BIM技術(shù)在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

程建榮

（濰坊市政府性投資審計(jì)中心，山東 濰坊 261041）

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，BIM技術(shù)逐步應(yīng)用于高層建筑領(lǐng)域。它不僅能在建筑設(shè)計(jì)與施工階段實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化管理，更能為高層建筑的給排水設(shè)計(jì)提供全新的視角與方法。將BIM技術(shù)與現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)流程相融合，構(gòu)建一個(gè)高層建筑給排水設(shè)計(jì)的BIM模型，以此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、精細(xì)化控制施工過程以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)的智能化管理。在高層建筑給排水設(shè)計(jì)的過程中，借助BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為建筑團(tuán)隊(duì)成員提供了一個(gè)高效便捷的協(xié)作平臺(tái)，使其可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多維度評(píng)估與優(yōu)化，為高層建筑的給排水系統(tǒng)提供最佳解決方案，更好地滿足復(fù)雜建筑項(xiàng)目的需求，確保高層建筑的安全性、高效性與可持續(xù)性發(fā)展。

1 BIM技術(shù)在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可行性

BIM技術(shù)是建筑信息模型技術(shù)，在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中具有顯著的應(yīng)用潛力，可以提高設(shè)計(jì)和施工的效率，并減少潛在的施工問題。在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)的可行性主要有以下幾點(diǎn)。1）立體模型：BIM技術(shù)通過創(chuàng)建精確的三維建筑模型，為工程師提供了一個(gè)更直觀的設(shè)計(jì)視角。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，工程師根據(jù)平面圖和剖面圖理解給排水系統(tǒng)的布局，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。而BIM技術(shù)的立體模型便于工程師查看管道、設(shè)備和管線的位置和相互關(guān)系，更好地理解整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造，提前識(shí)別問題。2）協(xié)同工作：高層建筑項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)通常涉及建筑、結(jié)構(gòu)工程等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員，BIM技術(shù)提供了一個(gè)共享的工作平臺(tái)，促進(jìn)成員間的協(xié)同工作。各專業(yè)領(lǐng)域的成員可以同時(shí)在同一模型上工作，并及時(shí)共享信息和反饋，從而提前發(fā)現(xiàn)潛在的沖突，確保高層建筑給排水設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性。3）碰撞檢測(cè)：BIM軟件的碰撞檢測(cè)功能是高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要利器。它可以在設(shè)計(jì)階段自動(dòng)檢測(cè)可能存在的沖突，例如管道與結(jié)構(gòu)元素間的干涉，可以減少施工過程中的問題，避免在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行緊急修復(fù)工作，節(jié)省了時(shí)間，從而提高了整個(gè)項(xiàng)目的效率[1]。4）可視化模擬：BIM技術(shù)不僅可以建立靜態(tài)的建筑模型，還可以模擬不同排水方案的效果。工程師可以使用BIM軟件來模擬排水管的坡度、容量和水流模擬，以評(píng)估各種設(shè)計(jì)選擇的性能，有助于確定最佳設(shè)計(jì)方案，保證排水系統(tǒng)在實(shí)際使用中的高效性和可靠性。

2 BIM技術(shù)在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

2.1 信息收集

首先，通過地理信息系統(tǒng)（GIS），獲取項(xiàng)目區(qū)域的地形和地下管道信息，以決定排水系統(tǒng)的位置和路徑。通過與建筑師或建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作，共享現(xiàn)有的建筑圖紙和文檔，例如建筑平面、立面和截面圖。其次，在建筑物內(nèi)或外部安裝激光掃描儀設(shè)備，安裝位置應(yīng)易于訪問，避免將設(shè)備安裝在高處、危險(xiǎn)區(qū)域或阻礙通行的位置，以便施工人員能夠輕松地進(jìn)行設(shè)備設(shè)置和監(jiān)控掃描進(jìn)程[2]。配置激光掃描儀的掃描分辨率為5mm，掃描密度為600點(diǎn)/m2，保持掃描范圍為水平360°，垂直±90°，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和密度。將激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x、y、z）的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)記錄設(shè)備中。最后，使用Autodesk Recap軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過ICP（最近點(diǎn)迭代）算法將多個(gè)掃描位置的數(shù)據(jù)融合成一個(gè)坐標(biāo)系，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)。計(jì)算過程如公式（1）所示。

