BIM技术在建筑机电工程设计与施工中的应用

文｜ 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 郑周寅

引言

近年来，因具有信息共享、一体化和建筑全生命周期等方面的优势，BIM 技术在建筑行业获得了越来越多的应用。建筑机电作为建筑业中必不可少的重要组成部分，在当前项目规模越来越大、涉及专业越来越多的趋势下，将BIM 技术作为指导建筑机电工程设计和施工的重要工具应用到项目建设中具有积极意义，有利于保障设计质量、提高施工效率、完善项目效果。

一、BIM 技术在建筑机电工程的主要应用

（一）设计阶段

1、协同不同专业之间的设计

建筑机电工程系统性较强，涉及的专业多。在设计的工作中，采用BIM 技术可以有效进行机电工程的平面设计，设计人员在工作之前可以使用相应的软件，按照当地的实际情况合理设计其中的给排水、暖通、电气、消防、建筑智能化、供电等，确保整体工程施工建设的安全性，提升整体机电工程设计的合理性。在实际工作中全面搜集各种数据信息，明确设计方案与内容的应用特点与情况，利用BIM 技术调整机电安装的设计方案，全面提升整体机电工程设计工作的科学性与合理性。

2、管线碰撞检查及排布优化

建筑机电工程具有明显的集成特性，各类管线和桥架的碰撞检查一直是一个重点和难点。传统的碰撞检查方面，只能采用二维图纸的方式进行检查，由于各类管线、桥架尺寸等均无法通过二维图纸的方式精准呈现出来，难以将构件碰撞的风险隐患准确反映出来，因此各构成要素之间易发生冲突，随之提升了管线排布难度。而采用BIM 技术措施可转变传统的工作方式，建立3D 管理方案，在建模功能的支持下，有助于全面开展碰撞检查活动，一旦发现有碰撞方面的问题，可以通过调整管片位置等方法避免冲突。

因此整合各专业模型，将其集中呈现于BIM 平台之中，此方式能够在工程前期发现问题，有效避免了返工等现象，从根本上提升整体的建筑机电工程施工质量。

3、可视化交底技术

在碰撞检查的基础上做进一步深化设计，根据检查情况修改模型，随后可形成施工模拟视频，通过此方式呈现给广大施工人员，从而达到可视化施工技术交底的效果，提高认知程度。

（二）施工阶段

1、施工深化模型创建

施工深化模型是施工正式实施前开展的准备工作。施工管理人员以设计阶段施工图纸、模型成果为依据，根据自身的施工设施设备情况、施工组织规划和现场条件，对设计模型成果进行进一步深化和调整，使模型中包含所有信息能合理满足施工工艺、管理流程上的需求。深化后的模型最终应通过各参建单位的审核确认，最终用于指导施工作业。

2、进度计划管理

在BIM 技术的支持下，能够改变进度计划与工程构件相互隔绝的局面，从而形成动态连接。通过动态化的模拟方式，可综合对比多种工艺方法，分析各自的可行性，以此为基准形成科学的方案。通过BIM 技术，可实时跟踪实际施工情况，考虑现有施工资源，针对各个环节做出合理的分配，在掌握实际施工进度后，将其与计划进度加以对比，总结出现偏差的原因，制定富有针对性的措施，从而调节项目进度，确保在既定工期内完成各环节施工作业。

3、模拟施工应用

依托于BIM 技术，可完成对现场施工的模拟，事先优化各道工序，创建科学的施工方案。在复杂管线系统中，模拟工作极具必要性，此举可确保施工质量并提升施工效率，有限的工程资源得到充分的利用，加快工程进度，在同一时间投入到多条生产线的施工作业之中。

