基于复杂建筑的BIM管综设计标准流程和方法研究——以浙江鑫达医院项目为例

李星亮 谭振峰 刘宇亮 周 雯 聂小蒙 李 渤

(湖南省建筑设计院有限公司,长沙 410000)

引言

在建筑设计的过程中，管线综合设计大多饱受非议和诟病，属于吃力不讨好的角色。造成这样的局面主要有两方面的原因，一是归属不明：建筑专业负责？他们没有机电设计经验，调整后的管线不一定是最优方案； 机电专业做？他们对于空间的想象力不够丰富，吊顶控制优化不够合理，况且机电专业又分为水、暖、电三专业。二是条件复杂：管线综合设计往往需要提前对各专业设计情境、逻辑、原则等进行了解，并对所有管线路由路径进行分析，并根据施工工艺的情景进行模拟，才能得到较合理的管线综合成果。这些条件，仅凭一个专业就要全面把控着实不易。

BIM技术因为其可视化、协调性等优点，逐渐在复杂项目的管线综合应用中受到大家的青睐。而随着BIM技术的普遍应用，BIM设计师承担了管综设计的主要工作，管线综合设计的争论随之得到了解决。

但是，BIM管综技术虽然入门快、应用广泛，也由于其关系复杂、布置灵活、跨阶段等原因，要全面掌握难度较大。另外，每家单位进行三维管综的流程又大相径庭，甚至同一单位的不同设计人员的设计方法也不尽相同。因此，各单位的三维管综相关研究成果较粗浅，且缺乏可参照性的成果[1-2]。

制定大多数项目都能普遍适用的BIM管线综合设计方法——基于这样的初衷，我们对公司数十个复杂项目的管综应用经验进行总结，并在浙江鑫达医院项目中对该三维管综设计流程和方法进行了全面实践，得到了如下成果[3-6]。

1 项目概况

1.1 项目简介

浙江鑫达医院位于浙江省湖州市太湖区，是湖州市重点民生工程项目。项目总投资21亿元，以“生命绿谷”为设计理念，设计床位1 400张，是集医疗、教学、科研、保健、康复和健康管理为一体的现代化三级甲等综合医院。本次应用BIM技术的为本项目的一期工程，共分为地下室、门诊楼、住院楼、行政楼四大板块，总建造面积达23万m2。

图1 浙江鑫达医院项目效果图

1.2 项目特点

(1)项目规模大

项目总建筑面积超过23万m2，其中地下室部分建筑面积达3.6万m2。建筑功能十分复杂，各建筑功能分区联系紧密，在设计过程中需要综合考虑分区流线、结构连接、运输通道交叉等多方面的因素，对于传统设计过程来说难度较大。

(2)曲线布置难

建筑采用曲线形设计，各单体建筑内走廊均为弧形走廊，按照传统设计方法，机电管线采用弧形管道，加工、接管等极为不便。

(3)设计专业多

项目除了常规的建筑结构水暖电专业外，还包括医疗净化、纯水、智能化、医疗气体、交通、照明、精装修等多个专业，分由不同单位进行设计，项目参建单位超过100家，我们作为设计总包单位，需要对众多设计成果进行协调、把控，难度极大。

(4)降板区域多

本项目地下室顶板存在大面积的降板覆土区域，降板区域内的管线集中，管线安装空间紧张，许多部位都出现不同程度的净高不足情况，极大地增加了管综设计的难度。

(5)设计调整多

本项目工艺复杂，设计专业多，设计需求在调整过程中不断变化，导致设计调整很多。各净化区域内在保证交通便捷的前提下，需防止各区域交叉感染。各区域内设计条件各不相同，设计过程复杂多变。

