BIM技术在建筑给排水设计与优化中的应用

陈岩

（菏泽市规划建筑设计研究院有限公司，山东菏泽274000）

1 引言

建筑给排水设计的合理性直接影响建筑供水稳定性与排水顺畅性，如果给排水管道连接处松动，将会出现漏水现象；如果管道中存在大量的弯头与过渡件，会增加水流阻力，影响供水与排水效果，排水管道易出现堵塞、管道爆裂等问题，影响建筑的功能品质与住户的居住体验。 BIM 技术具有良好的可视性、模拟性与协同性，利用BIM 技术对建筑给排水进行三维建模与可视化表达， 通过碰撞检测与错误分析自动检测出给排水管道的结构冲突与空间交错问题， 利用施工模拟功能仿真模拟建筑给排水管道的安装过程， 以便设计人员根据检测结果与模拟情况优化给排水设计， 提高建筑给排水设计的合理性与实用性[1]。

2 BIM技术在建筑给排水设计中应用的特点

2.1 参数化设计

基于BIM 技术的建筑给排水设计是在三维数字虚拟空间中对建筑给排水信息模型进行构建， 高度集成建筑给排水的几何信息、结构信息、属性信息等，利用建筑给排水三维信息模型构建给排水工程数据资源库。 设计人员可对建筑给排水三维信息模型进行信息编辑与参数调整操作， 以控制给排水三维信息模型的物理几何结构与规格属性， 三维信息模型可根据新调整的信息参数自动更新模型， 以参数化设计的理念提高建筑给排水设计的操作响应性与灵活性。

2.2 可视化设计

基于BIM 技术构建的建筑给排水三维信息模型是建筑给排水的三维仿真模拟，设计人员可通过漫游、放大、缩小、旋转等操作， 更为直观地查看建筑给排水的几何结构与设计细节。 相较于纸质版的图纸以及二维CAD 设计图而言，建筑给排水三维信息模型的直观性与可视性更优， 所集成与表达的信息内容更多，且不会因纸质材质问题而出现设计失真，也不会因表达维度问题而出现信息丢失或受损， 具有良好的实时性、直观性与信息传递完整性。 建筑给排水工程、土建工程等分部、分项的参建单位可根据可视化的三维信息模型，协同推进设计方案优化工作，提高建筑给排水设计的效率。

2.3 碰撞检测

利用BIM 技术对建筑给水管道与排水管道分别进行三维信息建模，将两类管道三维信息模型加以集成综合，利用碰撞检测与错误分析工具， 对给排水管道模型中存在的结构冲突或空间交叉部位进行自动检测与高亮显示。 设计人员可根据自动检测的报错结果对给排水管道分布、标高、结构等进行调整优化， 有效消除建筑给排水设计中的各类空间碰撞与挤压隐患。

2.4 安装模拟

安装模拟是BIM 技术在建筑给排水管道应用设计中的重要优势功能。 设计人员在设计好的建筑给排水三维设计方案中添加时间维度，形成给排水施工进度时间表，通过时间表动态模拟给排水工程施工过程， 以便建筑给排水工程设计人员与施工人员更为直观地了解工程施工过程， 在协同管理框架下优化建筑给排水工程设计方案[2]。

3 BIM技术在建筑给排水设计与优化中的具体应用

3.1 给排水参数化设计

参数化设计是BIM 技术的重要特点，其将建筑给排水工程实体映射至三维虚拟空间中，利用几何参数、属性参数构建出给排水三维模型。 在建筑给排水三维信息模型构建、模型计算、方案模拟等环节中，数据的参数化处理与应用是模型科学计算的关键，需利用空间数据库与关系型数据库，对给排水三维信息模型的空间结构数据、 规格属性数据等进行联动式管理，支持图形属性互查机制。 设计人员可选中给排水模型中某管段，查询其管段属性，包括管道直径、管道材质、管道曲率、管道联结点坐标、 管道标高等。 给排水工程参数化设计模式下，设计人员可以编辑调整给排水三维信息模型的参数，实现给排水模型优化设计。 例如，调整排水管道的管径大小，提高建筑排水能力；调整给水管道的拓扑结构，提高供水的稳定性与顺畅性；将排水管道中不必要的引流管道与管件删除，优化排水管道路径，减少排水阻力等。

3.2 给排水可视化建模

可视化特性是BIM 技术区别于CAD 设计的关键特性。传统的CAD 二维图纸以点与线作为基本元素， 管道在CAD图上表征为一条线， 管道联结点在CAD 图上表征为一个点，二维图纸缺少高程这一三维信息， 管道之间的结构冲突与空间交叉较难直观发现。 BIM 技术利用三维信息模型表达给排水管道， 可视化的三维模型可立体化展示管道的空间结构布局与拓扑关系，管道以及管道联结点不再表征为线与点，在数字虚拟空间中，仿真模拟出三维管道及其连接情况，从而使设计人员从视觉层面能够直观判断建筑给排水管道设计的合理性与实用性， 并结合参数化设计模式及时调整建筑给排水模型的相关参数。 同时，BIM 技术具有良好的自动渲染功能。 模型参数调整后，给排水三维信息模型可自动渲染刷新，实时动态显示参数调整后的设计结果， 可以极大地提高给排水设计工作的互动性与效率。

