BIM技術在機電安裝工程全生命周期的應用
——以福建三峽海上風電產業園工程為例

王肖穎，晉嘉玉，鄭遠財，來佳園

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004；2.福建一建集團有限公司，福建 三明 365004）

機電安裝工程是現代化建筑的重要組成部分，其完善程度反映了房屋建筑和物質生活水平[1]。隨著經濟的快速發展，對建筑物的功能需求越來越高，而相對應的機電設備也越來越多，管線越來越復雜，機電安裝工程的設計和施工也越來越難。當前BIM技術在我國的應用雖然還處于初級階段，但已經得到了大眾的認可。利用BIM技術進行機電安裝工程的設計可以為工程帶來極大的便利和效益，例如，邢振華等[2]將BIM技術應用在了大型商業綜合體的機電工程深化設計中；楊震卿等[3]站在施工方的角度闡述了在機電施工中運用BIM技術的優勢；熊超華等[4]應用BIM對武漢國博燃氣能源站進行機電安裝工程質量管理，取得了良好的工程效益；胡文發等[5]應用BIM的可視化功能對國家會展中心的機電安裝工程施工現在進行協調管理，同樣發揮了BIM的技術優勢。

BIM技術在建筑機電安裝工程方面的應用主要在于管道碰撞檢查、管道綜合設計[6]、虛擬仿真[7-8]、成本控制等。機電工程包括給排水、暖通、電氣及消防工程等，各系統均是通過管道來完成其功能。各系統管道縱橫交錯，傳統機電工程在設計階段是由各專業設計師分別在各自的施工圖紙上設計再進行綜合，各專業信息不易共享，往往出現管道“打架”，這在二維圖紙中并不容易檢查出來。施工時期才發現管道在空間碰撞，或者這個專業的管道占用了另一個專業管道的位置等問題，然后再事后現場勘查，開協調會議，修改、返工，投入大量的人力物力，造成內耗和浪費。不少設計院為了避免這類問題，甚至以上各專業由同一個人來設計，但這樣的復合型人才畢竟還是少數。有了BIM技術之后，由于BIM技術的可視化和直觀性，使得管道發生碰撞在設計時期就能被檢查出來，優化了設計效率，并且可以通過Autodesk Revit和Autodesk Navisworks等軟件進行碰撞檢查，發現并解決管線碰撞、調整凈高等問題，能很好地解決“錯、漏、碰、缺”的問題[9-10]。通過基于BIM技術的4D、5D施工模擬軟件能夠進行施工模擬，對施工進行可視化指導，減少返工、窩工等問題，控制造價。

針對福建三峽海上風電產業園機電工程，分析了設計、施工、竣工到運維全生命周期的BIM應用過程。項目達到較高模型深度，對不同類型的軟件進行了協同應用，建立適應項目設計、施工全過程的云端BIM協同管理平臺，引進先進的國外專業電子資產管理軟件進行竣工電子平臺建立。相較傳統設計方式，這對提高設計效率、控制建造質量、降低工程造價、縮短施工工期、提升運維成效等都有明顯的優越性。

1 工程概況及項目特點

1.1 工程概況

福建三峽海上風電產業園位于福清市江陰半島，總占地面積66.67 hm2，是長江三峽集團與福州市共同投資建設的海上風電研發中心和海上風電裝備制造基地。園區面積大，主要依靠大型的風力發電機組進行發電，此外園區還有部分利用光伏發電，內部有水處理廠，大型設備機組眾多，整個項目機電工程十分復雜，包括室內機電、室外管網和公共管網部分，涉及給排水工程、消防工程、電氣工程、弱電工程、通風工程、電梯工程、樓宇智能化系統（BAS）、火災自動報警系統（FAS）、能耗監控系統、視頻監控系統、傳感設施系統等。

1.2 項目特點

1.2.1 專業覆蓋面廣

《GB 50084—2017自動噴水滅火系統設計規范》規范要求，直立型、下垂型噴頭濺水盤與頂板的距離不應小于75 mm；《GB 50242—2016建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》中規定室內給水管與排水管平行敷設時，兩管水平凈距不得小于0.50 m，交叉敷設時，垂直凈距不得小于0.15 m。各類規范要求了機電安裝工程的管道必須占用大量的室內空間，如何在有限的空間內合理地布局各類管道是機電工程師需要解決的問題。本項目旨在建設海上風電研發中心和海上風電裝備制造基地，所涉及的機電安裝工程不僅包括了傳統的給排水工程、暖通工程和電氣工程的各大管線，還涉及到BAS、FAS、能耗監控系統、資產管理系統等建筑智能化系統，設備層、設備間和管道井中各種管線和設備數量多，交叉作業多，容易出現互相干擾、空間位置沖突的問題。一旦出現返工帶來扯皮、拖延的問題將較為嚴重。如何在狹小的空間進行有利的設計是很大的難點。利用BIM技術可以做到事前控制，使工程保質保量地完成。