二、BIM 技术在某市政污水厂项目建筑机电工程中的应用实例

1、工程概况：

某市政污水厂项目的主要工程内容：排水工艺系统，建构筑物、现场设施的改造、电气系统、仪表及控制系统。工程主要难点特点及应对措施如下：

（1）工程规模特大、专业类型多

本工程涉及排水工艺、建筑、结构、电气、仪表自控、暖通、除臭、给水、燃气等多个专业。设计协调过程复杂，交接过程繁琐，各个专业设计进度、成果的一致性把控难度大。

本工程将根据BIM 正向设计的工作模式和流程进行BIM 设计应用，实现跨专业、跨区域间的的模型整合、信息共享和交流，加强协作水平，避免由于信息不对称造成的沟通不畅、中断等一系列现实问题。通过BIM 协同设计管理，将多专业的设计成果整合，将协同设计管理平台作为基于三维模型的在线交流渠道，设计人员在平台中对完成的设计工作进行联合审查，使设计人员之间的沟通更加清晰和全面，设计成果更加准确。

（2）管线设备复杂、传统二维图纸表达困难

本工程管线种类和数量繁多，包括给排水、强弱电、通风空调等，布线错综复杂；主要设备包括污泥切割机、污泥干燥机、冷却器、废气风机、余热锅炉、污泥缓冲仓、半干脱酸塔、布袋除尘器等，设备数量多、体积大。

传统二维制图方法自由、修改灵活，但是各个视图需要单独绘制，工作周期较长，错、漏、碰、缺难以避免。对于规模特大、设计复杂的建筑机电工程，上述问题的严重性更加凸显。本工程中应利用BIM 模型协调、整合的特点作为辅助优化工程设计成果表达的重要手段，通过各专业设计模型的碰撞检查校核，提前发现设计表达不合理之处，发现并解决结构、设备、管线之间的空间冲突等问题。通过各个视图的自动生成，减少图纸表达不完全、不一致的问题。BIM 三维可视化的表达方式更好的辅助二维图纸的表达，清晰的表达工程内复杂的管线设备的空间排布。

利用BIM 技术的应用，预先解决管线碰撞冲突的问题，减少由此产生的变更，减少施工和管理的成本。

（3）设备管线安装难度高

本工程污泥处理处置系统对安全、可靠、稳定的要求特别高。工程内的工艺设备、管线众多，对其安装、维修空间要求严格，需要做到仔细、认真，确保工程最终的施工质量。

借助BIM 模型检验设备管线安装筹划方案的合理性、可实施性，以及不同工序、施工内容之间安排穿插的可行性和合理性，减少不必要的工期浪费。根据BIM 布置模型，预测设备管线安装工程中重点、难点环节，进行前期决策，对施工方案、过程进行可视化模拟，提高安装实施的合理性。

2、本项目中建筑机电工程在设计阶段的BIM 应用

（1）多专业正向设计模型创建

利用多种BIM 软件，由本工程设计人员依照设计实际进度同步完成工艺、结构、建筑、电气、暖通除臭等各专业模型的创建，并依照设计过程的推进，逐渐加强设计模型的深度，各专业的设计讨论、沟通、协调、决策宜基于三维模型进行（如图1、2）。

（2）管线搬迁模拟

本工程与位置临近、同步进行的某提标工程交界面多，基于对现状工程及拟建工程整体统筹的考虑，需对现状地块内的管线（雨水管、电缆）进行改造迁移，保证尽量减少对某污水处理厂正常运行的影响。

基于周边地形、现有建筑、道路等信息及地下管线探测、障碍物、管线等的探测成果，拟借用BIM 技术对管线搬迁方案进行验证，建立搬迁模拟，校验管线搬迁方案的合理性和准确性（如图3）。

（3）冲突检测与管线综合

工艺、建筑、结构、电气、仪表自控、暖通除臭各专业模型的管线经软件设置后，通过相机视口观察、漫游、碰撞检查等手段，发现工厂系统设计中的冲突和碰撞，从而加强细部控制的力度，整合出三维校审和管线综合优化报告，交由各专业继续进行深化，反复重复上述过程，直至全专业协同解决复杂区域的所有碰撞问题（如图4、5）。

