BIM技术在医院项目管线综合优化中的应用

张 钰，梁华男

（河南工业大学 漯河工学院，河南 漯河 462000）

0 引言

随着经济的快速发展和社会的不断进步，对建筑机电管线的施工布置提出了更高的技术要求，传统的建筑CAD二维图纸在建筑机电管线信息表达方面有其薄弱性［1］，不能有效解决综合管线中的碰撞点，造成工期拖延、材料浪费等问题。BIM技术是以三维工程数字技术为理论基础［2］的新型多维数字模型，是工程项目管理参与方负责实施整个项目工程规划、设计、建造和项目管理的全新管理方法和技术工具［3］。医院作为功能特殊的公共建筑［4］，机电作业繁多，对机电施工提出了更高要求，设计院绘制的传统二维图纸不能很好地解决管线碰撞、综合排布等问题，导致返工、变更设计图，造成工期拖延及成本增加，因此BIM技术的应用就显得尤为重要。本项目以某医院综合楼管线的综合优化应用为例，首先建立医院的各专业管线模型；其次对全专业模型进行管线综合碰撞检测，主要解决管线与建筑结构之间、不同专业管线之间存在的冲突碰撞；最后针对发现的问题对管线进行综合优化分析及调整，输出管综深化二维图纸。

1 项目分析

1.1 项目概况

本工程项目医院综合楼由门诊楼（裙楼）和住院病房楼（主楼）两部分组成，工程等级为一级，属于框架结构，基础形式为筏板基础。总建筑面积30669.36 m2，建筑高度为56.94 m，建筑层数为地上12层地下一层，裙楼四层高度22.2 m，地下一层层高4.8 m，地上标准层层高为4.5 m，建筑总长69.4 m，宽64.8 m，分为两个防火分区。屋面防水等级为一级。工程项目总投资2亿元，施工工期550天。项目实景渲染图如图1所示。

图1 项目实景渲染图

1.2 项目建设难点

医院公共建筑结构复杂，有裙房和主楼两部分组成，包括标准化的病房区、机房、仪器室等功能区，还包括血液透析室、PICU、NICU、静脉用药调配中心这些特殊的功能区，管线种类繁多，错综复杂，工序繁琐，对机电管线的整体设计有着较高的技术要求。医院病房内主要有暖通、给排水、强弱电等专业，且主干管道大部分集中于走廊，各专业如果不及时进行综合协调，容易造成严重的管线碰撞问题，很难完全满足设计规范要求的净空高度。在管线优化排布设计中，专业管线路径改变后需及时更新建筑和结构专业的留洞图，需要保证预留洞口的准确位置；否则会产生不必要的经济损失，甚至还有可能产生安全隐患。

2 BIM应用的基本技术路线

以某医院综合楼项目的机电管线优化为研究对象，首先根据工程特点研究制订符合医院项目BIM模型建设的标准，确定BIM模型建立的项目团队，对图纸的完整性进行审查，保证各专业图纸信息的一致性；然后由土建专业和机电专业负责人创建项目样板，按照本项目的建模精度要求，运用Revit软件分别创建建筑模型、结构模型和机电专业模型。对已创建的各专业三维模型进行整合，运用BIM技术对机电管线进行排布设计，将排布后的模型进行碰撞检测，根据碰撞检测结果对每个碰撞点进行分析和调整，确保模型“零碰撞”，再进行净空高度分析、支吊架安装设置、结构洞口预留；最后运用Lumion软件进行三维可视化渲染，对综合排布管线绘制出二维图，提高净空高度，为保证施工工期提供高效可靠的数据支撑。

3 BIM技术在本项目中的具体应用

3.1 准备工作

3.1.1 施工图审查

BIM模型的创建首先由各专业负责人共同梳理图纸，沟通审查图纸的完整性。机电专业主要梳理各专业管道平面图、系统图及详图是否齐全［5］；土建专业主要梳理各层平面图，梁、柱、楼板尺寸信息图及坡道楼梯详图；给排水专业主要梳理管道、阀门、仪表、卫生器具等构件是否与设计图纸相一致。在图纸审查过程中记录图纸中的问题，及时与设计院沟通图纸不一致或不全的情况，保证在模型搭建之前各专业图纸信息的一致性。依据项目实际需要及设计特点，明确本项目实施过程中的注意事项及BIM的应用标准。

