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基于BIM技术实现建筑设备管线的协调
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内容提示：现代建筑空间日趋复杂,功能要求不断提升,如何协调设备管道之间以及管道与建筑、结构之间的排布,一直困扰着设计师。传统叠放图纸检测碰撞的方法投入极大,又容易存在疏漏。随着建筑信息化模型(Building Information Modeling,BIM)技术的发展,这一过程可以依靠计算机程序完成。这种方法可以在设计阶段高效地协调设备管线,极大地降低施工过程中因设计不当造成返工的可能性。
延伸阅读：BIM Navisworks 建筑信息化模型 碰撞检查 管线协调
0 引言
暖通、电气和给排水系统是建筑的重要组成部分，其功能是维持舒适的室内环境、配送电力、实现通信以及提供水源和排除废弃物，因此被形象地比喻为赋予建筑物生命的系统。设备管线协调是指在建筑围护结构的限制条件下合理安置设备以及排布管线，这项工作直接影响到建筑空间的合理利用与内部功能的正常运行。随着使用者需求的不断提高，建筑物的功能也在不断丰富，例如消防系统、自动控制系统和安防系统等，日趋庞大的设备管线系统给协调工作带来了巨大的挑战。另一方面，暖通、电气和给排水系统的设计是由不同专业单独完成的，专业间缺少信息沟通也将阻碍协调工作的顺利进行。（参考《建筑中文网》）
传统协调设备管线的方法是在各个专业完成设计图纸后召开专门的协调会议，把不同专业的平面设计印在透明的图纸上，然后叠放在一张发光的桌子上相互比较，各专业的协调优先级从高到低依次是暖通、给排水、消防、强电和弱电系统，优先级低的系统要给高的系统让步。这种靠纯人工参与的做法极其耗时，往往要经过多次专门的协调会议才能通过；另外系统的复杂度与规模以及工作人员的能力制约着碰撞检测的全面性，容易造成疏漏。由于设计不当而引起的返工不但会大幅提高成本，还会延长施工周期，因此如何高效地协调设备管线受到了广大研究人员的关注。
针对以上问题，本文提出了基于建筑信息化模型的设备管线协调解决方案：首先利用BIM设计平台分别构建建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的信息化模型，然后将各专业模型整合到一起构成完整的建筑模型，再将整体模型导入计算机分析工具中检测碰撞冲突的类型及位置并生成报告。这种方法可以大大提高设备管线协调效率，缩短周期，在设计阶段保障施工过程的顺利进行。本文将对BIM技术做详细介绍，并结合Revit模型设计平台与Navisworks分析工具详细阐述新型管线协调方案的实现过程。
1 基于BIM技术的设备管线模型
1．1 BIM技术概述
BIM的概念最早被提出是在20世纪80年代，是信息化技术与数字化技术结合的必然产物。BIM技术旨在实现建筑（组成与功能）全部信息的数字化表达，组建一个丰富的建筑信息数据库，在整个建筑生命周期内为所有参与者提供决策支持。
BIM技术摒弃了传统计算机辅助建筑设计（Computer Aided ArchitectureDesign，CAAD）用点、线、面等简单几何图形象征某一构件的理念，而采用面向对象的数据表达形式来描述建筑的每一个组成部分。例如，建筑师不再用两条平行的线段表示墙体，而是在设计工具中创建一个墙体类的实例，每个实例都有它的属性，包括位置、尺寸、组成和材料等等。这样的模型承载的信息比起点、线、面集合在一起的平面图要更加丰富，更适合计算机识别与处理。模型一旦创建完成，其数据可以得到重复利用，在整个建筑生命周期内以及不同专业间相同信息无需重复录入。如图1所示，建筑活动参与者不但可以方便快捷地读取需要的信息，当任何一方将部分信息修改后，其他各方将自动更新修改内容。
