用装配式方式建设，将缩短50%的建设进度要求，从立项到交付可以实现周期缩短一半，快速的市场响应，带来的是资金时间成本的节省和市场机会的把握。

3）装配式建筑符合未来建筑工业互联网的趋势

建筑工业化是建筑的必然趋势，现浇建筑带来噪声污染、空气污染、无法模块化、灵活度低的问题一直是行业的难题，并且无法实现在一个系统内对数据中心全生命周期进行整体管理，数据中心建设项目涉及到产业链各类企业，从业主、建筑设计企业、建筑预制企业、建筑工程公司、建筑监理公司、运营公司等都需要将整个数据中心纳入数字化环境内进行统一管理，并且在一个平台上信息实时同步。这是未来数据中心的必然趋势。

4 BIM应用价值最大化：BIM并不是简单的建筑建模

BIM咨询已经进入中国已近15年时间，但是我国的建筑行业市场的软件一直被美国某A公司所垄断，即便它推出BIM某R软件后，这个市场也没有真正得到发展。某R软件本身属于单线程工作类型，且其“基因”是机械设计行业，因此不能充分适应建筑领域的应用。

建筑行业传统观念认为，BIM是一个软件，但其实BIM是一种工程解决方案、一种建筑项目管理模式、也是一套工具集，在工具集方面，其包含的软件非常多，仅仅在建筑设计方向就有ArchiCAD、Allplan、Revit、Microstation、CatiaDP等。再结合我们国内结构设计的标准使用软件PKPM以及机电设计软件和Planbar的深化设计软件，这样才能完整的形成一个综合解决方案——多专业、多软件的相互配合，当前，没有一款软件可以解决系统化需求，这与我国现阶段建筑工程领域所倡导的EPC总包理念、行业政策相匹配。

ArchiCAD平台被誉为建筑设计师开发的三维设计软件，可见其在建筑专业上的设计能力非常之强大，他属于德国内梅切克集团旗下图软公司所有。其建筑领域可以达到出国标施工图的深度，究其原因，因为此软件至今诞生30余年，与Autodesk几乎同时诞生，而从诞生之日起便致力于三维设计，其设计方案可以轻松传递至C4D进行渲染。在其它专业上，可以通过MEP插件来完成，此外还可以和MagiCAD、Rebro等机电软件相配合。在现今市场上，ArchiCAD和机电软件Rebro的配合是大家公认的机电深化（优化）的最优组合（见图1）。

装配式建筑方面，Planbar是德国内梅切克集团旗下内梅切克工程软件公司的产品，德国内梅切克集团是全球第二大AEC软件公司。德国是最早实施装配式建筑的地区，BAUHAUS的发源地，内梅切克工程软件公司最初也是装配式构件机械加工设备的生产厂商，随着IT行业的发展，这些工程师转型成为软件开发人员，在上世纪80年代就已经有了第一代产品，随着机械设备和行业的发展，技术人员不断进行完善，形成了强大功能的专业BIM软件，建模、图模联动、碰撞检测都仅仅是该软件的最基本功能，该软件是全球唯一一款能够处理复杂钢筋的软件，关键是具备轻量化特点（对系统配置要求不高）；同时，该软件也是唯一获得最先进的预制构件机械设备厂商认可的、可以实时导出机械设备语言PXML和BVVS的软件。进入中国仅仅几年时间内，已经成为东南沿海发达地区装配式建筑不可或缺的BIM软件之一。

图1 德国内梅切克产品发展演进图

大家可以看出我们熟知的在非常多领域中的顶级软件均来自于这个集团。

近年来，我国建筑施工领域开始了EPC总包模式，这恰恰为BIM行业带来新机。每一个EPC总包单位的总体目标都是以高质、低成本、快流转为核心。以基于BIM软件PLANBAR的钢筋处理为例，钢筋在我们整体建筑成本当中的成本高达40%以上，我们传统对于钢筋的加工和处理，往往浪费严重，尤其在施工过程中损耗更大，如何避免此类问题的产生，这就需要我们进行针对钢筋的优化和处理。在前期建模的同时，PLANBAR 就可以针对模型对于简单构件自动布筋；优化过程中，仅仅需要很少的修改就可以完全解决碰撞等问题，出图的同时，软件自动计算整个建筑、单个构件或组件的钢筋、水泥、预埋件等数量，快速准确；使得我们可以提前预估进度和使用情况，降低库存，增加周转效率，很大程度上解决了项目管理的相关问题，同时软件生成的数据，可以让构件厂直接生产，降低设计师工作难度，构件厂也不会因为构件生产的构件不合格而浪费资源。

国内一原上市房地产公司，在几年前开始了转型之路，大批量进口全球最为先进的德国进口构件制造机械设备，他们采用欧洲A公司和V公司的产品，可以做到80%的自动化生产。国内第一个工厂早已在湖北江夏完工，当然，钢筋加工设备还是采用了国产最好的T公司产品。有业内同行评论，说进口设备那么贵，产能又有限，如何才能尽早收回投资？但是从实际情况来看，进口设备整个车间的工人不会超过20人，而我们国产设备车间少则100人，多则近300人的工人队伍，这何其不是一个庞大的隐形管理成本呢？

