WD 廣場影院夾層管廊機電管線綜合設計

周慧芳,張坤強,高 將

1.江蘇建筑職業(yè)技術學院 建筑管理學院,江蘇 徐州221116

2.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院,山東 泰安271018

3.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州221116

機電管線綜合設計涉及給排水、暖通空調(diào)、建筑電氣、樓宇智能化等多個專業(yè)，是在遵循一定的管綜設計原則基礎上，從全專業(yè)角度結合實際施工和后期檢修維護等方面內(nèi)容，對整個機電管線系統(tǒng)進行整體把控和優(yōu)化布置[1,2]。傳統(tǒng)的管線綜合設計是基于CAD 平臺，在梁底凈空高度分析的基礎上將各專業(yè)圖紙按圖層導入并出具二維斷面圖，各專業(yè)之間缺乏溝通，設計過程及繪圖過程復雜，對設計師三維空間想象能力要求高，在管線密集區(qū)域諸如地下室、走廊以及屋頂層，經(jīng)常出現(xiàn)管線之間交叉碰撞[3,4]。利用BIM 技術主流軟件Revit 系列軟件，建立建筑、結構、機電各專業(yè)模型，在三維空間中直接對機電管線進行綜合布置，并通過碰撞分析實時查詢碰撞點位進行修改，布置完成的模型可以根據(jù)需要出具局部三維和任意斷面的施工圖，直觀反映管線布置空間信息，簡化了深化設計過程，降低了管線綜合難度。

馮遠，向新岸等[5-7]通過建立復雜建筑鋼結構BIM 模型，著重分析體育場鋼結構的抗震性能，劉占英，張振義等[8,9]將BIM 技術應用在軌道交通工程全生命期中，形成一套BIM 全生命期應用方法，為城市軌道交通數(shù)字化建設提供指導思路，青峰等[10-12]研究BIM 技術在大型城市綜合體機電管線深化設計中的應用，指出和傳統(tǒng)的深化設計相比，BIM 技術很好地解決了二維圖紙中的錯誤，實現(xiàn)了材料的精細化管理，控制成本，節(jié)約資源，保證了工程的工期和質(zhì)量。近年來，BIM 技術在建筑工程領域取得了飛速發(fā)展，其在建筑模型效果展示、虛擬施工、5D 管理等方面有著越來越多的應用，但是我們也看到，真正落地指導施工應用的項目較少，管綜設計人員沒有從一線施工企業(yè)的角度考慮，僅是機械地按照管綜設計中的一些原則，沒有和施工現(xiàn)場實際相結合，對復雜節(jié)點的設計，綜合支吊架布置考慮較少，也沒有形成固定的出圖文件。

WD 廣場項目影院夾層區(qū)域管線密集，施工空間狹窄，用傳統(tǒng)的管綜設計方法很難對施工區(qū)域管線進行合理布置，加之機電施工工期短，業(yè)主對施工質(zhì)量的要求高，總包方?jīng)Q定建立BIM 團隊，通過合理分工，分別建立建筑、結構機電各專業(yè)模型，協(xié)調(diào)甲方、設計院以及施工各參建單位及時對優(yōu)化的模型進行建議調(diào)整，結合工程實際情況，在總包方的協(xié)調(diào)下，對管線翻彎局部復雜節(jié)點進行優(yōu)化布置，根據(jù)最終優(yōu)化的模型合理設置綜合支吊架系統(tǒng)，并出具管綜平面、剖面圖及節(jié)點詳圖，委托第三方對圖紙進行審核，后期施工單位嚴格按照優(yōu)化的圖紙進行施工，真正將BIM 技術落地應用在實際工程中。