BIM技术的推广离不开软件开发商的支持，当前知名的开发平台有Au-todesk公司的Revit，Graphisoft公司的ArchiCAD和Bentley公司的Microsta-tion。Revit平台分为Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三个子平台，分别面向建筑、结构和设备建模。三者采用相同的数据组织形式，支持不同专业模型整合到一起。暖通、给排水和电气专业可以利用Revit MEP分别创建本专业的模型，然后合为一处获得完整的设计方案。此外Revit平台提供应用程序编程接口（Application Program-ming Interface，API），支持C＃．NET和VB．NET语言对其进行功能扩展。
1．2 设备管道信息模型的创建
统一的数据表达与交换标准是BIM技术的核心，它使利用计算机来完成各个专业间的协调成为可能。上文介绍过专业间协调的传统方法费时费力，而且无法保证质量。BIM技术可以将不同专业的信息模型整合到一起，从整体把握专业间的协作情况，更重要的是计算机的参与将大大缩短此项工作的周期，提高设计质量。
本文利用Autodesk公司的Revit平台分别创建了建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的BIM模型，然后根据事前约定的统一参考点把各个专业的模型链接在一起，获得完整的建筑模型。图2展示了不同专业模型整合后的效果。
2 碰撞检查工程应用
2．1 Navisworks概述
Navisworks软件是Autodesk公司收购的一款三维模拟软件，经过数据接口扩展后可以读取Revit平台创建的模型数据，并能针对模型提供多种仿真与分析功能。该软件分为7个功能模块，其中碰撞冲突检测（Clash Detective）模块能够识别建筑实体与管道实体以及管道实体相互之间的冲突问题。
2．2 碰撞检测
2．2．1 碰撞类型
硬碰撞（Hard Clash）：实体在空间上存在交集（见图3）。这种碰撞类型在设计阶段极为常见，特别是在各专业间没有统一标高的情况下，发生在结构梁、空调管道和给排水管道三者之间。间隙碰撞（Space Clash）：实体1与实体2在空间上并不存在交集，但两者之间的距离d比设定的公差T小时即被认定为碰撞。如图4所示，T＜d，因而实体1与实体2并没有发生碰撞。该类型碰撞检测主要出于安全考虑，例如水暖管道与电气专业的桥架、母排有最小间距要求，可以根据专业之间设定的最小间距要求，检查最小间距是否满足设计要求，也可以同时检查管道设备是否遮挡墙上安装的插座、开关等。
2．2．2 单专业碰撞检查
单专业综合碰撞检查相对简单，只在单一专业内查找碰撞，设计者将某一专业模型导入Navisworks，直接进行分析即可。如图5所示，紫色标记的排水管道与另外一根红色标记的管道发生碰撞。
2．2．3 多专业的综合碰撞检查
多专业综合碰撞包括暖通、给排水、电气设备管道之间以及与结构、建筑之间的碰撞，为实现准确快速的分析应注意以下两点。首先一栋建筑物内部的管道实体数量庞大，排布错综复杂，如果一次全部进行碰撞检测，计算机运行速度和显示都非常慢，为达到较高的显示速度和清晰度的目的，在完成功能的前提下，应尽量减少显示实体的数量，一般以楼层为单位。另一方面考虑到专业画图习惯，还要能同时检查相邻楼层之间的管道设备，例如空调设备管道通常在本层表示，而给排水专业在本层表示的许多排水管道其物理位置在下一层。图6所示黄色标记的空调给风管道与灰色的结构梁发生碰撞。
2．2．4 碰撞分析报告
碰撞检测的目的是寻找碰撞点，根据碰撞信息修改设计。计算机可以将所有符合碰撞条件的碰撞点查找出来，生成碰撞点列表（见图7）。每条碰撞点信息包括碰撞类型，碰撞深度，双击碰撞点链接可以查看碰撞的具体三维情况（图8）。通过查看报告，设计人员可以轻松快捷地找出设计中的疏漏，及时调整方案。
需要注意的是，在检查碰撞时计算机有时会把设备之间的连接误判为碰撞。由于计算机本身还无法判断碰撞真假，设计者需要人为去判断。相比传统方法，这项工作更加高效轻松。
2．3 基于BIM管线协调方案
基于BIM的管线碰撞检测实现方案（见图9），首先分别构建建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的信息化模型，然后将各专业模型整合到一起构成完整的建筑模型，再将整体模型导入计算机分析工具中检测碰撞冲突的类型及位置并生成报告，由于碰撞检测过程中可能有误判的可能，所以需要人为对报告进行审核，进而得出修改意见。
3 结语