1.2.2 整體工期長

機電安裝工程從管線預埋到最終的竣工驗收，整體跨度大、工期長。本項目所使用的水泵、風機和配電設備也數量眾多，光是設備調試就將花去許多時間。基于BIM模型，本項目在Projectwise Explorer V8i平臺上創建數據共享平臺，實現計劃管理、任務反饋、項目進度看板、計劃與實際4D模擬對比查看的功能，項目各方參與協同工作，實時管理施工進度。

2 BIM在本項目中的應用

為確保項目的順利實施，由建設單位牽頭，組建了BIM技術中心，設計院作為實施總協調單位及BIM項目咨詢管理，施工方作為BIM項目管理。項目除地質勘探未利用BIM技術，其它階段均采用了BIM技術，以園區運維階段應用為目標進行BIM全生命周期策劃及BIM標準制定，多單位協同管理模式，設計、施工一體化傳遞，做到全生命周期咨詢服務。

2.1 設計階段

對于產業園大廈辦公區域和廠房區域等各單體建筑和地下管網，機電安裝工程方面主要采用Revit MEP建立3D模型。本項目由于體量大，是分專業協同進行，在土建模型上建立機電安裝工程模型。具體技術路線為：各機電專業設計師第一次協調——確定室內凈高要求——協商各專業管線排布原則。模型建立完成后基于3D視圖的直觀展示，可清晰地發現機電管線與結構梁、板、墻、柱的碰撞，再核對機電專業墻體預留孔洞位置，檢查機電管線與門過梁是否發生碰撞。接下來動力專業管線、重力管（給排水、暖通）按圖紙建模，給排水專業重力管（如排水管）起端貼梁底，坡度按圖紙說明建模；暖通專業重力管（冷凝水管），坡度按圖紙說明建模。此時便進行第二次協調，依據詳細原則，給排水、暖通、電氣、動力管線制定分層排布原則，區域協調和平面協調。然后通過Revit的鏈接功能把各專業管線導入，對管線進行綜合排布，給排水、暖通、電氣、動力管線進行細部碰撞檢查，進行第三次協調。得到碰撞檢查結果報告后，由此提出優化建議，各專業根據原則進行避讓翻折。管線優化調整及豎向凈空優化報告，很大地減少了傳統二維機電設計錯誤不易發現的問題，也減少了設計圖變更。設計階段本項目模型深度達到LOD 300～350。實現設計BIM模型與施工圖一起交付、審核、歸檔。圖1為整個園區用地范圍內公共管網（含消防、給水、排水、強電、弱電、熱力和燃氣管道、通訊、路燈照明等）的3D建模某節點截圖。圖2為使用Navisworks進行碰撞檢查后的報告部分截圖及凈高優化報告部分截圖。如圖2所示，1號碰撞處為給排水圖紙自檢，給排水工程中，B3層B～E/7軸處，標高為2 700 mm的DN100廢水管道與一根DN150的噴淋管道和一根DN65的噴淋管道發生交叉重疊。第2處為專業之間的碰撞檢查，B3層給排水管道與暖通管道發生“打架”，明顯能看到DN125的消防管道從風管中間直接穿過，這就需要對管道進行高度的調整或者進行部分翻折。

圖1 地下管網某節點截圖Fig.1 Screenshot of a node of underground pipe network

圖2 設計階段沖突檢測及三維管線綜合優化Fig.2 Conflict detection and 3D pipeline optimization in design stage

2.2 施工階段

對MEP機電、室外管網、公共管網BIM施工模型在設計模型的基礎上進行各專業的深化設計，同時根據施工進度，保持施工BIM模型的及時變更。采用Navisworks進行管線、機電、建筑之間產生的軟硬碰撞再次檢查及校審，對工程量進行計算并制作工程量統計清單，對施工進度模擬、專項施工方案模擬、詳細節點安裝模擬，針對關鍵部位，利用BIM模型對低矮空間裝飾面與機電管線進行碰撞檢查，施工階段的模型深度達到LOD 400。利用BIM施工模型提前發現施工過程中存在的問題，優化施工方案，對施工進行可視化指導。以原材料試驗樓為例，在設計模型深化的基礎上檢查出機電碰撞點共計60余處，并在施工前期進行了逐一調整。基于BIM模型，在BIM施工管理平臺上建立設備與材料管理和施工進度關聯關系，通過平臺可追溯大型設備及構件的物流與安裝信息，實現設備材料進度跟蹤，如圖3所示。對接協同平臺要求，通過平臺進行多參與方的施工過程管理。圖4為施工階段管線綜合模型圖。