1 項目概況

WD 廣場項目為有頂步行街商業(yè)綜合體，總建筑面積134551.11 m2，地下一層，地上四層，建筑高度25.95 m，整個項目機電管線錯綜復雜，其中，位于四層（建筑高度15.8 m）的影院夾層管廊，橫向?qū)挾日揖嚯x較長，立面高度由于需要滿足商業(yè)規(guī)范規(guī)定，管線布置不宜太低。管廊內(nèi)部涉及的機電管路主要包括排煙管道、虹吸雨水管道、消火栓以及自噴管道等，既有重力廢水管道又有防排煙等寬度較大管道。總體來說，該影院夾層管廊具備狹長空間復雜管路屬性，其內(nèi)部機電管線需要綜合考慮各方面因素進行布置。利用Revit 系列軟件分專業(yè)建立模型并進行整合，整個夾層管廊的機電模型如下圖1～2 所示。

圖1 影院夾層管廊標準區(qū)域1 機電管線圖Fig.1 Electromechanical pipelines on the standard area 1 of mezzanine gallery in the cinema

圖2 影院夾層管廊標準區(qū)域2 機電管線圖Fig.2 Electricalmechanical pipelines on standard area 2 of mezzanine gallery in the cinema

2 管線綜合排布

2.1 凈高分析

基于BIM 技術的機電管線深化設計步驟主要包括：機電專業(yè)圖紙識圖、拆圖、BIM 模型建立、確定管綜區(qū)域、凈高分析、管線優(yōu)化分析以及成果輸出。凈高分析是機電管線綜合設計的關鍵，從凈高分析圖中可以明確的知曉建筑結構模型梁底的凈空高度，進而可以綜合各種因素對機電管線進行初步布置，WD 廣場項目影院夾層管廊區(qū)域凈高分析如圖3 所示。

圖3 影院夾層管廊凈高分析圖Fig.3 Analysis on the net height of the mezzanine gallery of the cinema

從圖中可以看出：影院夾層走廊分為標準區(qū)1 和標準區(qū)2 兩個區(qū)域，內(nèi)部梁底標高均在20.2 m以上，考慮到四層建筑標高15.8 m，其梁下凈高為4.4 m。從走廊兩側分別往影院區(qū)、機房區(qū)側邊梁底標高為20.1 m，其梁下凈高為4.3 m。在走廊內(nèi)部還分布有標高為19.6 m 的梁，其處于最不利狀態(tài)，將之命名為最不利梁，其梁下凈高為3.8 m。如果按照業(yè)主要求走廊區(qū)域吊頂標高不低于3.2 m，最不利梁下僅有0.6 m 管道布置空間，而管廊內(nèi)部分布有消防管、重力雨水管、排煙管等大型管道，管綜設計難度相當大。

2.2 標準區(qū)域1 管線綜合排布

管廊標準區(qū)域1 的原始管線布置三維模型和剖面如下圖4、5 所示。

圖4 標準區(qū)域1 原始管線布置三維圖Fig.4 3D layout of original pipelines on standard area 1

圖5 標準區(qū)域1 原始管線布置剖面圖Fig.5 Profile layout of original pipelines on standard area 1

從圖中可以看出：標準區(qū)1 下共設有強、弱橋架，消火栓系統(tǒng)、自噴系統(tǒng)、生活給水系統(tǒng)等壓力管道，虹吸雨水重力流管道以及排煙系統(tǒng)大寬度管道，管路系統(tǒng)復雜，走廊區(qū)僅有1579 mm 的橫向布置空間，管線排布空間狹窄。專業(yè)管線之間分別布置，管中心標高沒有統(tǒng)一，自來水管道系統(tǒng)管中心標高最低為3.6 m，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)（DN150）和重力雨水系統(tǒng)(DN110)管中心標高最高為4.2 m，管線之間顯得雜亂無章，重力雨水管道系統(tǒng)甚至沒有布置在管廊內(nèi)部。機電管線之間碰撞嚴重，橋架系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)以及室內(nèi)消火栓系統(tǒng)（DN150）和排煙系統(tǒng)均存在碰撞，排煙管道和自噴管道之間間距為743 mm，施工操作困難。

