BIM技術(shù)在醫(yī)院項(xiàng)目管線綜合優(yōu)化中的應(yīng)用

張 鈺，梁華男

（河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院，河南 漯河 462000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，對建筑機(jī)電管線的施工布置提出了更高的技術(shù)要求，傳統(tǒng)的建筑CAD二維圖紙?jiān)诮ㄖC(jī)電管線信息表達(dá)方面有其薄弱性［1］，不能有效解決綜合管線中的碰撞點(diǎn)，造成工期拖延、材料浪費(fèi)等問題。BIM技術(shù)是以三維工程數(shù)字技術(shù)為理論基礎(chǔ)［2］的新型多維數(shù)字模型，是工程項(xiàng)目管理參與方負(fù)責(zé)實(shí)施整個(gè)項(xiàng)目工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和項(xiàng)目管理的全新管理方法和技術(shù)工具［3］。醫(yī)院作為功能特殊的公共建筑［4］，機(jī)電作業(yè)繁多，對機(jī)電施工提出了更高要求，設(shè)計(jì)院繪制的傳統(tǒng)二維圖紙不能很好地解決管線碰撞、綜合排布等問題，導(dǎo)致返工、變更設(shè)計(jì)圖，造成工期拖延及成本增加，因此BIM技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要。本項(xiàng)目以某醫(yī)院綜合樓管線的綜合優(yōu)化應(yīng)用為例，首先建立醫(yī)院的各專業(yè)管線模型；其次對全專業(yè)模型進(jìn)行管線綜合碰撞檢測，主要解決管線與建筑結(jié)構(gòu)之間、不同專業(yè)管線之間存在的沖突碰撞；最后針對發(fā)現(xiàn)的問題對管線進(jìn)行綜合優(yōu)化分析及調(diào)整，輸出管綜深化二維圖紙。

1 項(xiàng)目分析

1.1 項(xiàng)目概況

本工程項(xiàng)目醫(yī)院綜合樓由門診樓（裙樓）和住院病房樓（主樓）兩部分組成，工程等級為一級，屬于框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。總建筑面積30669.36 m2，建筑高度為56.94 m，建筑層數(shù)為地上12層地下一層，裙樓四層高度22.2 m，地下一層層高4.8 m，地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m，建筑總長69.4 m，寬64.8 m，分為兩個(gè)防火分區(qū)。屋面防水等級為一級。工程項(xiàng)目總投資2億元，施工工期550天。項(xiàng)目實(shí)景渲染圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景渲染圖

1.2 項(xiàng)目建設(shè)難點(diǎn)

醫(yī)院公共建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有裙房和主樓兩部分組成，包括標(biāo)準(zhǔn)化的病房區(qū)、機(jī)房、儀器室等功能區(qū)，還包括血液透析室、PICU、NICU、靜脈用藥調(diào)配中心這些特殊的功能區(qū)，管線種類繁多，錯(cuò)綜復(fù)雜，工序繁瑣，對機(jī)電管線的整體設(shè)計(jì)有著較高的技術(shù)要求。醫(yī)院病房內(nèi)主要有暖通、給排水、強(qiáng)弱電等專業(yè)，且主干管道大部分集中于走廊，各專業(yè)如果不及時(shí)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，容易造成嚴(yán)重的管線碰撞問題，很難完全滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的凈空高度。在管線優(yōu)化排布設(shè)計(jì)中，專業(yè)管線路徑改變后需及時(shí)更新建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的留洞圖，需要保證預(yù)留洞口的準(zhǔn)確位置；否則會產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還有可能產(chǎn)生安全隱患。