笔者提出了基于BIM技术的设备管线协调方案，可以有效地提高建筑不同专业间的协作水平，减少设计过程中的失误。与传统方法相比大大提高了工作效率，但仍旧存在很大一块工作需要人工参与，即核对碰撞报告。解决此问题需要进一步研究如何细化建筑中的碰撞类型，增加碰撞的判断条件，提高计算机处理问题的智能水平。
暖通、电气和给排水系统是建筑的重要组成部分，其功能是维持舒适的室内环境、配送电力、实现通信以及提供水源和排除废弃物，因此被形象地比喻为赋予建筑物生命的系统。设备管线协调是指在建筑围护结构的限制条件下合理安置设备以及排布管线，这项工作直接影响到建筑空间的合理利用与内部功能的正常运行。随着使用者需求的不断提高，建筑物的功能也在不断丰富，例如消防系统、自动控制系统和安防系统等，日趋庞大的设备管线系统给协调工作带来了巨大的挑战。另一方面，暖通、电气和给排水系统的设计是由不同专业单独完成的，专业间缺少信息沟通也将阻碍协调工作的顺利进行。（参考《建筑中文网》）
传统协调设备管线的方法是在各个专业完成设计图纸后召开专门的协调会议，把不同专业的平面设计印在透明的图纸上，然后叠放在一张发光的桌子上相互比较，各专业的协调优先级从高到低依次是暖通、给排水、消防、强电和弱电系统，优先级低的系统要给高的系统让步。这种靠纯人工参与的做法极其耗时，往往要经过多次专门的协调会议才能通过；另外系统的复杂度与规模以及工作人员的能力制约着碰撞检测的全面性，容易造成疏漏。由于设计不当而引起的返工不但会大幅提高成本，还会延长施工周期，因此如何高效地协调设备管线受到了广大研究人员的关注。
针对以上问题，本文提出了基于建筑信息化模型的设备管线协调解决方案：首先利用BIM设计平台分别构建建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的信息化模型，然后将各专业模型整合到一起构成完整的建筑模型，再将整体模型导入计算机分析工具中检测碰撞冲突的类型及位置并生成报告。这种方法可以大大提高设备管线协调效率，缩短周期，在设计阶段保障施工过程的顺利进行。本文将对BIM技术做详细介绍，并结合Revit模型设计平台与Navisworks分析工具详细阐述新型管线协调方案的实现过程。
1 基于BIM技术的设备管线模型
1．1 BIM技术概述
BIM的概念最早被提出是在20世纪80年代，是信息化技术与数字化技术结合的必然产物。BIM技术旨在实现建筑（组成与功能）全部信息的数字化表达，组建一个丰富的建筑信息数据库，在整个建筑生命周期内为所有参与者提供决策支持。
BIM技术摒弃了传统计算机辅助建筑设计（Computer Aided ArchitectureDesign，CAAD）用点、线、面等简单几何图形象征某一构件的理念，而采用面向对象的数据表达形式来描述建筑的每一个组成部分。例如，建筑师不再用两条平行的线段表示墙体，而是在设计工具中创建一个墙体类的实例，每个实例都有它的属性，包括位置、尺寸、组成和材料等等。这样的模型承载的信息比起点、线、面集合在一起的平面图要更加丰富，更适合计算机识别与处理。模型一旦创建完成，其数据可以得到重复利用，在整个建筑生命周期内以及不同专业间相同信息无需重复录入。如图1所示，建筑活动参与者不但可以方便快捷地读取需要的信息，当任何一方将部分信息修改后，其他各方将自动更新修改内容。
BIM技术的推广离不开软件开发商的支持，当前知名的开发平台有Au-todesk公司的Revit，Graphisoft公司的ArchiCAD和Bentley公司的Microsta-tion。Revit平台分为Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三个子平台，分别面向建筑、结构和设备建模。三者采用相同的数据组织形式，支持不同专业模型整合到一起。暖通、给排水和电气专业可以利用Revit MEP分别创建本专业的模型，然后合为一处获得完整的设计方案。此外Revit平台提供应用程序编程接口（Application Program-ming Interface，API），支持C＃．NET和VB．NET语言对其进行功能扩展。
1．2 设备管道信息模型的创建
