李挺应
杭州博牛建筑设计咨询有限公司 浙江杭州 310012
摘要：随着科学技术的不断发展，BIM技术在建筑行业逐渐得到普及，在机电设计过程中应用BIM技术，可以促进机电设计工作水平的提升。通过应用BIM技术创建建筑、结构和机电等专业的模型，实现管线和设备的科学布设，而且还有利于及时发现其中存在的各种问题，进而采取有效措施加以改进和优化。建设项目在不增加建安成本的前提下，结合BIM技术对机电系统进行合理优化设计，规避设计缺陷，更好地实现项目的降本增效，提升项目品质。
关键词：机电设计；BIM技术应用
随着社会的不断发展和进步，建筑形式日新月异，不规则的曲面（球体、椭球体等）等建筑层出不穷，传统的设计方法很难清晰准确表达设计意图，设计过程中的微小变更就要重新审核修改图纸，牵一发而动全身，产生了很大的工作量，费时费力。对于机电设计工作来说，也需逐渐向智能化和自动化发展。机电设计仅仅满足专业规范及行业标准已远远不能满足建设方对于项目品质、图纸质量的需求。在机电设计中应用BIM技术，可以实现提高工作效率和设计质量、减少图纸错误和风险的目标，能够有效提升机电设计工作水平，在满足专业规范标准的基础上，达到建设方的品控标准，实现机电设计质的飞越。
1、BIM技术在机电设计中的应用优势
BIM是一种建筑信息模型技术，它的产生受到信息技术发展的影响，通过BIM技术的建模功能可以将机电设计过程直观反映出来，完成后的模型可以应用到具体的机电安装过程中。在机电设计工作中应用BIM技术具有以下几点优势：（1）具有可视化特点，BIM技术的应用可以让项目设计、建造以及运营工作中的各项环节内容在可视化的状态下开展，具有准确性和直观性。（2）具有便捷化优势，通过施工现场的视觉信息与BIM模型相对比，能够对工程中出现的问题进行及时察觉，有效降低了因质量问题而导致的返工现象，对设计工作效率的提高有很大帮助。（3）具有信息完备化优势，机电工程设计内容和具体设计过程过程可以通过BIM模型呈现出来，参与到机电工程的各个企业可以随时进行查询，从而让施工过程中的信息共享目标得以实现，有利于解决信息滞后的问题。
2、机电设计中BIM技术的应用及典型案例
2.1 机电模型创建
在模型搭建工作开始之前，首先要明确机电样板文件，并以此为基础进行机电模型的搭建，在具体的创建过程中可以合理应用分视图的创建方式，让不同的管道从相对应的视图中分别显示出来，然后在综合视图中开展机电管线设计工作。需要注意的是，具体的地形情况会对此项工作造成很大程度的影响，为此可以同时设计两种机电模型方案，一个是让管道采用常规的方法进行连接，而管件同时也是标准件，管道底部都可以在同一水平线上，这种机电模型具有一定的缺点，那就是可能会导致顶板倾斜的问题发生，局部的净空高度也得不到有效保障。另外，因为梁下的距离与管道不是定值，所以在管线综合设计工作过程中会产生较大的困难。另外一个方案就是对管道与顶板进行铺设，这种方案不仅可以节约梁的安装空间，同时还能让净空高度得到有效提升，而且管道与顶板的倾斜度具有一致性，但也存在一定缺陷，那就是不能使用标准件来连接消防管道和给排水管道，只能使用定制件来完成二者之间的连接。在具体的机电工程中，需要根据工程实际情况来选择合适的建模方案，确保机电模型可以最大程度满足实际工程要求。
2.2 管线碰撞检查
传统项目初步设计过程中，设计分工明确，专业之间的信息壁垒是长期存在的。建筑、结构等专业的设计工作独立进行，交流不充分常常导致设计信息不对称等问题；设计成果通常以二维图纸的形式来表现，然而二维图纸仅能够表达单一截面或局部信息，很难表现建筑的整体情况，大量的碰撞在施工阶段才暴露出来，影响工程进度及造价变化，造成经济损失。
BIM技术，对三维设计模型进行碰撞检查，提前发现碰撞问题，及时解决，避免设计错误传递到施工阶段。
具体工作方法：（1）整合建筑、结构等专业模型，利用软件自带的冲突检测功能自动检查各自专业模型及专业间的碰撞情况。再将整合模型导入Navisworks软件，通过虚拟漫游，人工核查模型内部的碰撞问题。（2）对需要修改和调整的碰撞问题，分析碰撞产生的原因和对应责任人，明确模型修改工作内容并立即执行。对暂时无法调整的碰撞，做好详细记录，明确修改的时间、负责人，并指定核查人员。（3）每次冲突检测完成后，BIM设计会出具一份碰撞检查报告，对碰撞检查的结果、碰撞处理情况及前后模型对比情况、未完成修改的原因和具体解决方案等作好记录，作为下次碰撞检查或后期模型建立的依据。