2 BIM應(yīng)用的基本技術(shù)路線

以某醫(yī)院綜合樓項(xiàng)目的機(jī)電管線優(yōu)化為研究對象，首先根據(jù)工程特點(diǎn)研究制訂符合醫(yī)院項(xiàng)目BIM模型建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，確定BIM模型建立的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，對圖紙的完整性進(jìn)行審查，保證各專業(yè)圖紙信息的一致性；然后由土建專業(yè)和機(jī)電專業(yè)負(fù)責(zé)人創(chuàng)建項(xiàng)目樣板，按照本項(xiàng)目的建模精度要求，運(yùn)用Revit軟件分別創(chuàng)建建筑模型、結(jié)構(gòu)模型和機(jī)電專業(yè)模型。對已創(chuàng)建的各專業(yè)三維模型進(jìn)行整合，運(yùn)用BIM技術(shù)對機(jī)電管線進(jìn)行排布設(shè)計(jì)，將排布后的模型進(jìn)行碰撞檢測，根據(jù)碰撞檢測結(jié)果對每個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析和調(diào)整，確保模型“零碰撞”，再進(jìn)行凈空高度分析、支吊架安裝設(shè)置、結(jié)構(gòu)洞口預(yù)留；最后運(yùn)用Lumion軟件進(jìn)行三維可視化渲染，對綜合排布管線繪制出二維圖，提高凈空高度，為保證施工工期提供高效可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3 BIM技術(shù)在本項(xiàng)目中的具體應(yīng)用

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 施工圖審查

BIM模型的創(chuàng)建首先由各專業(yè)負(fù)責(zé)人共同梳理圖紙，溝通審查圖紙的完整性。機(jī)電專業(yè)主要梳理各專業(yè)管道平面圖、系統(tǒng)圖及詳圖是否齊全［5］；土建專業(yè)主要梳理各層平面圖，梁、柱、樓板尺寸信息圖及坡道樓梯詳圖；給排水專業(yè)主要梳理管道、閥門、儀表、衛(wèi)生器具等構(gòu)件是否與設(shè)計(jì)圖紙相一致。在圖紙審查過程中記錄圖紙中的問題，及時(shí)與設(shè)計(jì)院溝通圖紙不一致或不全的情況，保證在模型搭建之前各專業(yè)圖紙信息的一致性。依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，明確本項(xiàng)目實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)及BIM的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 建立BIM應(yīng)用項(xiàng)目樣板

項(xiàng)目樣板文件是BIM應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，項(xiàng)目樣板通常包括項(xiàng)目基點(diǎn)、項(xiàng)目單位設(shè)置，項(xiàng)目相關(guān)族庫、軸網(wǎng)、標(biāo)高、填充樣式設(shè)置，可見性設(shè)置，文字及尺寸標(biāo)注設(shè)置，視圖設(shè)置等信息［6］。Revit軟件自帶系統(tǒng)項(xiàng)目樣板文件，但由于每個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)不一致，軟件自帶的項(xiàng)目樣板不能滿足建模要求。合適的項(xiàng)目樣板可以減少項(xiàng)目后期對族庫、管線、文字標(biāo)注、尺寸標(biāo)注的設(shè)置，提高建模的工作效率［7-9］。土建樣板中包括標(biāo)高、軸網(wǎng)和項(xiàng)目基點(diǎn)；機(jī)電項(xiàng)目樣板中包括管道名稱，管材、管件、管道及系統(tǒng)類型的命名與配色，創(chuàng)建不同專業(yè)之間的過濾器，設(shè)置視圖樣板的可見性和視圖比例，載入設(shè)計(jì)的地漏、閥門族庫文件。

3.1.3 創(chuàng)建BIM模型的工作模式

BIM模型的建立有中心文件鏈接協(xié)同、文件集成協(xié)同、文件協(xié)同三種工作模式。文件鏈接協(xié)同模式存在模型數(shù)據(jù)相對分散，各專業(yè)模型的調(diào)整相對獨(dú)立、協(xié)作時(shí)效性差等問題［10］；文件集成協(xié)同模式只能對模型進(jìn)行整合、檢查，不能進(jìn)行修改；中心文件協(xié)同模式是最理想的協(xié)同工作狀態(tài)，各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員同時(shí)在一個(gè)模型文件上操作，每個(gè)專業(yè)在獨(dú)立完成自己的建模工作后匯總至中心文件中，在這個(gè)過程中每個(gè)專業(yè)創(chuàng)建是同時(shí)進(jìn)行的，每個(gè)成員也可以在中心文件中實(shí)時(shí)查看更新內(nèi)容。本項(xiàng)目采用混合式協(xié)同，專業(yè)內(nèi)采用中心文件協(xié)同工作模式，各專業(yè)之間采用文件鏈接協(xié)同模式進(jìn)行模型整合。