式中：T為變換矩陣；pi為參考點(diǎn)云中的點(diǎn)；qi為目標(biāo)點(diǎn)云中的點(diǎn)；d（pi，qi）為距離度量；||T·qi-pi||為經(jīng)過qi變換T后與pi間的距離。

通過最小化點(diǎn)云間的距離找到最佳的剛性變換T，使目標(biāo)點(diǎn)云qi經(jīng)過變換T后與參考點(diǎn)云pi盡可能接近，從而集成不同數(shù)據(jù)源的信息，更好地表示高層建筑物的整體結(jié)構(gòu)和形狀。使用密度濾波，調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度，在需要更詳細(xì)信息的區(qū)域增加點(diǎn)的數(shù)量或在不需要的區(qū)域減少點(diǎn)的數(shù)量，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。此外，還應(yīng)收集有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)已有管線、電纜和通信線路等基礎(chǔ)設(shè)施信息，避免潛在的沖突的同時(shí)，優(yōu)化資源利用，確保給排水系統(tǒng)能順利安裝和運(yùn)行。

2.2 創(chuàng)建BIM模型

由于高層建筑對(duì)管線綜合協(xié)調(diào)空間的要求很高，傳統(tǒng)CAD二維制圖較難滿足項(xiàng)目要求。因此，選擇Revit軟件作為BIM工具，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM項(xiàng)目中，使用Revit建模工具迅速生成創(chuàng)建高層建筑基礎(chǔ)三維模型，包括建筑結(jié)構(gòu)、外觀、屋面和幕墻等元素[3]。在基礎(chǔ)模型中添加排水管道、排水口、污水處理設(shè)備、水泵和水箱等給排水系統(tǒng)的元素，確保這些系統(tǒng)元素與建筑的結(jié)構(gòu)和空間布局相協(xié)調(diào)。BIM模型創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 BIM模型創(chuàng)建流程圖

使用Revit參數(shù)化建模功能，精細(xì)定義管道流量、水力坡度等給排水系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。為確定管道的尺寸和流量，計(jì)算水力坡度S的過程如公式（2）所示。

式中：S為水力坡度；h1和h2分別為管道的起始和結(jié)束高程；L為管道長(zhǎng)度。

水力坡度決定了水流的速度和流向，足夠的坡度可以確保水在管道中流動(dòng)，避免積水和排水問題。通過計(jì)算水力坡度，確保管道系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，防止漏水或水壓不足，從而順暢地運(yùn)輸水或廢水。使用Manning方程計(jì)算自由流條件下的管道流量，如公式（3）所示。

式中：Q為流量，s/m3；n為粗糙度系數(shù)；A為管道的橫截面積；R為水力半徑；S為水力坡度。

通過確定管道系統(tǒng)的能力，細(xì)化給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保其流量夠大，以滿足設(shè)計(jì)中的預(yù)期水流需求，自動(dòng)化高層建筑給排水設(shè)計(jì)。利用Revit關(guān)聯(lián)性功能，生成給排水管道連接件、變徑、轉(zhuǎn)彎等需要預(yù)先設(shè)置的構(gòu)建類型，將排水系統(tǒng)的元素與建筑模型的其他元素（例如樓板、墻壁）正確關(guān)聯(lián)，保證一致性。針對(duì)給排水管道專業(yè)的需求，使用Revit的規(guī)則和篩選功能，根據(jù)管道的屬性值建立顏色編碼規(guī)則，藍(lán)色為冷水供應(yīng)管道，紅色為熱水供應(yīng)管道，綠色為排水管道，黃色為特殊流體或廢水管道，從而在模型協(xié)調(diào)過程中提供更多信息[4]。此外，根據(jù)實(shí)際需求控制管道的可見性，以便在設(shè)計(jì)過程中有選擇地顯示或隱藏特定管道。生成的三維模型及點(diǎn)云數(shù)據(jù)以LAS、PLY、OBJ等格式輸出，以供建筑設(shè)計(jì)、分析、可視化或其他應(yīng)用使用。使用Revit的協(xié)同工作功能，允許多個(gè)團(tuán)隊(duì)成員同時(shí)通過Revit客戶端或Revit云端訪問中央模型，編輯和查看模型的特定部分，確保其他部分不會(huì)被同時(shí)編輯，以保證BIM模型參數(shù)的正確性。