(6)建设标准高

本项目按照现代化的三级甲等医院标准进行建设，业主对各个区域内的净高控制、管线安装及运维、装修设计都提出非常高的要求。

1.3 BIM设计难点

(1)货车车道净高难保证

本项目的地下车行流线十分复杂，许多区域都有货车通行净高需求，但前期设计中未能充分考虑车道净高问题。

(2)进出中心机房管线极多

本项目地下制冷机房与中心配电机房处各类机电系统主干管聚集，且此区域是各楼栋之间管线连接的必经之路，管线众多，协调困难。

(3)医疗净化区域管线复杂

本项目医疗净化区域除常规管线系统外，还包含了大量净化专用设备及管线，这些管线对空间净高影响极大，是本项目的主要难点。

(4)公共走道净高要求高

走道吊顶的整齐度、净高、灯光等都对医院的品质起着决定性的影响，本项目中业主对公共走道区域的装修提出了较高的要求，在进行管综设计师要结合精装修对走道内各机电管线末端进行深化设计，是本项目的重点和难点。

2 BIM实施策划

2.1 BIM应用目标

本项目采用BIM技术进行机电管线优化设计工作，从而通过解决如上项目难点，为业主提供更优质的设计成果，满足现场施工需求的同时，结合本项目的特点，对BIM管综设计的标准流程和方法进行探索和研究。

2.2 团队组织

项目BIM设计团队共7人，包括BIM项目经理1人，土建BIM设计师3人，机电BIM设计师3人。项目部分设计人员既是项目的BIM设计师，又是各专业机电设计人员，除了结合BIM管综设计来解决机电管线碰撞问题，他们还会从设计的角度出发，基于管综成果来优化设计方案。

2.3 BIM实施标准

在项目开始阶段，项目团队依据《湖南省建筑工程信息模型交付标准》、《湖南省建筑工程信息模型设计指南》等文件编制了一系列项目实施标准及文件，主要包括《项目BIM实施手册》、《项目管线综合优化记录表》、《项目管线综合优化校审表》、《管线优化及净高分析报告》[7-10]。

3 BIM管综标准流程和方法探索

我们通过数十个项目的经验总结，得到了常规项目进行三维管综设计的主要方法，并结合本项目实际案例，对BIM管综设计标准流程进行了深入探索，得到了BIM管综设计的八大流程。

图2 BIM管综设计八大流程

流程一：管综任务分析

在本流程中，BIM设计团队除了对项目的类型、位置、面积、建筑组成等基本情况进行了解，还需要对项目的应用目标、时间进度、节点成果、模型深度以及重点要求进行深入分析，在此基础上进行项目分析，以便开展后续BIM管综设计应用。

流程二：图纸分析

通过对已出具的图纸进行分析，对建筑的空间概况、各区域梁高、吊顶形式、走道宽度等进行了解，从而对管线的敷设空间进行把控。在这个阶段，往往能够通过图纸分析，找到净高不足的地方，提前确定管线复杂点位。

流程三：管线情况统计

对机电图纸进行分析，从而对即将开展管综优化的管线情况进行统计和分析，包括不同专业管线的尺寸、标高、数量、特殊要求等。通过这项工作，基本可以确定管综优化设计的难点和重点。

流程四：管综难点分析

对于管线情况统计中发现的难点，分区域对其进行分析，并对其进行说明。

流程五：确定管综原则及思路

管综的优化思路往往决定了管综的整体质量，因此需要提前结合管综难点和工作过程，对主要的管综优化思路进行说明。在这一流程，我们结合业内共识，制定了BIM管综设计的八大原则。根据这些原则，可以确定项目BIM管综思路。

图3 管综八大原则

流程六：管综优化

磨刀不误砍柴工，通过以上五步的分析，在这一流程，将正式进行模型的搭建工作，并按照确定的管综原则对模型进行优化调整。这一步的管综优化方法，是BIM管综设计的核心，后面一章将进行具体举例阐述。

