BIM技术在超高层建筑综合管线中的应用研究

许珊珊，范书玮，宋 亮

(1 黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨 150027； 2中国建筑一局(集团)有限公司，哈尔滨 150000)

0 引言

在工程项目规模、形式、功能日益复杂的今天，基于信息技术和工程数字建模的设计思想推动了建筑行业的快速发展。相比传统的建筑平面设计，在梁底净空分析的基础上结合各专业图纸，按图层导入并输出二维截面图，这种应用BIM技术的便捷性显得尤为突出。周慧芳等[1]利用BIM主流软件Revit进行全专业建模，直观地反映管线布置的空间信息，简化了设计过程，降低了管线综合难度。王健[2]简要介绍了BIM协作平台、BIM团队与工程各参与方的协作模式，以及地下室管线综合设计在优化过程中的BIM的协作内容及阶段总结。王欣睿[3]通过BIM技术进行深化设计，提高了设计的准确性，为综合交通枢纽管线的综合设计提供借鉴。

以CAD为主的传统二维设计平台，平面图、 立面图以及剖面图等二维图纸是其主要展现方式。然而，建筑系统设计并非只有一个专业，各专业之间的信息交流也会出现一些偏差，从而使设计成果在后续的执行中出现诸多问题，影响最终的设计效果。通过BIM技术，对工程的地基、主体、机电管线进行预先模拟，以降低协同设计、施工阶段出现专业矛盾的几率，利用BIM技术的仿真性、可视性、信息传递性及关联性等特点，对工程进行优化管理，解决了超高层建筑复杂节点的施工难题，提高了施工系统的整体质量，将BIM技术真正落实到超高层建筑中。

1 项目简介

本项目以哈尔滨市某信托大厦为研究对象，建筑整体分为地下2层，地上34层，建筑高度140 m，总用地面积14 402.77 m2，总建筑面积94 891 m2，其中地上建筑面积72 013 m2，地下建筑面积22 878 m2，建筑占地面积4 981.62 m2。项目中涉及的机电管线主要包括给排水管道、雨水管道、暖通管道、消防管道及自动喷淋管道等，其中包括压力排水系统和空间占用较大的防排烟系统。整个项目的多个专业管线综合布置难度大，给机电安装工程施工质量管理带来了不利因素，管道分布集中在管廊处且管道系统复杂多样，造成了管线密集，这不仅影响工程项目的施工质量及以后的运行使用，而且也将影响到工期进度及施工成本的控制。从整体上讲，整个项目的机电工程布局比较复杂，对管道的排布进行合理的规划，并综合考虑各种因素的影响，就显得非常重要。

2 BIM全专业模型

BIM技术贯穿了整个建筑的生命周期，针对工程自身的特点制订BIM技术的具体实施方案和使用细则，利用Revit等相关的BIM软件建立全专业模型，随后通过多专业模型的整合进行不同专业管线之间的碰撞模拟和房间净高的分析工作，得到碰撞报告和净高分析，向设计人员进行反馈，按照规范要求调整房间净高，进行管线整合，重复检查以后得到完整的施工模型，根据输出模型进行工程量统计，最终导出各专业图纸指导施工[4]。三维设计功能作为BIM建筑技术中的一项基本设计功能，不仅仅只局限于此。三维建模软件不但包含建筑设计过程中赋予模型的所有空间和几何信息数据，还要将三维结构建模软件知识基础中的建筑材料信息、物理特性、力学参数、结构属性模型等各种非结构化几何模型信息数据整合应用在三维BIM结构建模中。利用三维模拟软件强大的自动绘图功能，即可轻松地自动设计制作出建筑平面图、剖面图、立面图模型等，有效满足相关设计专业的出图规定。

2.1 建筑结构模型

传统设计方法中的模型大多是由二维空间内的点和线组成，其模型信息仅仅包含简单的构建平面信息，模型缺少各自相应的属性信息。而利用BIM技术构建的建筑模型中不仅包括对基本构建的设计信息，还对构建的使用情况以及材料用量有着详细的统计，这些庞大的信息分别储存在对应的构建内部，使得技术人员可以对建筑信息进行有效的查看。通过BIM的主要软件Revit对建筑中的结构梁、剪力墙、地板、柱、门依次进行参数化设计，传入相应的建筑信息，如结构梁的材质信息、楼板的尺寸信息等。针对设计过程中出现的特殊结构，采用精确度更高的族模型对项目中出现的异形结构进行绘制。通过三维的绘制能够更加直观地展示建筑模型的外部结构以及内部空间结构，便于及时发现建筑设计过程中出现的问题和提交问题所在的位置信息。