經(jīng)分析，標準區(qū)域1 管綜設計的難點是設有排煙管道、重力雨水管道等不易翻彎處理的大型管道，同時內(nèi)含多處最不利梁，需要進行管道翻彎過梁處理，3.2 m 的最低限高要求難于滿足，為后期施工考慮的操作空間難于控制。結合綜合設計標準和原則，在充分考慮后期施工的基礎上對WD 廣場項目影院夾層標準區(qū)1 進行深化設計，考慮到走廊內(nèi)部主管需要往兩側影院區(qū)和機房區(qū)支管引出，結合重力流管道和大型管道不宜翻彎，盡可能采用綜合支架，充分考慮施工及后期檢修要求等原則，設計考慮走廊內(nèi)部梁下凈高按4.3 m 設計，重力流雨水管道和排煙管道按最不利梁底標高布置，有壓管道及電氣橋架進行遇到最不利梁下翻彎處理，影院夾層標準區(qū)域1 經(jīng)過管線深化設計后的三維模型和剖面如下圖6、7 所示。

圖6 標準區(qū)域1 管線綜合排布三維圖Fig.6 3D comprehensive layout of pipelines on standard area 1

圖7 標準區(qū)域1 管線綜合排布剖面圖Fig.7 Comprehensive profile layout of pipelines on standard area 1

從圖中可以看出，管綜后整個機電管線分成左右兩個區(qū)域，左側布置矩形管道，右側布置圓形管道，左側布置上部布置電氣橋架，下部布置防煙管道，右側上部布置消防及給水管道，下部布置重力雨水管道；左側電氣橋架中心標高4.05 m，距離墻邊距離200 mm，兩橋架中心距250 mm；排煙管道中心標高3.33 m；右側有壓管道管中心標高均為4.10 m，管中心距依次為200，200，150 mm，自噴系統(tǒng)管道和橋架之間的中心距為536 mm，最右側自來水管道距墻邊50 mm；兩個重力流管道標高分別為3.6 m 和3.35 m；DN200 重力雨水管道和排煙管道之間的中心距為1022 mm，扣除管道寬度后側邊距離為522 mm，滿足了后期施工不同專業(yè)之間可能造成的管道無法布置，上層管道沒有施工操作空間和后期檢修空間的要求；此處也是此類狹長空間復雜管路機電深化設計的難點。

2.3 標準區(qū)域2 管線綜合排布

管廊標準區(qū)域2 的原始管線布置三維模型和剖面如下圖8、9 所示。

圖8 標準區(qū)域2 原始管線布置三維圖Fig.8 3D layout of original pipelines on standard area 2

圖9 標準區(qū)域2 原始管線布置剖面圖Fig.9 Profile of original pipelines layout on standard area 2

從圖中可以看出，和標準區(qū)域1相比標準區(qū)域2原始模型中走廊區(qū)的寬度較大為3047 mm，走廊內(nèi)部不含排煙管道，沒有最不利梁的干擾，但是機電管線設計時偏向走廊一側管道分支較多，同樣存在管線碰撞、沒考慮施工操作空間以及管線系統(tǒng)較多雜亂無章的狀況。標準區(qū)域2管綜設計的難點是設有重力雨水管道、重力廢水管道等不易翻彎處理的管道，管線眾多以及需要設置綜合支架，綜合布置后的三維模型和剖面如下圖10、11所示。

圖10 標準區(qū)域2 管線綜合排布三維圖Fig.10 3D comprehensive layout of pipelines on standard area 2

圖11 標準區(qū)域2 管線綜合排布剖面圖Fig.11 Comprehensive profile layout of pipelines on standard area 2