3.2 模型創(chuàng)建

3.2.1 土建專業(yè)BIM模型的建立

BIM模型分別在建筑、結(jié)構(gòu)項(xiàng)目樣板上創(chuàng)建，建筑項(xiàng)目、結(jié)構(gòu)項(xiàng)目樣板文件中提前創(chuàng)建并確保項(xiàng)目基點(diǎn)、標(biāo)高、軸網(wǎng)等信息的一致性［11］。專業(yè)負(fù)責(zé)人根據(jù)CAD圖紙創(chuàng)建建筑模型、結(jié)構(gòu)模型，建筑模型中主要包括外墻、內(nèi)墻、幕墻、門、窗、樓梯、預(yù)留洞口等構(gòu)件；結(jié)構(gòu)模型中主要包括結(jié)構(gòu)墻、梁、板、柱、基礎(chǔ)、預(yù)留洞口等構(gòu)件。在創(chuàng)建建筑模型、結(jié)構(gòu)模型時(shí)要特別注意各構(gòu)件的標(biāo)高及位置、是否有局部降板、降板區(qū)域及降板高度、預(yù)留洞口尺寸及位置等，確保模型能真實(shí)且精準(zhǔn)地反映二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)意圖，是后期管線綜合排布的基礎(chǔ)。土建模型和結(jié)構(gòu)模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 土建模型

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3.2.2 機(jī)電專業(yè)BIM模型的建立

機(jī)電專業(yè)模型創(chuàng)建的流程與建筑模型創(chuàng)建基本相同，包括給排水、暖通、電氣等專業(yè)［12］。機(jī)電模型是依據(jù)給排水、暖通、消防等專業(yè)的CAD圖紙?jiān)跈C(jī)電專業(yè)項(xiàng)目樣板上建立，給排水管道包括生活給水管道、熱水管道、排水管道、室內(nèi)消火栓等，在建立模型時(shí)容易出問題的是排水管道，施工圖中沒有標(biāo)出管道距離墻體的距離；電氣系統(tǒng)包括強(qiáng)電、弱電和消防三部分，強(qiáng)電系統(tǒng)使用的是電纜橋架，弱電系統(tǒng)使用的是槽式橋架，創(chuàng)建電纜橋架前將橋架各項(xiàng)管件接頭定義好，縱向和水平電纜橋架在連接時(shí)不能自動生成垂直三通，需預(yù)先放置三通；暖通系統(tǒng)包括新風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等，在建模時(shí)編制不同的顏色加以區(qū)分。電氣模型和暖通模型分別如圖4、圖5所示。

圖4 電氣模型

圖5 暖通模型

3.3 BIM技術(shù)在管線綜合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.3.1 機(jī)電管線排布設(shè)計(jì)

為了解決二維圖紙中不可見的錯(cuò)漏、碰撞等問題，對已整合完成的機(jī)電系統(tǒng)模型進(jìn)行管線綜合排布，利用BIM技術(shù)的三維可視化特點(diǎn)制訂完整合理的管線排布方案，使管線錯(cuò)落有致，同時(shí)為孔洞預(yù)留提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。管線綜合排布的原則如下：由于排水管道多數(shù)是重力自流管，因此采用給水管避讓排水管的方式，避免水管對線路侵蝕而導(dǎo)致事故發(fā)生；橋架避讓管道、通風(fēng)管道的調(diào)整較為復(fù)雜，施工難度及造價(jià)較高，通常采用橋架避讓風(fēng)管的方式，但若橋架尺寸過大，則可以采用風(fēng)管避讓橋架的方式［13］。