2.3 管線避讓優(yōu)化

不同管線的重要程度、功能存在較大差異，因此管線避讓優(yōu)化是高層建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的關(guān)鍵步驟之一。在建立完整BIM模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用BIM坐標(biāo)識(shí)別可能存在沖突的水平、垂直和立面方向的潛在交叉點(diǎn)以及可能受到影響的梁、柱、墻等建筑元素。如果坐標(biāo)系不匹配，就需要執(zhí)行坐標(biāo)變換，使其轉(zhuǎn)化為相同的坐標(biāo)系，計(jì)算過程如公式（4）所示。

式中：?為新坐標(biāo)，即沖突點(diǎn)的新位置；β為舊坐標(biāo)，即管道或建筑結(jié)構(gòu)原始位置的坐標(biāo)；為平移矢量，描述坐標(biāo)移動(dòng)的方向和距離。獲取潛在交叉點(diǎn)后，借助設(shè)備重要性的定量分析以及設(shè)備可靠性的概率評(píng)估，確定管道系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，計(jì)算過程如公式（5）所示。

式中：φ為管道系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)評(píng)估分?jǐn)?shù)，用于確定管道避讓路徑；i為設(shè)備功能重要性，表示設(shè)備在給排水系統(tǒng)中的關(guān)鍵程度；q為設(shè)備在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性；W1和W2為權(quán)重因子，用于平衡設(shè)備重要性、可靠性和沖突風(fēng)險(xiǎn)在評(píng)估中的相對(duì)重要性；c為管道系統(tǒng)與其他建筑元素間的沖突程度。根據(jù)高層建筑給排水系統(tǒng)的管道特性和優(yōu)先級(jí)，精細(xì)化設(shè)定避讓策略，以確保管道能夠順利穿越或繞過其他建筑元素[5]。避讓指數(shù)ω的計(jì)算過程如公式（6）所示。

式中：Dp和Ds分別為管道和建筑結(jié)構(gòu)元素在水平方向上的寬度或直徑；Lp和Ls分別為管道和建筑結(jié)構(gòu)元素在水平方向上的長(zhǎng)度；Rp和Rs分別為管道和建筑結(jié)構(gòu)元素在垂直方向上的高度和半徑。通過綜合考慮管道和建筑結(jié)構(gòu)元素的尺寸、長(zhǎng)度和高度，確定避讓策略的具體數(shù)值，使管道能夠在與其他建筑元素的沖突中獲得足夠的空間，同時(shí)最小化對(duì)給排水系統(tǒng)的影響，從而為高層建筑的安全運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

2.4 管線碰撞測(cè)試

在高層建筑的設(shè)計(jì)和施工過程中，給排水管線的規(guī)劃和布局是至關(guān)重要的。一旦管線的設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的施工延誤、運(yùn)營(yíng)問題，甚至存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在管線設(shè)計(jì)和布局的各階段都需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。在完成管線避讓優(yōu)化后，使用沖突檢測(cè)的三維空間距離公式，獲取三維空間的物體間距離d，如公式（7）所示。

式中：x1、x2為在x軸方向上的坐標(biāo)；y1、y2為在y軸方向上的坐標(biāo)；z1、z2為在z軸方向上的坐標(biāo)。如果計(jì)算的距離d小于預(yù)先設(shè)定的容差值，就表明存在潛在的碰撞點(diǎn)。導(dǎo)航至Revit的“協(xié)作”或“查看”選項(xiàng)卡，選擇“碰撞檢測(cè)”工具，啟動(dòng)碰撞檢測(cè)工作流程。管線碰撞檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 管線碰撞檢測(cè)流程