2.3 管线综合排布设计
依据初步设计模型直接创建施工图设计模型（专业包括但不限于建筑、结构、机电、钢结构、幕墙、室外总体及景观部分等）。主要施工设计图纸以三维模型剖切出图为主，二维绘图标识为辅转化生成。局部借助三维透视图和轴测图的方式表达设计，有效避免了模型和图纸不一致的情况。对于复杂、重点设计区域，按需提供用以更好辅助理解的侧视图、二维剖切视图和空间节点定位坐标，辅助完成管线综合排布图、结构预留洞图纸等，为后续设计交底、深化设计提供依据。
具体工作方法：（1）在初步设计模型的基础上，BIM设计按照BIM建模标准，以初步设计模型为基础进行深化，完成施工图设计模型，并满足施工图设计阶段模型深度要求。（2）经模型质量审核、冲突检测及管线综合后，剖切模型，在平面、立面、剖面的视图上添加关联标注，使得导出的二维视图达到施工图设计图纸深度要求，对于局部复杂空间及重点设计区域提供局部放大图、节点大样图等，成果提交建设单位。（3）根据建设单位意见调整完善各专业模型，并按照统一命名原则保存模型文件。（4）当设计发生修改时，及时进行BIM模型更新，确保模型和图纸表达保持一致。
对于项目复杂的结构空间关系，进行三维管线综合排布不仅要协调机电各个专业之间的位置排布，需要设计吊顶控制标高、设备尺寸、地沟和管沟位置等关键点问题，还要协调与建筑、结构专业的关系，协同界面非常广。同时难以避免在2D环境下，因调整管线标高所带来的“连锁反应”，往往是调整一个碰撞点又会导致另一处的碰撞，无法进行完整、全面的设计预判。
冲突检测及三维管线综合的主要目的是应用BIM软件检查施工图设计阶段的碰撞，完成建筑项目设计图纸范围内各种管线布设与建筑、结构平面布置和竖向高程相协调的三维协同设计工作，避免空间冲突，尽可能减少碰撞，避免设计错误传递到施工阶段。
依据BIM技术进行管线优化设计应遵循以下原则：
1)在非管线穿梁、碰柱、穿吊顶等必要情况下，尽量不要改动；
2)只需调整管线安装方向即可避免的碰撞，属于软碰撞，可以不修改，以减少设计人员的工作量；
3)对没有碰撞，但不满足净高要求的空间，也需要进行优化设计；
4)管线优化设计时，应预留安装、检修空间；
5)管线避让：有压管避让无压管；小管线避让大管线；考虑施工简单管避让施工复杂管；冷水管道避让热水管道；附件少的管道避让附件多的管道；临时管道避让永久管道等。
具体工作方法：（1）整合建筑、结构、幕墙、暖通、给排水、电气等专业的BIM模型，形成整合的建筑信息模型。（2）应用BIM软件的冲突检测功能，设定冲突检测的基本原则，如检测精度等，检查发现建筑信息模型中的冲突和碰撞。（3）生成并编写冲突检测及管线综合优化报告，提交建设单位确认后开始调整模型，其中一般性调整或节点的设计优化等工作由BIM设计修改优化；较大变更或涉及深化设计、施工工艺等问题时，由建设单位会同设计院协调后确定优化解决方案。逐一调整模型，尽可能消除设计错误。
交付成果：主要包括调整后的各专业模型、冲突检测报告及对应的修改优化方案、管线综合报告及优化后的模型和图纸，说明文件应记录优化的基本原则、修改前后对比说明等。文件按照统一命名原则命名，存档于BIM协同平台的指定位置。
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三维管线综合
2.4 净空优化
现阶段商业项目多为不规则空间，尤其是公共空间，配合展示功能的设备管线复杂、繁多，管线排布要求做到整齐美观，不影响展示空间的视觉效果，同时为设备检修、更换预留足够的空间，为设计工作在整体把控上提出很高要求。
应用BIM技术，能够从任意角度剖切模型，从而全面了解吊顶内部的空间使用情况，同时在虚拟环境下模拟对比不同的管线排布方案，最终选择最优方案进行实施，有效避免了现场返工，节省了施工成本。