本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層高4.5 m，梁最大尺寸為800 mm；管道最大管徑為150 mm；橋架高度有150 mm和100 mm兩種，風(fēng)管大部分高為300 mm，局部風(fēng)管高為250 mm和320 mm兩種。水、電、暖管線排布設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 水、電、暖管線排布設(shè)計(jì)

3.3.2 碰撞檢查

管線碰撞分為硬碰撞、軟碰撞兩種。碰撞檢查通常應(yīng)用于給排水、暖通、電氣等專業(yè)圖紙中，用來防止構(gòu)件與管線、管線與管線發(fā)生碰撞［14］。運(yùn)用整合后的機(jī)電系統(tǒng)模型進(jìn)行碰撞檢查，在軟件進(jìn)行碰撞檢測前先設(shè)置碰撞檢測對象、碰撞類型、碰撞間距等參數(shù)，進(jìn)行分層碰撞檢查，根據(jù)碰撞檢測報(bào)告查看每個(gè)碰撞點(diǎn)的ID號。本項(xiàng)目進(jìn)行碰撞檢測后對碰撞報(bào)告進(jìn)行分析匯總，機(jī)電與結(jié)構(gòu)的碰撞共474處，機(jī)電與機(jī)電的碰撞共258處。根據(jù)ID定位進(jìn)行模型調(diào)整，先修改機(jī)電與結(jié)構(gòu)之間的碰撞，再修改各機(jī)電模型之間的碰撞，修改之后單擊“刷新”按鈕重新檢測，直至實(shí)現(xiàn)“零碰撞”。本項(xiàng)目中的噴淋管和排水管發(fā)生碰撞，管線優(yōu)化調(diào)整前后的情況如圖7所示。

圖7 噴淋管碰撞優(yōu)化前后比較

3.3.3 凈高分析

在CAD施工圖中未標(biāo)注系統(tǒng)的標(biāo)高，三維建模時(shí)貼梁下布置，在綜合模型中走廊管線密集處可能會出現(xiàn)凈空高度不足，所以在優(yōu)化后的零碰撞模型中就需要對凈高進(jìn)行分析檢查。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)層高4.5 m，醫(yī)院工程項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)要求病房不能低于2.8 m，診室不能低于2.6 m，結(jié)構(gòu)中有部分主梁高800 mm，梁下凈高3.70 m。機(jī)電管線綜合排布雖不超過兩層，但主梁尺寸較大，機(jī)電管線安裝空間相對較小。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，確定機(jī)電專業(yè)管線綜合設(shè)計(jì)排布原則，對交叉管道進(jìn)行翻彎避讓，保證機(jī)電凈高滿足項(xiàng)目要求。其中，橋架布置在最上層，貼梁底敷設(shè)，水管中心高度為2.75 m，噴淋管道中心標(biāo)高2.75 m。凈高檢查后可以重置參數(shù)再進(jìn)行一次碰撞檢查，以保證凈高調(diào)整后的模型無碰撞點(diǎn)。本項(xiàng)目凈高檢測報(bào)告如圖8所示。

圖8 凈高檢測報(bào)告

3.3.4 預(yù)留洞口

項(xiàng)目建設(shè)之前，設(shè)計(jì)人員會根據(jù)機(jī)電專業(yè)的需求在結(jié)構(gòu)位置上預(yù)留管線安裝洞口，保證施工階段預(yù)留洞口的準(zhǔn)確性，模型創(chuàng)建過程中在預(yù)留洞口處放置套管，避免因洞口預(yù)留偏差引起結(jié)構(gòu)墻體樓板開洞等問題，管道套管的尺寸要比管徑大兩級，設(shè)置完成后就自動在結(jié)構(gòu)需要預(yù)留管道套管的位置生成，可以輸出為套管報(bào)告。在綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)之后運(yùn)用BIM技術(shù)的三維可見性進(jìn)行遺漏檢查，及時(shí)與設(shè)計(jì)師溝通并進(jìn)行洞口預(yù)留，避免后期開洞對結(jié)構(gòu)墻體造成損傷。檢測中設(shè)置預(yù)留洞口前后的情況如圖9所示。