（4）辅助设计成果表达

二维图纸仍然是设计成果表达和存档的重要形式。本工程管道设备复杂，传统二维制图方法自由、修改灵活，但各视图需单独绘制，错、漏、碰、缺难以避免。

本工程在借助BIM 技术和专业软件完成工程设计的优化后，以BIM 模型为基础形成平面、剖面、详图等视图，并结合相关标准，形成满足审批审查、施工要求的二维图纸，尽可能减少传统设计手段中图纸表达不一致的问题。对于复杂部位，可采用三维透视图等方式对设计进行补充说明（如图6）。

（5）管配件工程量统计

本工程管线包括工艺排水、给水、中水、强电、弱电、消防喷淋、通风空调、防排烟、天然气等，管线错综复杂，管配件繁多，传统的工程量统计工作易发生错漏。利用校验的BIM 模型进行精确的工程量统计，有效避免人工算量过程中的误差损耗。同时，BIM 算量中信息联动性的特点，在出现设计变更时，可通过模型的调整，自动实现相关工程量的变化，减少造价人员的重复工作量，也方便建设单位在不同的变更方案间，结合经济性和合理性进行选取（如图7）。

图1 某车间BIM 设计图

图2 某车间BIM 设计图

图3 管线搬迁模拟示意图

图4 某污泥处理工程焚烧区设备、管线模型与钢平台模型整合

图5 碰撞检查结果示意

图6 BIM 模型辅助生成工程施工图

3、本项目中建筑机电工程在施工阶段的BIM 应用

（1）施工深化模型创建

根据项目进度计划编辑WBS 并根据WBS 使用BIM 软件搭建对应精度的模型；上传BIM 应用成果文件，其中方案模拟(.mp4)、交互文件(.exe)等成果文件上传至BIM 平台；项目实施过程中根据现场实际进度，通过平台上报：最小级WBS 上报施工开始时间，施工完成时间。施工场地重大设备进出场进行线上登记，完成平台线上整改单审批流程（如图8）。

（2）可视化指导施工

在项目实施现场配备高性能电子计算机和大型触摸显示屏，包含了所有施工图设计、施工深化设计信息的BIM 模型和施工模拟文件等BIM 成果，在大型触摸显示屏中进行展示和浏览，使一线施工人员以及施工管理人员能快速、直观、方便地查看设计方案（如图9）。

（3）施工组织模拟

施工现场组织基于施工深化设计模型进行开展，包括：施工场地规划、设备材料运输路线模拟等，充分利用BIM 技术对施工组织方案提前进行模拟并优化，从而使施工组织过程更具有可控性，施工实施更高效、经济、科学、合理。

（4）复杂节点施工方案模拟

采用BIM 可视化手段，对施工过程中复杂节点的施工方案进行模拟和验证，从而优化相应工作内容的施工方案（如图10）。

（5）施工进度计划管理

根据施工深化设计模型、施工进度计划资料，按照不同深度、不同周期的进度计划要求，将进度计划与施工深化模型进行关联，结合虚拟设计与施工技术对项目实际进度和虚拟进度进行跟踪和对比，从而科学有效的发现进度偏差，及时采取纠偏措施（如图11）。

（6）竣工模型构建

竣工交付阶段应根据BIM 实施策划及基于BIM 项目管理计划整合完成项目竣工模型，竣工模型保证与实际建造的工程信息保持一致，为运维阶段的BIM 技术应用奠定数据基础。

四、结语

随着建筑建筑业的发展，传统机电工程领域所应用的二维图纸已无法满足建筑机电工程实施的需要，而依托BIM 技术在该领域的应用，能很好地呈现出机电安装工程的具体情况，对施工方案做出合理的优化，特别是能避免因多专业分别设计导致的管线碰撞等传统技术难以在前期发现的问题，为后续各环节施工提供可行指导。该技术的应用极大地提高了建筑工程电气设计的质量和效率，其在建筑机电工程的应用有进一步提高的空间。

图7 工程量统计

图8 某建筑机电工程的施工深化设计示意

图9 某工程的可视化指导施工方法示意

图10 某工程的复杂节点施工方案模拟

图11 某工程的施工进度计划管理