流程七：管综成果校审

由BIM经理组织各专业负责人对BIM管综设计成果进行校审，对模型标准化、图模一致性、调整可行性、出图表达等多几个方面进行评价，确保成果输出符合规范和项目要求。

流程八：管综成果输出及总结

经过模型校审和修改，最终输出对外交付成果，包括轻量化BIM模型、BIM施工图纸、管线优化及净高分析报告等内容。并在总结中，对本项目的管综方法进行总结，并整理输出为后续工作标准。

4 BIM管综标准流程和方法应用

BIM管综优化方法是BIM管综设计流程中的核心，决定了整个项目的BIM设计品质。

4.1 门诊医技楼某区域应用

本BIM管综优化方法分为五个步骤，介绍如下：

步骤一：管综分区

每层的机电管线布局往往较为复杂，不同走道和房间的管线分布千差万别。通过管综分区，暂时将具有类似管线布置的区域与其他区域分开，独立进行分析和调整，最后再综合考虑所有管综区域。

管综分区主要依据两个方面：

(1)建筑空间有较大区别； (2)机电管线分布有较大区别。

以门诊医技楼的二层A区为例，根据本区域的建筑空间差异及机电分布差异，可将门诊医技楼A区划分为如下区域分别进行管综优化调整：

图4 门诊医技楼A管综分区示意图

根据全局考虑、复杂先行的原则，逐个对各区域内管线优化进行调整。对各分区的管线进行分析，举例如下(考虑到篇幅原因，此处仅展示两个区的管线分布),如图5-6所示。

图5 1区管线分布图

图6 5区管线分布图

从图上可得知，区域5为整个楼层最复杂区域，因此首先对区域5内的管线优化进行调整。

步骤二：管线排布思路整理

首先对5号走道的可排布空间进行分析，如图7所示。

图7 管线可排布空间分析

从图7可知， 5号区域走道净宽1.8m，梁下净高3.65m。如果按照常规管综经验，将高度相同的管线进行同层排布，会发现所有管线在该区域内安装至少需要4层，且最底层管底净高只能达到2m，这显然不满足该走道净高需求。

据此，我们制定了管综优化分析的五个思路，来对管线排布进行调整。

图8 管综优化分析思路

根据图8的管综优化思路，我们对图6所示5区管线分布图中的管线进行如下调整：

(1)有无其他路径

净化区空调风管主要是将走道下侧空调机房的空调风送至上侧各房间，而上侧各房间没有不能穿风管的房间，因此可考虑将送风管干管移至上侧房间。同理，可将新风管调整至下侧房间，将空调水管调整至下侧房间。

(2)可否合并管线

对多个机电设计专业的图纸成果进行综合比对，发现强电设计与净化强电设计的桥架在诸多地方存在相似路径。经过与设计沟通，将路径相似的强电桥架进行合并。

图9 空调风管路径优化示意图

图10 强电设计中桥架布置

图11 净化强电设计中桥架布置

(3)干管是否贴近使用端

对原设计进行分析，可知纯水管和检验水管的使用端都在走道上侧，因此初步将其排布在靠近走道上侧； 两根DN40的空调供回水管的使用端在走道下侧，初步将其排布在靠近走道下侧。而喷淋管和3根冷热给水管的使用端在走道上下侧都有，因此将其排布在靠近走道中部。通过这样的排布，可避免一部分支管与其他管线的交叉，节省管件。