3.3 管道综合设计

建筑给排水设计涉及给水管道设计与排水管道设计，设计人员在对上述管道进行独立设计的基础上， 对给水管道与排水管道进行综合，通过碰撞检测与错误分析，自动发现管道设计不合理之处，如结构冲突、空间交叉等。 同时，给排水工程设计需与土建工程等进行综合， 再次利用碰撞检测与错误分析，自动发现给排水工程与土建工程中存在冲突之处。 设计人员可对BIM 软件平台中提示的构件冲突等不合理之处进行参数调整，有效规避土建工程与给排水工程、给排水工程内部的摩擦与碰撞，以免给排水工程在施工期间出现此类问题，影响工程施工进度。

3.4 多单位协同设计

协同设计是一种管理的组织模式， 是BIM 的核心概念。相比于以往的CAD 技术，BIM 技术的协同设计改进并完善了此特点，充分发挥了协同设计的作用效果。 在BIM 技术的协同设计中，同一个构件的元素只需要输入一次，其他不同类型的数据可以从不同的专业角度进行操作。 在应用BIM 技术之前，设计人员是用CAD 技术进行工程设计，这种方式的设计建构数据信息是独立的，各个环节信息缺少联系性，不能对构件的信息进行全面掌握了解， 在整体配合时会加大工作量或者发生一些专业事故。 在BIM 协同设计中，协同设计将各构件围绕一个模型开展工作，项目的各方面联系增强，设计人员能够对构件信息全面了解，从而减少工作量，保证设计的质量达标并提高设计的工作效率。同时，BIM 技术设计的各部分是有联系性的，在对给排水系统进行工程设计时，可以一次性完成模型的修改，减少相关设计的工作难度和工作量，并且BIM的关联性可以避免人为修改的失误和误差， 对设计进行自动修改，保证工程的质量。

3.5 数据自动统计

建筑给排水工程设计中涉及大量的统计工作， 如工程量统计、施工材料数量统计等，设计人员需根据统计结果对给排水三维信息模型进行调整优化， 以提高给排水工程设计的效率。 早期给排水设计系统中的数据表达形式为点与线，数据管理方式采用文件数据库或关系型数据库， 未采用空间数据库对数据进行管理。BIM 技术关联文件数据库、关系型数据库与空间数据库，设计人员可以通过BIM 软件平台的图属互查机制点选、圈选、框选给排水三维信息模型，然后BIM 软件平台根据选择范围快速计算出需统计的区域坐标， 梳理出选中区域内的属性信息并加以统计，数据统计速度快、准确度高，可助力建筑给排水设计效率提升。

3.6 给排水安装模拟

排水管道安装不规范、底数大、吊装面积大等问题均会影响建筑给排水工程的工期以及相关资源利用率。 施工图的编制不仅应以B1M 为基础，对施工流程进行全面展示，还应能在不同建筑阶段为技术人员做示范， 并依据论证结果制定出适用于初步设计的组装工艺，并按实际条件进行合理安装。 设计人员利用BIM 技术对给排水安装过程进行模拟，施工人员可按配套程序进行施工，避免了给排水项目的设计更改，从而节省了人力，提高了工作效率。

4 BIM技术在建筑给排水设计与应用优化中应注意的问题

4.1 信息量大

建筑给排水三维信息模型中不仅集成了建筑工程的土建、水电、暖通等分部分项信息，也全面表达了给排水工程的几何信息、属性信息，数据体量庞大。 建筑给排水设计时，参数调整与结构优化对基础软件的计算性能要求较高， 碰撞检测需要耗费大量的计算资源进行空间三维交叉检测与拓扑关系计算；施工安装模拟需要汇总并统计大量的建筑给排水信息，如管道规格属性信息、成本信息、组织设计方案等；建筑给排水管道综合设计与参数调整优化时，往往牵一发而动全身，如某排水管道标高的调整需综合考量地下水位空间分布数据、地基三维数字高程模型等[3]。 针对此类问题，设计人员应加强BIM 软件平台的硬件配置，提高各类模拟、统计分析的计算性能，支持碰撞检测、错误分析等功能的快速计算，以及建筑给排水三维信息模型更新后的快速渲染。 同时， 还应加强BIM软件平台中基础数据的录入精度，确保模型模拟、数据统计的准确性，为建筑给排水设计优化提供更加精准的参考。

4.2 协同设计难

协同设计与协同管理是BIM 技术在建筑给排水设计与优化中应用的重要优势。当前，BIM 技术协同设计包括集中式与连通式两类，其在具体应用时均面临一些问题。 由于建筑给排水设计可细分为若干类，涉及土建、给排水等不同专业，模型资源的共享效果不佳， 协同设计所需要的共享资源池与标准化设计平台缺少应用体系支持。 同时，由于BIM 技术应用成熟度不高，数据共用体制不健全，给排水三维模型与建筑工程其他模型的衔接与传递过程中仍存在诸多阻力， 影响了建筑给排水设计的协同性。

5 结语

BIM 技术在协同性、 模拟性与可视性等方面具有显著优势，其利用三维信息模型直观、可视化地表达建筑给排水工程的空间布局、内部结构、几何特征、管道属性等，为设计方案优化提供了碰撞检测、数据统计、管道综合设计、设计方案模拟等重要功能， 切实提高了建筑给水管道的设计优化效率。 但是，BIM 技术自身存在数据共用体制不健全、应用标准体系未建立、技术成熟度不高、计算性能要求高等问题。 在实际建筑给排水设计优化中， 应进一步明确BIM 技术的应用环节，加大硬件设施投入，拓展BIM 技术的应用深度，提高BIM 技术在建筑给排水设计优化中的实际价值。