為能可視化沖突點(diǎn)，利用Revit的自動(dòng)標(biāo)記功能，對(duì)涉及沖突的對(duì)象進(jìn)行高亮度顯示。匯總各管線的設(shè)計(jì)方案，通過重新布局管線、調(diào)整管道尺寸或者重新設(shè)計(jì)建筑元素等修正步驟，生成最終的高層建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以便施工人員及時(shí)對(duì)施工圖紙進(jìn)行修改，避免施工或運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)管道穿過梁、柱或墻體等情況，保證高層建筑的給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備高效性和可靠性。

2.5 正向設(shè)計(jì)分析

在高層建筑給排水設(shè)計(jì)中，正向設(shè)計(jì)分析是BIM技術(shù)應(yīng)用的最后一步，有助于工程師在設(shè)計(jì)初期就評(píng)估系統(tǒng)的性能，以便做出優(yōu)化和改進(jìn)。當(dāng)建立性能模擬時(shí)，邊界條件定義了系統(tǒng)的入口點(diǎn)和出口點(diǎn)，初始狀態(tài)以及外部影響[6]。在給排水系統(tǒng)的性能模擬中，基于標(biāo)準(zhǔn)條件（20°C和1kPa），定義流體的密度、黏度等屬性，用于初步設(shè)計(jì)和性能模擬。高層建筑給排水系統(tǒng)的流體（水）屬性表，見表1。

表1 高層建筑給排水系統(tǒng)的流體屬性表

確定系統(tǒng)在模擬開始時(shí)流體的初始速度、溫度和壓力分布等初始條件以及周圍環(huán)境的溫度、濕度、大氣壓力等外部邊界條件。例如，確保初始邊界條件與實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)相匹配。驗(yàn)證邊界條件的準(zhǔn)確性和一致性。如果邊界條件不準(zhǔn)確或不一致，那么模擬結(jié)果可能會(huì)失真，因此在模擬前須仔細(xì)地檢查，以支持后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為減少管道阻力損失，使用Darcy-Weisbach公式，獲取管道摩擦損失值hf，計(jì)算過程如公式（8）所示。

式中：f為摩擦系數(shù)，其取決于管道材質(zhì)和壁面粗糙度；L為管道長(zhǎng)度；D為管道直徑；V為流速；g為重力加速度。較大直徑的管道能夠降低流體速度，內(nèi)表面光滑的管道材料能夠減少摩擦，流線型的管道設(shè)計(jì)能夠減少阻力和摩擦損失。使用BIM技術(shù)，調(diào)整管道直徑、材料等參數(shù)，獲取最佳的管道尺寸和配置，最小化管道摩擦損失值hf，以提高高層建筑給排水系統(tǒng)的效率，降低能耗和運(yùn)行成本，同時(shí)確保給排水系統(tǒng)能夠滿足項(xiàng)目所需的流量和性能要求。

3 結(jié)語

綜上所述，高層建筑的給排水系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)域，要求工程師在有限的空間內(nèi)進(jìn)行最高效的水流管理，同時(shí)保證建筑的可持續(xù)性和保障安全性。BIM技術(shù)提供了三維建模、碰撞檢測(cè)以及實(shí)時(shí)協(xié)作等功能，能使工程師更好地理解和優(yōu)化建筑系統(tǒng)，不僅提高了設(shè)計(jì)的精度和可行性，還最大程度地減少了項(xiàng)目的錯(cuò)誤和避免了重復(fù)工作，節(jié)省了時(shí)間和資源。隨著BIM技術(shù)不斷發(fā)展和完善，它在建筑工程中的應(yīng)用前景將更廣闊。通過BIM技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，以期為城市和社會(huì)創(chuàng)造更安全、更高效的建筑環(huán)境。