统一的数据表达与交换标准是BIM技术的核心，它使利用计算机来完成各个专业间的协调成为可能。上文介绍过专业间协调的传统方法费时费力，而且无法保证质量。BIM技术可以将不同专业的信息模型整合到一起，从整体把握专业间的协作情况，更重要的是计算机的参与将大大缩短此项工作的周期，提高设计质量。
本文利用Autodesk公司的Revit平台分别创建了建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的BIM模型，然后根据事前约定的统一参考点把各个专业的模型链接在一起，获得完整的建筑模型。图2展示了不同专业模型整合后的效果。
2 碰撞检查工程应用
2．1 Navisworks概述
Navisworks软件是Autodesk公司收购的一款三维模拟软件，经过数据接口扩展后可以读取Revit平台创建的模型数据，并能针对模型提供多种仿真与分析功能。该软件分为7个功能模块，其中碰撞冲突检测（Clash Detective）模块能够识别建筑实体与管道实体以及管道实体相互之间的冲突问题。
2．2 碰撞检测
2．2．1 碰撞类型
硬碰撞（Hard Clash）：实体在空间上存在交集（见图3）。这种碰撞类型在设计阶段极为常见，特别是在各专业间没有统一标高的情况下，发生在结构梁、空调管道和给排水管道三者之间。间隙碰撞（Space Clash）：实体1与实体2在空间上并不存在交集，但两者之间的距离d比设定的公差T小时即被认定为碰撞。如图4所示，T＜d，因而实体1与实体2并没有发生碰撞。该类型碰撞检测主要出于安全考虑，例如水暖管道与电气专业的桥架、母排有最小间距要求，可以根据专业之间设定的最小间距要求，检查最小间距是否满足设计要求，也可以同时检查管道设备是否遮挡墙上安装的插座、开关等。
2．2．2 单专业碰撞检查
单专业综合碰撞检查相对简单，只在单一专业内查找碰撞，设计者将某一专业模型导入Navisworks，直接进行分析即可。如图5所示，紫色标记的排水管道与另外一根红色标记的管道发生碰撞。
2．2．3 多专业的综合碰撞检查
多专业综合碰撞包括暖通、给排水、电气设备管道之间以及与结构、建筑之间的碰撞，为实现准确快速的分析应注意以下两点。首先一栋建筑物内部的管道实体数量庞大，排布错综复杂，如果一次全部进行碰撞检测，计算机运行速度和显示都非常慢，为达到较高的显示速度和清晰度的目的，在完成功能的前提下，应尽量减少显示实体的数量，一般以楼层为单位。另一方面考虑到专业画图习惯，还要能同时检查相邻楼层之间的管道设备，例如空调设备管道通常在本层表示，而给排水专业在本层表示的许多排水管道其物理位置在下一层。图6所示黄色标记的空调给风管道与灰色的结构梁发生碰撞。
2．2．4 碰撞分析报告
碰撞检测的目的是寻找碰撞点，根据碰撞信息修改设计。计算机可以将所有符合碰撞条件的碰撞点查找出来，生成碰撞点列表（见图7）。每条碰撞点信息包括碰撞类型，碰撞深度，双击碰撞点链接可以查看碰撞的具体三维情况（图8）。通过查看报告，设计人员可以轻松快捷地找出设计中的疏漏，及时调整方案。
需要注意的是，在检查碰撞时计算机有时会把设备之间的连接误判为碰撞。由于计算机本身还无法判断碰撞真假，设计者需要人为去判断。相比传统方法，这项工作更加高效轻松。
2．3 基于BIM管线协调方案
基于BIM的管线碰撞检测实现方案（见图9），首先分别构建建筑、结构、暖通、给排水和电气专业的信息化模型，然后将各专业模型整合到一起构成完整的建筑模型，再将整体模型导入计算机分析工具中检测碰撞冲突的类型及位置并生成报告，由于碰撞检测过程中可能有误判的可能，所以需要人为对报告进行审核，进而得出修改意见。
3 结语
笔者提出了基于BIM技术的设备管线协调方案，可以有效地提高建筑不同专业间的协作水平，减少设计过程中的失误。与传统方法相比大大提高了工作效率，但仍旧存在很大一块工作需要人工参与，即核对碰撞报告。解决此问题需要进一步研究如何细化建筑中的碰撞类型，增加碰撞的判断条件，提高计算机处理问题的智能水平。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201108/15087.htm
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