2.2 机电模型

超高层建筑机电工程包括给排水系统、消防喷淋系统、暖通系统、雨水系统等。机电工程的工程量复杂烦琐，在绘制过程中采取多人同平台绘制的方式，通过采用相同的建筑模型来绘制相应的管道系统。在绘制过程中要注意特殊管道出现的坡度问题，按照规范要求将管件在族库中进行替换并录入管道相应的材质、尺寸信息。通过视图选项栏，对不同系统的管道设置相应的颜色，使模型在三维模式下直观清晰。某超高层三维机电模型图如图1～2所示。

图1 机电模型

图2 地下机电模型

3 BIM深化设计

随着我国城市建设体系的不断完善，各种管线系统、配套设备以及各类管线的种类和数量都在不断增加。暖通系统、给排水系统和电气专业系统是建筑内部的主要系统。暖通系统又分为3大类，分别是暖通、通风、空调系统；给排水系统的管道系统又分为给水、排水、消防等多种分支，管道碰撞问题大多发生在管线与管线之间，影响建筑内部空间的利用。在项目进行初期，利用BIM技术提前预知管道与管道、管道与结构之间的碰撞问题，做到有效的修改和处理，确保机电专业与其他专业的深化设计图纸相结合，达到三维模型的精度要求，保证管线之间的排布方式科学合理以及管线与设备之间的连接正确，保证建筑的空间布置和最后的深化设计图匹配度达到100%。

3.1 三维信息模型整合

BIM技术的出现，改变了以往工程项目协同设计过程中不同专业的设计协作关系，把包括设计、施工、业主方监理等所有项目参与者有机地融合到一起来共同来完成整个项目的协同化设计。BIM技术是一种高效的信息共享平台，它以Revit软件为基础，实现了基于BIM平台的多专业信息交流。如果产生不同专业设计方面的变化，平台中的数据信息库会及时更新相关的变更内容，其他专业的设计人员都可以通过这个平台了解到变更信息以便及时调整本专业的设计方案[5]。超高层建筑各个专业模型绘制完成后，将各种信息模型进行深度整合，生成完整的建筑机电模型。通过BIM技术可视化的特性，对建筑物进行三维仿真，对整个建筑物的细部结构、复杂节点进行数据信息集成，实现了对建筑物各个系统的全面认识。

3.2 碰撞检测

建筑、结构、机电专业共同组成了建筑系统，这些专业的融合构成了完整的建筑体系。在复杂的建筑空间区域内放置不同专业的管道系统，会使不同的管线在使用空间上发生冲突，管道碰撞和管道交叉问题就显得尤为突出。如果这些冲突得不到有效的处理，将会造成施工过程中出现返工、施工材料浪费、延误工期等现象[6]。

通过BIM技术整合建立的专业模型，提取不同管道系统之间的碰撞节点，以地下一层为例，通过碰撞检测得到碰撞点共476处，其中机电管道之间的软碰撞共计430处，其余均为硬碰撞，碰撞点多为消防喷淋管道和通风管道之间的碰撞，达到329处，占地下一层碰撞点的2/3，整理出部分软碰撞报告如图3所示。根据管道的碰撞分析合理调整管线与管件、管道与管道之间的规范距离，并且结合硬碰撞节点实现管道与管道、管道与建筑结构之间的合理避让。通过碰撞报告全方位查看相应模型信息，提高数据信息处理能力，避免了施工过程中出现的不确定性和重复返工，为项目后期的运营、维护提供了便利。

图3 地下一层碰撞报告

3.3 管线综合

在工程建设中，由于存在管道碰撞、管道交叉等问题，施工人员常常会采用提前弯折、调整管道坡度、管道位移等方法。这样的做法，可以在很短的时间内避开大多数管道的冲撞和交叉，但却违背了设计者的初衷，在一定程度上会影响人们对建筑美感的总体效果。另外，由于这些措施，使得原本就情况错综复杂的建筑空间为了避免碰撞而需要重新修改管道路径，让整个房间的高度都被迫下降，导致了建筑空间的浪费。

应用BIM可视浏览，预防管道线路之间的碰撞，促进机电安装工程稳步进行，有效提升施工质量。在调理管线排布的过程中，要按照设计规范进行修正，在发生碰撞的管道节点处，通过管道局部弯翻来解决碰撞问题，若出现管径较大的管道发生碰撞而需要调节整体管道高度和管线路径时，要与设计院进行反馈和沟通，找到最优方案进行绘制。针对以上碰撞问题，在保证房间净高的前提下，进行管道集中调整，依次确定各个管道系统的位置，在此过程中可能会出现大面积的管道调整，因此，合理的管线优化是一项复杂且庞大的过程。机电管线调整如图4～5所示。