圖9 預(yù)留洞口設(shè)置前及設(shè)置后

3.3.5 支吊架布置

在醫(yī)院項(xiàng)目機(jī)電安裝工程中，涉及專業(yè)較多，機(jī)電管線繁多，傳統(tǒng)的支吊架安裝方式達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)重影響美觀且施工難度較大，因此在管線綜合排布后的支吊架布置是必不可少的。施工前確定支吊架布置方案，確定支吊架的種類和數(shù)量；支吊架布置時(shí)注意系統(tǒng)保溫層的厚度，水管應(yīng)考慮管道坡度；在軟件中對管道材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，選擇需要進(jìn)行綜合支吊架布置的位置。圖10為槽鋼雙層吊架，在三維可視化中能核查支吊架布置的準(zhǔn)確性，支吊架的設(shè)置能使機(jī)電安裝效果美觀，增加公共區(qū)域凈空間。

3.3.6 可視化交底

本項(xiàng)目通過BIM模型導(dǎo)入到Lumion軟件中進(jìn)行三維渲染，通過三維渲染展示建筑外觀效果、進(jìn)行場地及建筑優(yōu)化，同時(shí)模擬人物以正常速度行走于醫(yī)院內(nèi)部，查看機(jī)電管線排布情況、人員通行狀況，及時(shí)完善設(shè)計(jì)方案。管線三維可視化渲染效果如圖11所示。構(gòu)建完整的手術(shù)室BIM模型，對手術(shù)室布置方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)醫(yī)師意見對手術(shù)室布局及設(shè)備選型方案進(jìn)行優(yōu)化。手術(shù)室三維可視化渲染效果如圖12所示。

圖11 管線三維可視化渲染

圖12 手術(shù)室三維可視化渲染

3.3.7 機(jī)電管線綜合出圖

機(jī)電模型創(chuàng)建、機(jī)電管線綜合優(yōu)化調(diào)整、預(yù)留洞口、支吊架布置等工作完成之后，還要將優(yōu)化好的模型進(jìn)行二維施工圖紙輸出，可以直接將模型輸出為DWG格式的CAD圖紙［15］。BIM出圖包含綜合平面圖、管綜平面圖、預(yù)留洞施工圖、剖面圖和軸測圖等，在管線綜合排布較為復(fù)雜處設(shè)立剖面，剖面圖能清楚地展示管道標(biāo)高；在管線避讓較多處設(shè)立軸測圖，結(jié)合平面圖全面表達(dá)管線走向，是BIM技術(shù)的三維交底的基礎(chǔ)。管綜深化效果和二維出圖分別如圖13所示。

圖13 管綜深化效果圖

4 結(jié)語

機(jī)電管線優(yōu)化設(shè)計(jì)是醫(yī)院設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，各專業(yè)負(fù)責(zé)人應(yīng)通過CAD施工圖了解整個(gè)醫(yī)院項(xiàng)目的概況，運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建醫(yī)院綜合樓多專業(yè)三維模型，根據(jù)管線排布的原則對水電暖系統(tǒng)排布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用排布后的模型進(jìn)行碰撞檢查和凈高分析，根據(jù)碰撞檢測報(bào)告中構(gòu)件的具體位置進(jìn)行模型調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模型“零碰撞”，避免后期返工造成工期延誤。運(yùn)用軟件進(jìn)行預(yù)留洞口和支吊架的布置，避免施工中對結(jié)構(gòu)二次開洞。通過BIM模型結(jié)合Lumion三維渲染視頻進(jìn)行可視化交底，將優(yōu)化好的模型進(jìn)行二維施工圖紙輸出，有效減少返工率，節(jié)約項(xiàng)目成本，提高建筑施工效率。