3.1.2 建立BIM应用项目样板

项目样板文件是BIM应用的标准和依据，项目样板通常包括项目基点、项目单位设置，项目相关族库、轴网、标高、填充样式设置，可见性设置，文字及尺寸标注设置，视图设置等信息［6］。Revit软件自带系统项目样板文件，但由于每个项目系统不一致，软件自带的项目样板不能满足建模要求。合适的项目样板可以减少项目后期对族库、管线、文字标注、尺寸标注的设置，提高建模的工作效率［7-9］。土建样板中包括标高、轴网和项目基点；机电项目样板中包括管道名称，管材、管件、管道及系统类型的命名与配色，创建不同专业之间的过滤器，设置视图样板的可见性和视图比例，载入设计的地漏、阀门族库文件。

3.1.3 创建BIM模型的工作模式

BIM模型的建立有中心文件链接协同、文件集成协同、文件协同三种工作模式。文件链接协同模式存在模型数据相对分散，各专业模型的调整相对独立、协作时效性差等问题［10］；文件集成协同模式只能对模型进行整合、检查，不能进行修改；中心文件协同模式是最理想的协同工作状态，各个专业的设计人员同时在一个模型文件上操作，每个专业在独立完成自己的建模工作后汇总至中心文件中，在这个过程中每个专业创建是同时进行的，每个成员也可以在中心文件中实时查看更新内容。本项目采用混合式协同，专业内采用中心文件协同工作模式，各专业之间采用文件链接协同模式进行模型整合。

3.2 模型创建

3.2.1 土建专业BIM模型的建立

BIM模型分别在建筑、结构项目样板上创建，建筑项目、结构项目样板文件中提前创建并确保项目基点、标高、轴网等信息的一致性［11］。专业负责人根据CAD图纸创建建筑模型、结构模型，建筑模型中主要包括外墙、内墙、幕墙、门、窗、楼梯、预留洞口等构件；结构模型中主要包括结构墙、梁、板、柱、基础、预留洞口等构件。在创建建筑模型、结构模型时要特别注意各构件的标高及位置、是否有局部降板、降板区域及降板高度、预留洞口尺寸及位置等，确保模型能真实且精准地反映二维图纸设计意图，是后期管线综合排布的基础。土建模型和结构模型分别如图2、图3所示。

图2 土建模型

图3 结构模型

3.2.2 机电专业BIM模型的建立

机电专业模型创建的流程与建筑模型创建基本相同，包括给排水、暖通、电气等专业［12］。机电模型是依据给排水、暖通、消防等专业的CAD图纸在机电专业项目样板上建立，给排水管道包括生活给水管道、热水管道、排水管道、室内消火栓等，在建立模型时容易出问题的是排水管道，施工图中没有标出管道距离墙体的距离；电气系统包括强电、弱电和消防三部分，强电系统使用的是电缆桥架，弱电系统使用的是槽式桥架，创建电缆桥架前将桥架各项管件接头定义好，纵向和水平电缆桥架在连接时不能自动生成垂直三通，需预先放置三通；暖通系统包括新风系统、排烟系统等，在建模时编制不同的颜色加以区分。电气模型和暖通模型分别如图4、图5所示。

图4 电气模型

图5 暖通模型

3.3 BIM技术在管线综合设计中的应用

3.3.1 机电管线排布设计

为了解决二维图纸中不可见的错漏、碰撞等问题，对已整合完成的机电系统模型进行管线综合排布，利用BIM技术的三维可视化特点制订完整合理的管线排布方案，使管线错落有致，同时为孔洞预留提供精准数据。管线综合排布的原则如下：由于排水管道多数是重力自流管，因此采用给水管避让排水管的方式，避免水管对线路侵蚀而导致事故发生；桥架避让管道、通风管道的调整较为复杂，施工难度及造价较高，通常采用桥架避让风管的方式，但若桥架尺寸过大，则可以采用风管避让桥架的方式［13］。

本项目标准层高4.5 m，梁最大尺寸为800 mm；管道最大管径为150 mm；桥架高度有150 mm和100 mm两种，风管大部分高为300 mm，局部风管高为250 mm和320 mm两种。水、电、暖管线排布设计如图6所示。

图6 水、电、暖管线排布设计

3.3.2 碰撞检查

管线碰撞分为硬碰撞、软碰撞两种。碰撞检查通常应用于给排水、暖通、电气等专业图纸中，用来防止构件与管线、管线与管线发生碰撞［14］。运用整合后的机电系统模型进行碰撞检查，在软件进行碰撞检测前先设置碰撞检测对象、碰撞类型、碰撞间距等参数，进行分层碰撞检查，根据碰撞检测报告查看每个碰撞点的ID号。本项目进行碰撞检测后对碰撞报告进行分析汇总，机电与结构的碰撞共474处，机电与机电的碰撞共258处。根据ID定位进行模型调整，先修改机电与结构之间的碰撞，再修改各机电模型之间的碰撞，修改之后单击“刷新”按钮重新检测，直至实现“零碰撞”。本项目中的喷淋管和排水管发生碰撞，管线优化调整前后的情况如图7所示。