以图6管廊净高分析为例，管线排布后的所有机电管线集中于管廊中间，施工操作和检修空间分布在管线两侧，管道整体分为上中下3层，顶层为桥架系统，底标高为4.93 m，中间为压力排水管道，管中心标高为4.48 m，下部为防排烟系统，管中心标高为4.1 m；消防喷淋喷头标高4.4 m(净高 4 m)，同时为保证管道之间距离规范，大管径按150～200 mm绘制，小管径按50～100 mm绘制。

图4 机电管线调整前

图5 机电管线调整后

根据施工图模型以及设计调整前后的机电管线图纸及修改意见，施工人员利用碰撞优化后的三维管线施工方案，进行施工模拟，提高了施工质量。

图6 管廊净高分析

图7 房间净高分析

4 超高层建筑BIM技术应用价值及成效

4.1 三维动态模拟，精细化进度管理

在本工程BIM技术应用中，采用三维模型的动态化管理，使施工人员充分理解模型对应的信息，若在施工过程中出现临时变动，对相应模型信息进行更改即可。在前期对模型进行详细绘制后，对建筑、机电模型进行分类工程量统计，通过Excel表格进行查看和统计，方便后期采购单位对进度计划进行编制，减少现场大约8%以上不必要的返工，缩短大约10%的施工工期以及节约5%～10%的成本投入。在于后期的建筑维护管理阶段，为保证建筑整体功能的完善，技术人员可根据BIM模型查看相应设备的构件信息，若出现设备故障，便可以准确定位到设备所在位置，进行及时的诊断，便于整体建筑的维护。

4.2 多平台协同设计

本文以哈尔滨市某信托大厦为例，利用BIM软件Revit、Lumion、Fuzor等对其进行了三维模拟、管线综合、净高分析，实现了建筑模型、结构模型和机电模型的一体化设计。采用三维建模技术，实现多专业建模—施工模拟—深化协同的设计过程，有效降低了同沟通不及时带来的设计错误，合理地把控建筑内部空间，提高施工效率[7]。三维信息模型的建立为后续的专业排布提供了依据，增强了建筑和管道系统之间的联系，增强了检查设计和预测设计的合理性。

4.3 增强管道系统的科学性和合理性

超高层建筑有着复杂的管道系统，管廊又是最密集、最复杂的区域，机电管线综合优化是机电安装工程的首要任务，在进行管线综合优化时，需遵循设计规范进行调整，同时需要考虑到建筑施工和结构安全等方面因素。采用BIM技术进行协作设计，打破了以往多学科间相对独立的设计模式，不同专业的设计者通过三维信息建模，可以更好地掌握整个工程的总体情况，从而提前协商解决。通过信息交换，可以有效防止可能发生的碰撞问题[8]。协同设计可以为今后的建筑布局提供更多的空间信息，从而增强不同专业之间的融合度，提高工作人员的设计效率，增强管道系统的科学性和合理性。

哈尔滨市某信托大厦结合BIM软件建立三维模型作为辅助设计，预先发现设计上出现的错误，真实模拟管道线路空间，掌握施工时内部管线的真实情况，有效减少了设计失误带来的人力、物力、财力损失。运用BIM技术合理地提高机电工程的安装效率和设备利用率，使本项目变更结算的费用仅占合同金额的7.5%，对比传统的管理模式，减少设计变更约35%。其地下一层建筑标高6.6 m，梁下净高5.4 m，将管线集中设置在4.4 m以上的空间，提高了整体建筑的空间利用率，使建筑内部空间得到合理的优化。

5 结论

该工程管线系统复杂，整体管道线路变化多样，包含的管道体系齐全，对整个项目的施工质量影响巨大，有较大的施工难度。本文以预防管线综合过程中的管道碰撞和管线交叉现象为出发点，进行多专业同平台之间的协同设计，增强了BIM技术在设计过程中的适用性，并且有效利用Revit等软件对建筑施工材料进行有效统计，利用BIM与应用平台限额领料，减少浪费，浇筑混凝土节约费用3.12万元，为施工精准用料提供依据。相对于传统的二维设计，BIM技术克服了传统设计中由于信息传输的复杂性而产生的设计误差，为解决管线碰撞、管线交叉、施工用料总量、施工工艺模拟等问题提供了可能，管线的综合优化使管道施工前期就基本解决了所有施工困难，大大提高了施工效率，如在安装专业施工时，管综节省265个工，约节约费用6.36万元，根据碰撞检查的结果，生成碰撞检查报告，严格按照该报告施工，在管道、套管预埋期间节省140个工，节约经费为3.36万元，为以后的施工提供了借鉴，从而达到控制工期、提高质量的目的。BIM技术在超高层建筑工程中的应用，充分展示了BIM技术的切实可行，因此，构建科学的BIM应用模式是当前研究的重点，能有效推动社会可持续化发展。