圖3 施工過程管理Fig.3 Construction process management

圖4 施工階段管線綜合模型Fig.4 Comprehensive pipeline model in construction stage

2.3 竣工交付階段

建立BIM+EP平臺運維管理系統，基于資產信息管理（AIM）和技術狀態管理（CM）理論運用數據倉庫技術和SOA架構開發的工程全壽命周期信息管理的平臺。對模型管理、空間管理、資產管理、智慧運維、能耗管理、應急安全進行全生命周期的管控。對于機電安裝工程，可以對設備的3D模型及屬性、設備編碼、空間位置或工位信息和相關文檔進行關聯，包括二維圖紙和供貨商信息等資料。如圖5所示，實現BIM工程全壽命周期電子資產信息管理的平臺，更加有效地管理設備，部分設備精度達到LOD 500。

圖5 三維模型管理Fig.5 Management of 3D model

2.4 運維階段

許多機電管線屬于隱蔽工程，隨著竣工年限的增加，管線相關數據資料可能存在遺失或尋找困難等問題，此時如果需要對工程進行改造或擴建，將存在一定的困難。基于竣工BIM模型，運用BIM+GIS集成建設智慧園區運維管理系統，設備運維主要依靠Web端及時采集數據，可對機電系統進行監控，如圖6所示。同時系統對所有自控設備的控制狀態進行監控，辦公區對水管、風管主管的故障監控及運行情況監控，機房、水泵房風機、水泵等重要設備故障監控、運行狀態監控。園區對地下管線的故障監控及運行情況監控并可自動調節相關閥門的開閉，對設備用房重要設備故障監控、運行狀態監控。能耗監控系統可對溫濕度、照明系統、樓宇整體及園區各個區域及重要設備的用水、用電情況等進行監控，最大程度地節約能耗。每臺設備建立對應的二維碼，方便進行資產分類、登記、編號，確定資產位置，查詢設備屬性和相應的技術資料。移動端可通過掃描二維碼對日常巡檢的結果進行登記，實現與資產管理后臺的交互，實時更新機電工程的信息，大大提高運維管理水平和效率。

圖6 智慧園區運維管理系統建設Fig.6 Construction of smart Park operation and maintenance management system

3 項目BIM研究應用效果及效益分析

BIM技術的應用帶來了眾多的經濟和社會效益，該項目在機電安裝方面所具有的優點體現在多方面。

（1）設計階段：設計過程做到由BIM設計模型與施工圖同步進行各專業出圖，施工圖所要求的各專業內容都需在模型里體現，模型深度達到LOD 350等級。在設計初期進行各專業間協同作業和三維可視化，減少因傳統二維施工圖上造成的碰撞和各專業間不合理交叉。與傳統施工圖相比，本項目設計過程應用BIM技術可減少設計變更時間80%，減少設計協調時間50%，減少施工圖返工時間60%，縮短施工圖出圖時間15%，降低設計成本18%，減少施工BIM建模時間90%。

（2）施工階段：對設計提交BIM模型進行施工深化、沖突檢測及三維管線綜合管理，管線優化調整及豎向凈空優化，復雜節點管綜圖及3D局部視圖，工程量計算，進度計劃管理模擬、專項施工方案模擬、材料設備進度跟蹤、詳細節點安裝模擬、質量管理。在施工過程BIM技術的應用使得設備管線安裝減少返工量80%，施工過程中減少設計變更40%，施工過程減少項目協調時間30%，縮短施工工期5%，降低施工成本0.5%～1%。

（3）全生命周期BIM咨詢：項目成立期間由業主牽頭主導以園區運維階段應用為目標，進行BIM全生命周期策劃及BIM標準制定，協同辦公平臺上由業主、設計、監理、施工、物業運維等多家單位協同辦公，減少項目協調時間60%，減少因協調造成返工、窩工時間20%，縮短項目工期3%，降低運營成本15%。

4 小結

該項目基于BIM技術對機電安裝工程進行協同設計，有效地避免了機電專業與土建專業、機電專業與機電專業之間的碰撞，減少設計變更和二次修圖，提高了設計效率。

施工階段BIM在機電安裝工程的應用，由于有了模型指導，對施工過程和進度進行可視化管理，對機電管線和設備進場進行優化調整，減少了設備管線安裝返工量，管線安裝成本節省，縮短了工期，節省了財務成本。

利用三維直觀的表現方式在隱蔽工程及重要設施方面可以進行有效維護和精益管理，經過運維階段各種數據的不斷積累，可以在BIM運維管理平臺的基礎上建立云端專家庫。