全生命周期BIM机电安装工程应用分析——以某高校技术劳动开发大楼项目为例

张 克

(龙岩学院 福建龙岩 364000)

0 引言

建筑产业作为国民经济的支柱产业，在经济建设中担任着重要角色，目前尽管还保持着总值增长，但是增幅较慢。而且建筑业属于劳动密集型产业，生产效率相对较低，由于信息沟通不畅，以及质量、尺寸等原因，造成工程返工、工期延误或是设备与材料浪费等问题在建设中数见不鲜，加之设计图纸修改频繁未能及时纠错，给建筑业生产造成了极大的浪费。

目前，在我国的建筑业的各大机电安装项目中目前主要采用的是传统的施工方式，由现场施工员读懂图纸，安排管线排布，之后依赖大量工人现场进行加工、安装，但这种方法需要在现场安排大量的操作工人，这给现场的日常管理带来了一定压力。由于现场环境比较复杂，工作界面混乱，工人工作效率较低[1]。而且现场加工必定需要很多动火点，这无疑增加了现场的安全隐患。因此，很多的机电安装企业开始尝试采用BIM(Building Information Modeling)进行深化设计[2]。数字化加工及建造给机电安装提出了更高的要求，对于管道不只停留在实现功能上，更从前期设计、施工管理、运营维护等的角度提出了新要求[3]。

随着计算机信息技术的不断发展，各行业数字化与信息化己经成为当今社会发展的重点，在此情况下，建筑业的信息化发展成为必然。随着建筑信息化的开展，三维展示及应用的好处逐渐凸显，可以在施工单位进入施工现场前实现机电的综合调整[4]，在前期能进行方案比选，设计时做到综合规划，施工时能精确安装[5]，不但能减少人工工作量，还能提高安装工程质量，节约资源，降低成本。为此，将机电安装工程与BIM应用技术相结合，应用BIM技术在工程全生命周期中对机电工程进行管理和控制，是机电安装工程将来的发展方向[6]。

近年来，研究BIM在整个生命周期中的应用逐步发展，理论方面初现成效，对于实际BIM项目，主要是应用在大型项目中，其应用程度还不算广，对于机电方面也缺少完整的应用思路。由于机电安装工程具有体量大、专业多、工作复杂等特点，而且在运营阶段的管理较少涉及，因而，完整的分析在工程全生命周期中应用BIM技术解决机电工程中的问题，对其发展具有重大意义。

1 机电安装工程特点

机电安装工程是建筑物及构筑物中非常重要的一部分，是赋予整个项目血液和动力的线路，在工程中起着非常重要的作用。建筑机电工程领域，本身就包括水电、暖风等许多专业，管理难度较大。随着消费者需求的提升，现代社会中各类建筑项目也更为复杂，这些在机电工程中得到了体现，各类强弱电、给排水线路等设计越来越复杂，安装也更复杂，管理也更为困难，技术要求也较高。其特点如下:

第一，覆盖范围广。机电工程涉及的范围很广。它涉及各种工业领域，不仅在建筑和房屋建设领域，而且在机械、工业、工厂、制造、市政等机电安装领域。而且机电工程涉及到给排水管道的安装、各种电气管线的人性化设计、焊接质量、设备尺寸、设备定期更换等等问题，这些都由不同的专业人员分管，需要大量的沟通协调工作。

第二，对象单样性。每一种建筑都有自己的功能，即使是同一栋建筑，也会有不同的功能。机电安装管线和其位置要符合法律法规的规定，但是具体设置也需要符合建筑物实际情况和使用者的需求，每一处都需要单独设计，不能完全复制。

第三，限制因素较多。机电工程并不是独立完成的，需要在各个阶段与其他专业互相沟通、配合。在设计之初，各专业需要考虑相互协调、相互回避，还要考虑各专业机电安装的协调与施工、结构的专业;在施工阶段，土建工程应预留一些管孔；在运营阶段，要考虑数据的完整性和规范性，便于后期管理。

在工程全生命周期中，涉及范围广，持续周期长，限制因素多，运营维护频繁的机电安装工程，更需要加强各方的沟通与协调，以保证其顺利进行。

2 建筑机电安装工程存在的问题

随着建筑行业市场的竞争越来越大，项目不仅仅要遵循法律规章，还需要提高用户满意度，用户体验感的需求提升需要机电工程的发展与完善。机电安装工程不仅仅只是满足使用要求，还需要提高管理水平、提高技术水平，设计更为人性化，以满足生活和生产的需要。由于机电设备安装施工涉及专业多，对于项目经理来说如何管理，对于施工人员来说，如何配合其他方达到准确无误的施工，都是较大的挑战。目前，我国机电工程管理还存在一些不足之处，应该采取有效的技术或方法来改善。