具体工作方法：（1）利用BIM软件，对建筑最终的竖向设计空间进行检测分析，调整各专业的管线排布模型，充分利用建筑空间，在不发生碰撞的基础上最大化提升净空高度，尤其是走道、机房等区域。（2）调整后的模型经BIM顾问单位会同建设单位等相关部门审核，保证模型的准确性，管线排布整齐美观、检查维修方便。（3）净空优化设计审核通过后，不仅要提交优化后的三维模型及优化报告，对二维施工图难以直观表达的结构、构件、系统等还需提供三维模型、三维透视图和轴侧图等形式的辅助表达，为后续深化设计、施工交底提供依据。（4）交付成果按照统一命名原则命名，存档于BIM协同平台的指定位置。
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净空优化分析
2.5虚拟仿真漫游
建筑空间，各专业设计的组织与协调直接影响到后期的利用率及真实效果。通过BIM技术，在虚拟空间中规划、模拟并比选设计方案，通过虚拟仿真漫游，以第三人的视角论证建成效果，并进行可视化的设计交底，能够有效避免上述问题，辅助项目实施。建设过程中虚拟仿真漫游的主要目的是利用BIM软件模拟建筑物的三维空间，通过漫游、动画的形式提供身临其境的视觉、空间感受，及时发现不易察觉的设计缺陷或问题，减少由于事先规划不周全而造成的损失，有利于设计与管理人员对设计方案进行辅助设计与方案评审。
具体工作方法：整合各专业模型后导入漫游软件，根据建设项目实际场景的情况，对模型进行渲染，完成漫游展示模型。基于漫游展示模型，设计漫游路径，选择能够反应建筑物整体布局、主要空间布置及重要场所设定视点，制作漫游动画。同时，根据建设方的要求，在现场提供虚拟漫游展示。
交付成果：提交基于BIM三维模型的标识真实尺寸的漫游展示模型、室内外效果图、场景漫游动画等可视化成果，按照统一命名原则命名，存档于BIM协同平台的指定位置。
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虚拟仿真漫游
2.6 经典案例
2.6.1 暖通风机选型优化，提升地库净高，节约造价
本项目负一层层高3.7m，结构梁高0.8m，梁下净高2.9m，原设计做法采用单速风机风管尺寸需要设计为2000X450，安装空间0.55m（结构施工误差50mm，支架以及阀门等风管附件50mm），安装完成后车道净高为2.35m，无法满足甲方集团强条。改为采用双速风机（尺寸可设计为1600*400）后可有效降低运行费用，同时可大幅减少汽车库风管高度，考虑到附加一定的排风量，一般实际风管尺寸可设计为1800X400或2000X400，可大幅减少风管截面积和风管高度，有效节约造价，增加汽车库净高，提升品质。
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2.6.2洋房采光井雨水管埋地敷设，提升门厅前区净高
原设计地下一层洋房夹层采光井雨水管梁下安装，净高仅有2.2m，经过大堂前区，影响回家动线高度。优化后雨水管均落到地下二层敷设，或埋结构板底敷设，不影响回家动线。
原设计：
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2.6.3夹层大堂管线优化
由于建筑条件限制，大堂原设计加压送风管梁下安装后大堂净高2.0m，严重影响吊顶高度，且与门上梯梁碰撞，无法安装就位；优化后，风管尺寸及走向，同时喷淋移出大堂，风管底标高为2.4m，净高提升400mm。
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优化后：
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原设计BIM模型：
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优化后BIM模型：
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结语
总而言之，BIM技术由于自身特性在机电设计工作中可以发挥出十分重要的作用，在机电设计中合理应用BIM技术，能够有效提高机电设计工作水平和质量，确保机电设计的合理性、经济性、美观性，让设计变得更加真实、直观，让使用空间和管道位置等得到优化，各种数据信息的准确性也能得到提升。此外，BIM技术在机电设计中的应用前景十分广阔，我们应不断提升BIM技术的应用水平，从而促进机电设计事业的健康稳定发展。