5 数据中心行业BIM应用现状

在实际项目中，BIM的应用多以立项、维保为基础。在整个过程中，BIM的优势并没有获得应用。由于建筑本体上和普通民建有着根本上的区别，所以应该更好的利用BIM软件解决问题。

机电深化的重点，首先机电的深化难点是由现场施工所带来的，施工过程中，图纸中的各种管线是否碰撞，型号是否正确，这都影响我们的施工质量，有的软件竟然碰撞都不规避、法兰接口都不统一就可以顺利通过自身检查，这恰恰是基于EPC的重大失误。

数据中心建筑设计阶段最重要的是钢筋模型。在运用装配式方案解决本身数据中心的建筑施工问题的时候，最难处理的就是钢筋的碰撞问题了。这也就是为什么数据中心行业还没有批量使用装配式的原因。由于数据中心建筑本身用筋量大、结构计算复杂，所以一般的水平构件的布筋都没有办法用传统的CAD来解决，竖向构件的解决方案——灌浆套筒方案、整体剪力墙方案也更是难上加难。其实这恰恰也反应出来，现阶段BIM软件的应用并不如意，整体水平较低。

最后来说下工业自动化和数据化。首先，国民经济分类中，建筑业是归为工业的，在工业整体的其他领域中，已经基本完成了自动化生产的转型，其中包括我们大家熟知的KUKA机器人等大家熟知的自动化流水设备，但是，在建筑行业中我们一直还都是手工生产，大量的人力、物力就无形的浪费在这个过程当中。生产装配式建筑构件，是否能够自动化、数据化是现在急需解决的问题之一。

6 基于OPEN BIM （开放式建筑信息模型）理念的数据中心建筑设计工具集方案

真正好的BIM解决方案，不是一个软件能够解决的。我们利用IFC模型中充分的数据，开展真正的深化，才是根本。但是IFC模型中的数据真的是很好调用么？答案是否定的。举一个例子，IFC中的数据好比是一个暗盒，一种暗盒是完全不透明，它告诉你了，所有你想要的东西都在其中，但是你需要自己伸手进去摸，这个时候你要想拿到所有的东西，就要一遍一遍重复的，完全的摸完，费时费力；另外一种暗盒，它自己已经给你整理过其中的东西，其中的几个小盒子中，分别放着你想要的东西，分门别类，这个时候你只需要在你想要东西的小盒子中摸索即可完成，相当方便。

OPEN BIM（开放式建筑信息模型）是基于开放标准和工作流进行协同设计、建筑实现和运营的一个普遍方式。具有以下优势：

①OPEN BIM 为众多项目创建一个共同的语言——IFC，形成服务评价和数据质量保证的方法。

②OPEN BIM 为整个项目全生命周期提供唯一的数据源，避免多次输入相同数据带来的重复工作和认为错误。

③OPEN BIM 为各种大、中、小型平台的软件供应商提供独立系统的最佳解决方案。

④OPEN BIM 鼓励供应商在网上提供产品服务，为用户提供更精确的需求搜索。

OPEN BIM代表了AEC行业所有成员跨学科协作的现代方法。OPEN BIM社区欢迎所有软件供应商、AEC从业人员(设计师、工程师、施工人员)，OPEN BIM标志是有效实施BIM项目协作的保证。

如下可以看出，多软件的配合才是最好的解决方案。

图2 开放式BIM实施工具集

7 案例分析

近年来，随着BIM技术的普及和我们广大技术人员的不断摸索，已经渐渐认识到BIM技术的重要性，但是整个地理环境上，东西区域的差异性还是较大的。以上海为例，作为我国BIM技术的最前沿，装配式技术的爆发地来说，以OPENBIM为基础理念的BIM技术解决方案已经初具规模。早在2014年，上海就出现了全装配的项目案例，上海市浦东区惠南新市镇17-11-05，17-11-08地块23号楼，建筑面积近万平米。利用某P软件将建筑模型转换成预制构件，在原始的空间位置上将预制构件拆分出来，从源头上解决构件碰撞、避免再次进行BIM碰撞检查，节省时间、节约成本。随着BIM技术的深入，才慢慢发现，原来还是有真假BIM之分的。

以下是在探索过程中的另外一个案例，如图3所示，如此复杂的钢筋，在BIM建模时，就已经解决了基本的碰撞问题，准确的BOM再加上自动生成的BVBS数据，在一定程度上做到了建筑工业自动化和数据化。

图3 BOM与自动生成的BVBS数据演示图

8 展望

BIM进入中国仅仅10余年时间，国内相关产业链已初具规模，未来建筑产业建筑OPENBIM、工业联网、云计算技术将进入数字经济+建筑产业的增长新通道。