(4)有无支路

净化区空调送风管、纯水、给水、热水给水、检验水、喷淋水管均为有支路的管线，这类管线敷设时，其周围须预留支管接出空间。

(5)有无末端

通过分析，可知在走道内有末端的管线只有排烟风管和喷淋管。须考虑末端点位与吊顶的关系，预留接至吊顶的空间，以及出管如何与主干管连接。

根据管线优化分析的五个思路进行管线初步排布，区域5的管线排布思路整理完毕，得到的初步管线排布情况如图12所示。

图12 管线排布思路整理成果

需要说明一下：上述管线排布思路整理过程一般不需要在模型中进行，而是在设计师脑海和草稿本上进行。本文为了表达清晰，采用BIM模型来演示整个过程。

步骤三：建立管线模型

按照上述管线排布思路，初步确定了管线的位置和标高。接下来，才正式开始按照确定好的管线排布位置来创建BIM模型，得到项目的整体机电模型。

步骤四：管线初步调整

在这一步骤，依据有序施工、电上水下、有效间距、末端对齐、便于检修这五个原则进行管线初步调整,通过该步骤，调整前后的剖面图示意如图13。

步骤五：管线细节调整

本步骤，需要从管线净高最大化、支管接管方式、管线施工便捷、管线成本效益等多个方面进行综合考虑。

在区域5中，我们将喷淋干管进行了调整，便于支管接出，并优化了冷、热水管干管的位置，从而避免上部接出支管被桥架遮挡。从而得到该区域的最终调整模型，如图14所示。

图13 管线初步调整前后对比剖面

图14 管综细节调整后的剖面

相比最开始的走道管线排布示意，通过上述管综调整过程，管线最底部净高由2m提升到了3m。优化后的管线三维示意图如图15所示。

图15 管综优化最终三维成果

4.2 地下机房某区域应用

以本项目的地下中心空调机房外侧车位区域为例。

该区域为降板区域，车位总宽度5.6m，梁下净高仅3.3m。由于有清洁车通行及临时停放要求，此区域净高至少为2.3m。

图16 地下机房外侧车位建筑空间示意图

车位上部共有给水管道10根，空调水管道14根，排烟风管1根，其中给水管道最大管径为DN150，空调水管道最大管径为DN600，排烟风管尺寸为2 000*400mm。

本区域是整个地下室部分最为复杂的区域。

对该区域的管线进行优化调整，该区域的管综优化过程介绍如下：

竖向分析：

对车位上的管线进行统计分析，将高度相似的管线排布在同一层。车位区域管线安装宽度为5.6m，所有管线平铺宽度为9.6m，中间预留检修宽度预留0.4m。根据公式：安装层数=管线平铺宽度/(安装宽度-检修宽度)可以得出该区域管线所需安装层数为2层。考虑管线支管接出空间，进行初步合理排布，得到管线安装所需总高度为1 500mm。净高剩余为3 300-1 500=1 800mm，显然不满足此区域的净高要求。

图17 地下机房外侧区域位置示意图

图18 车位区域管线竖向分析示意图

竖向调整：

通过如上分析，我们按照前述“管综优化分析五思路”中的“有无支管”和“有无末端”，对竖向管线进行优化。

我们将在本区域无支管无末端的管线调整至下层，将有支管和需要进出机房的管线调整至上层利用梁窝进行上翻。

此外，我们将有支管和有末端的管线排布在一起，一起进行上翻。另外，将占用空间较大排烟风管和不需上翻的管道调整在一起。

水平分析和调整：

根据机房外侧各系统管线路由，优化各系统管线的位置管线，减少各系统管线间的交叉。采用“干管靠近使用端”的原则，将需要进入机房的管线尽量靠近机房布置，将排烟风管远离机房布置。由此，确定水平方向管线的排布。

图19 车位区域管线水平分析图

此外，有两根DN600的冷冻水管从车道经过车位进入制冷机房，需要占据较大空间。通过分析，将排烟风管向机房移动500mm距离，从而让出一定空间。将冷冻水管经过梁下后上翻置于所有管线最上部，利用梁窝进入机房，避免与其他管线碰撞。