图7 喷淋管碰撞优化前后比较

3.3.3 净高分析

在CAD施工图中未标注系统的标高，三维建模时贴梁下布置，在综合模型中走廊管线密集处可能会出现净空高度不足，所以在优化后的零碰撞模型中就需要对净高进行分析检查。

本项目结构层高4.5 m，医院工程项目建筑设计要求病房不能低于2.8 m，诊室不能低于2.6 m，结构中有部分主梁高800 mm，梁下净高3.70 m。机电管线综合排布虽不超过两层，但主梁尺寸较大，机电管线安装空间相对较小。结合项目实际，确定机电专业管线综合设计排布原则，对交叉管道进行翻弯避让，保证机电净高满足项目要求。其中，桥架布置在最上层，贴梁底敷设，水管中心高度为2.75 m，喷淋管道中心标高2.75 m。净高检查后可以重置参数再进行一次碰撞检查，以保证净高调整后的模型无碰撞点。本项目净高检测报告如图8所示。

图8 净高检测报告

3.3.4 预留洞口

项目建设之前，设计人员会根据机电专业的需求在结构位置上预留管线安装洞口，保证施工阶段预留洞口的准确性，模型创建过程中在预留洞口处放置套管，避免因洞口预留偏差引起结构墙体楼板开洞等问题，管道套管的尺寸要比管径大两级，设置完成后就自动在结构需要预留管道套管的位置生成，可以输出为套管报告。在综合优化设计之后运用BIM技术的三维可见性进行遗漏检查，及时与设计师沟通并进行洞口预留，避免后期开洞对结构墙体造成损伤。检测中设置预留洞口前后的情况如图9所示。

图9 预留洞口设置前及设置后

3.3.5 支吊架布置

在医院项目机电安装工程中，涉及专业较多，机电管线繁多，传统的支吊架安装方式达不到质量标准要求，严重影响美观且施工难度较大，因此在管线综合排布后的支吊架布置是必不可少的。施工前确定支吊架布置方案，确定支吊架的种类和数量；支吊架布置时注意系统保温层的厚度，水管应考虑管道坡度；在软件中对管道材质进行设置，选择需要进行综合支吊架布置的位置。图10为槽钢双层吊架，在三维可视化中能核查支吊架布置的准确性，支吊架的设置能使机电安装效果美观，增加公共区域净空间。

3.3.6 可视化交底

本项目通过BIM模型导入到Lumion软件中进行三维渲染，通过三维渲染展示建筑外观效果、进行场地及建筑优化，同时模拟人物以正常速度行走于医院内部，查看机电管线排布情况、人员通行状况，及时完善设计方案。管线三维可视化渲染效果如图11所示。构建完整的手术室BIM模型，对手术室布置方案进行优化，根据医师意见对手术室布局及设备选型方案进行优化。手术室三维可视化渲染效果如图12所示。

图11 管线三维可视化渲染

图12 手术室三维可视化渲染

3.3.7 机电管线综合出图

机电模型创建、机电管线综合优化调整、预留洞口、支吊架布置等工作完成之后，还要将优化好的模型进行二维施工图纸输出，可以直接将模型输出为DWG格式的CAD图纸［15］。BIM出图包含综合平面图、管综平面图、预留洞施工图、剖面图和轴测图等，在管线综合排布较为复杂处设立剖面，剖面图能清楚地展示管道标高；在管线避让较多处设立轴测图，结合平面图全面表达管线走向，是BIM技术的三维交底的基础。管综深化效果和二维出图分别如图13所示。

图13 管综深化效果图

4 结语

机电管线优化设计是医院设计中的重要环节，各专业负责人应通过CAD施工图了解整个医院项目的概况，运用BIM技术构建医院综合楼多专业三维模型，根据管线排布的原则对水电暖系统排布进行优化设计，利用排布后的模型进行碰撞检查和净高分析，根据碰撞检测报告中构件的具体位置进行模型调整，实现模型“零碰撞”，避免后期返工造成工期延误。运用软件进行预留洞口和支吊架的布置，避免施工中对结构二次开洞。通过BIM模型结合Lumion三维渲染视频进行可视化交底，将优化好的模型进行二维施工图纸输出，有效减少返工率，节约项目成本，提高建筑施工效率。