第一，规范标准不完善。由于建筑机电安装工程行业规范标准没有跟上机电技术、设备的发展，不能及时完善。所以在真正施工时，机电安装工作经常出现无据可依、无规可循的情况。由于缺少这部分的规范标准，也会导致机电行业市场竞争趋于恶性，不利于行业的发展。

第二，设计及安装匹配度不高。建筑和机电行业设计阶段和施工阶段一般是分开的，施工阶段人员应尽量与设计阶段人员进行多次、有效的沟通，以确保施工准确。由于目前设计方面，经常修改，并没有与施工方及时沟通，加上图纸不规范的问题，导致设计施工互相脱离，无法准确实施安装工作，阻碍了行业发展。

第三，信息化程度低下。信息化建设是下一阶段建筑业发展的重要目标。信息的互通能够使机电项目各参与者便于交流，各信息传达不容易失真，同时减少沟通成本，促进机电安装工程的发展。

3 BIM在机电安装工程中的应用点

某高校技术劳动开发大楼投资1960万元，为5层标准层、地下2层，总建筑面积7682 m2，实验室及学生技能培训场所，本研究是基于该项目的BIM模型建造和使用，探讨BIM机电工程在项目全生命周期中的应用点。

3.1 应用BIM使各专业参与规划决策

在项目前期规划阶段，主要是利用BIM技术让各个单位更为直观地了解项目整体情况，更为准确直观地计算、评估各个方案，对项目全生命周期成本进行预测，全方位进行评价后确定较为合理的整体建筑方案。在该项目中，应用BIM 技术在方案初期考虑充分利用自然资源，合理确定建筑类型、划分建筑空间，尽量在提升用户体验感的同时降低建筑能耗，降低污染，对确定后续机电设备的数量、类型等指引整体方向。

3.2 采用BIM机电工程设计更为合理

机电安装工程涉及到建筑、结构、设备、管道、电气等，主要目的是保证室内电力供应、通讯正常、给排水正常，防火等，因此它是赋予建筑物生命的系统，创建维护适宜的居住环境。而机电设备设计是指在保证建筑结构形状的前提下，对设备及各种管道进行合理布设，充分利用建筑物室内空间，保证建筑物正常运行。

由于机电设计的特征，传统模式下这部分工作较之前期具有明显的顺序关系。机电部分必须要在整体部分的设计完成后，才能在主体图纸中添加设备、强弱电、水暖通的信息。

随着社会发展需求的变化，以及设备更新换代的原因，建筑物的功能也越来越复杂，而且业主需求可能会发生变动，这些最为直接的影响是机电设备、管道的改变。当机电设计完成后，如果建筑设计部分发生任何改动，其他专业需要随之变动，若沟通出现差错，最终设计花费的时间和精力会较大。该项目尽管是一栋地上5层，地下一层的单体式建筑，但是设计初期是办公楼，设计后期又将之地下一层和地上两层改成了实验室，因此其排水、强弱电及各类管道部分都发生了改动。BIM在该项目设计阶段的使用，能够让各专业保持更好的沟通，避免各专业之间的摩擦。一个部分发生了改变，后续及时进行修正，大大缩短了设计的时间。

3.3 机电设备布设自动化应用

机电设备种类繁多，一般在设计布设阶段是按照规范要求手动布置。由于部分设备规则明确，当BIM应用于机电管理后，就能实现这部分机电设备的自动布设。本研究以某高校技术劳动开发大楼中消防构件的洒水头为例，演示机电设备的自动布设效果。

首先需要绘制构件模型。利用Revit软件绘制使用喷头和管帽，并加入各构件属性，如型号、大小、维护厂商、OmniClass编码等，可以在设计阶段就对信息进行导入，而此属性自此跟随构件到其生命周期结束，便于建立后续运营管理数据库，系统管理机电设备。

接着，撰写Dynamo模块，制定布设规则。在撰写该模块前，需要确定构件摆设的规则和分类，这些分类均可以通过查阅国家相关法律法规完成。Dynamo是一种视觉程序设计工具，是将多个元素链接到一起以定义关系和组成自定义算法的动作序列，开发者可使用其开发各种工具，以利用外部库或任何具有API的Autodesk产品。该项目中，使用Dynamo Studio设定洒水头布设规则，结果如图1所示。而且，这些规则可以在设定后存储为私人用，也可以上传至网络开放式平台，丰富数据库，让更多参与者后续使用并完善。