按照上述分析结果建立管线模型，对管线进行优化调整。最终该区域的管线底部净高可达到2.35m，满足使用需求。

图20 地下机房外侧空调水管翻弯示意图

图21 地下机房外侧车位区域管线优化剖面图

5 其他应用案例

5.1 净化区域

以住院楼四层净化区为例，本项目净化区另包含了大量的净化专用设备及管线。由于多家单位平行设计的缘故，前期缺少统一的协调把控，导致设计协调问题极多。

此外，住院楼为典型曲线形建筑，弧长160m，管线布置和调整难度极大。在BIM设计过程中，考虑到各专业设计和施工的便利性，经过与施工单位沟通，我们采用了“以直代曲”的设计思路，与现场保持一致，这极大地降低了曲率管线设计和施工的难度。

图22 净化区域管线示意图

图23 净化区域管线优化示意图

图24 地下物流流线示意图

5.2 物流通道

医疗建筑的各类交通流线十分复杂，其中，地下物流流线对空间要求最为严苛。由于建筑结构设计与机电设计不同步等原因，在项目前期设计中未能对车辆通行空间进行精准分析，造成了地下部分区域车辆通行空间十分紧张。

结合我们开发的净高分析工具，对地下室顶板进行净高分析，并对不满足通行净高的区域进行自动标记，找出净高不足的地方，再进行管线综合调整。

最后，对各个区域的货车通行进行了通行模拟。最终，物流通行区域净高均能满足通行要求。

5.3 空调机房

在BIM管线综合的设计中，各类机房的位置对后期管线位置的调整有着重要的影响，所以管综优化不应局限于管线的优化调整，更需要深入思考各类机房布置的合理性。

图25 地下室顶板高度示意图

图26 车道区域管线优化示意图

图27 机房位置分析示意图

本项目中，我们对住院楼净化区域内的机房布置方案进行深入分析，综合考虑各种机房布置方案将会为后期管线调整带来的影响，从中选择最优的机房布置方案，提前避免了后期可能出现的重大管线碰撞。

图28 净化区空调机房位置优化前后示意图

6 BIM应用创新点

6.1 形成了一套可复制的BIM管综标准流程和方法

在本项目的BIM管综设计过程中，我们总结以往项目的BIM管综设计经验，结合本项目的实践应用，得到了一套有效的BIM管综设计标准流程和方法。

基于本套标准流程和方法，与各企业的设计体系和标准普遍适用，可作为一套可复制的标准流程和方法。

图29 BIM管综成果校审标准

6.2 真正优秀的管综设计需要基于源头进行思考

基于源头思考，即管综设计过程不光要考虑管线路由和标高的调整优化，还需要在管综设计过程中对各专业的设计思维和方案进行调整和优化。结合对设计方案的优化去进行管综设计，避免重大管综设计问题的出现，极大地延伸BIM管综设计的深度与广度，使管综设计过程更加主动、更加合理。

本项目中，由于住院楼标准层存在极多管线交叉碰撞问题，我们对空调机房的位置和方案进行仔细推敲，综合考虑各种机房布置方案对管线造成的影响，从而确定最佳机房布置方案，避免了风管的大量交叉问题。

6.3 用户思维在BIM管综设计过程中需要贯穿始终

用户思维即在进行BIM管综设计的过程中，要紧密结合业主和施工现场的工序、材料、进度、运维检修等因素，确保BIM管综设计成果能直接转换为现场施工依据。

本项目中，我们充分结合现场施工分包承包范围不同的特点，按照水电分包、消防分包、弱电分包等，对各专业管线位置进行了分组布置，确保现场各分包的管线尽量贴近，方便进行支吊架的统一施工。

图30 基于施工分包的管线分组调整

图31 公共建筑BIM管综设计应用指南

7 总结

在浙江鑫达医院项目的BIM管综设计实践中，我们运用BIM技术成功解决了项目中诸多复杂部位的管线综合设计，极大提升了项目品质。通过团队成员的不懈努力，高质量、高效率地完成了项目的BIM设计工作，赢得了业主的高度赞扬。

同时，我们对于BIM管综设计流程的标准化进行了一次全新、大胆的探索，得到了一套可供其他企业参考的标准流程和方法，为后续项目BIM管综设计提供了借鉴与指导。