图1 自动布设洒水头dynamo规则

最后按照规则进行自动布设。根据之前撰写Dynamo自动布设洒水头规则，利用 Dynamo抓取汇入Revit的Cad图层，在抓取点位之后，可以调整楼层数以及高层，决定构件放置的位置，并自行设定标高、族的类型，最后根据输入的高度以及规则，可自动布设出洒水头成果如图2所示。

图2 自动布设洒水头成果

3.4 机电管线碰撞综合检查

在传统机电管线碰撞中，重复工作量非常大，这就是由于二维图纸沟通不顺畅的原因。BIM技术应用能最大程度地发挥BIM所具备的参数化联动特点，从参数信息到形状信息各方面同步的修改，而且也没有改图或重新绘图的工作步骤，更改完成后的模型可以根据需要来生成平面图、剖面图以及立面图。

该项目中的三维可视化模型便于讨论修改，提高了建造工作效率。电暖气、给排水、建筑、结构等各专业利用共同的BIM平台建构自己的信息化模型，在平台中搭建到一起，构成完整的建筑模型。各专业衔接快，信息不会失真，且计算机技术能智能判断碰撞类型并汇总，便于各个专业修改并实时显现调整结果。

最后，可以建立可视化漫游模型，全区域净高复核，尤其针对管廊等用二维图表达困难的区域，三维模型能给施工方提供准确信息。

3.5 施工管理的BIM应用

该项目负一层及一层为实验室，设备众多。在机电工程施工之前，可以对工程进行模拟，通过三维漫游、透明度、动画来真实展示模型，通过设计人行路线感受该建筑及机电设备实体的特征，保证最终机电部分施工的效果。

施工中能应用BIM实时查询，并进行信息更新。根据模型，BIM能协助施工人员实现3D机电安装及设备模拟放置，同时添加设备的4D属性。在施工中，只要选用任意设备实体，就可以查询之前建模时输入的各项信息，如名称、类型、计划安置时间等，并对场地信息进行统计，保证施工进度和机电安排的配合度，实现动态管理。

施工中需要分期对机电工程成本进行计算。由于机电工程不但复杂，而且工作量大，需要在施工中不断拆分、统计，传统方式多用手工计算，管理难度大，准确率不高。采用BIM进行管理，成本实时统计和更新，准确率高，其数值还能得到参建各方的认同。

在施工中，通过模型能明确各建筑安装设备在建筑中的位置，从而降低施工返工率，提高工程质量，降低资金损耗，也方便施工中成本信息的搜集及动态管理。

施工中可以通过对各工序的三维仿真计算，计算出工序、工期、人力、机械、场地等资源的占用情况，根据本工程的情况，提前拟定设备供应计划，明确进场时间，还可以实时调整，优化施工进度、资源配置和场地布局，实现多种施工方案的比较和选择，从而更好地确定设备安装的时间和顺序。

3.6 机电安装工程施工结束后的BIM应用

施工结束后，进入最后竣工结算阶段，工程人员能够利用BIM元素为实际构件的特点，自动统计工程量明细，减少计价人员繁重的计算工作，提高了工作效率，其准确性也比较容易能得到保障。

BIM技术成果不仅应用在过程阶段，在交付之后还需要继续使用。特别是机电安装工程，它与结构工程相比，更新换代时间短，更需要后期持续的维护和管理。BIM模型将构件信息传递至运营维护阶段，可以根据模型信息导出明细表，得到一系列规定格式的数据，比如项目中涉及到设备系统名称、系统分类、编号、OmniClass编号、类型、数量、楼层、制造商、维修成本、直径、温度等级、上次维修日等信息，同时可以建立包含设备信息的Access数据库，方便整个项目机电设备在运营阶段的维护管理。如果出现问题，可以迅速查找该设备的信息，寻找维修厂家，或者进行替换，而不需要查询过多的纸质材料。

4 结论

机电安装工程是工程的重要组成部分，其顺利完成关系着项目的使用质量。将BIM技术引入机电安装工程，在机电管线的设计阶段以及施工阶段可以真正起到缩减周期、协调各专业工作，在后期运营中能够更好地管理，延长其使用寿命，并提高其使用质量。本文总结了全生命周期中BIM技术在机电工程中的应用点，并通过实例测试，印证了各应用点的可行性，为后续大型项目应用该技术对机电工程进行管理提供了分析基础。