從圖中可以看出，管綜設計后的所有機電管線位于管廊中間，左右兩側留有施工操作和檢修空間，整體分成上中下三層，頂層為橋架系統(tǒng)，底標高為4.05 m，中間為重力流管線管中心標高為3.8 m，下部為重力流管道，管中心標高為3.6 m；自噴噴頭標高19.00 m（凈高3.2 m）；同時管道之間預留一定距離，大管徑按150 mm～200 mm 考慮，小管徑按50 mm～100 mm 考慮。

3 局部復雜節(jié)點處理

在主干道標準區(qū)管線綜合完成后仍需對局部復雜節(jié)點進行進一步深化，這些節(jié)點主要包括管線翻梁節(jié)點，管線轉(zhuǎn)向節(jié)點以及干管和支管分叉節(jié)點等。梁下管道翻彎處理的難點在于翻彎后原來位于頂部的管道經(jīng)常和底部的管道發(fā)生碰撞，這就要求設計師在一開始管線定位的時候就要考慮預留足夠的空間距離，同時梁底要預留100 mm 的施工操作區(qū)域。標準區(qū)1 管線翻梁節(jié)點經(jīng)優(yōu)化布置后的三維模型如下圖12 所示。

由圖12 可見，最不利梁（500×1300）底標高為19.6 m，梁下凈高僅為3.8 m，管線翻彎前后，橋架系統(tǒng)底標高由4.05 m 變成了3.67 m，同時避免了和下部排煙管道（底標高3.33 m）碰撞；消防和自來水管道系統(tǒng)管中心標高由4.10 m 變成了3.6 m 和3.7 m，同樣避免了和下部雨水管道（管中心標高分別為3.60 m 和3.35 m）的碰撞。經(jīng)三維模型分析，局部節(jié)點管線連接良好，未管線碰撞發(fā)生。

不同區(qū)域管廊的交接區(qū)也是管綜設計的難點，此處管路連接復雜翻彎處理多，在管綜設計時候盡可能按連續(xù)的“L”型設計，即管線轉(zhuǎn)彎交接前后盡可能避免發(fā)生管線位置的改變。影院夾層走廊管線轉(zhuǎn)向節(jié)點經(jīng)優(yōu)化布置后的三維模型如下圖13 所示。

圖12 管線翻梁節(jié)點三維圖Fig.12 3D profile of pipelines over beam node

圖13 管線轉(zhuǎn)向節(jié)點三維圖Fig.13 3D Profile of pipelines turning node

由圖中可以看出，整個管路系統(tǒng)頂部布置橋架，排煙管路位于下側，雨水管路位于內(nèi)側，消防管路位于外側；重力雨水系統(tǒng)DN160 管路，考慮到右側標準區(qū)1 布置要求，同時為避免堵塞，采用45 度彎頭進行翻彎和轉(zhuǎn)彎處理，管中心標高由3.60 m 降至3.35 m；橋架系統(tǒng)為了避免和消防管道系統(tǒng)碰撞進行了兩次高度調(diào)整，由左側標準區(qū)2 中的底部標高4.05 m 翻彎升至4.25 m 后又翻彎降至右側標準區(qū)1 中設定標高4.05 m；有壓管道系統(tǒng)中消火栓管路和自來水管道系統(tǒng)按連續(xù)“L”型布置，由左側標準區(qū)2 中的底部標高3.80 m 和3.60 m 翻翻彎升至右側標準區(qū)1 中設定標高4.10 m，自噴系統(tǒng)為了避免和消火栓管道系統(tǒng)碰撞進行了兩次高度調(diào)整，由左側標準區(qū)2 中的底部標高3.80 m 翻彎升至4.40 m 后又翻彎降至右側標準區(qū)1 中設定標高4.10 m；經(jīng)三維模型分析檢查，此局部節(jié)點管線連接良好，未管線碰撞發(fā)生。

干管和支管分叉節(jié)點管綜設計時首先考慮分支管廊內(nèi)部的管線綜合排布，并充分考慮到各種機電管道的引出位置和標高設定，避免重力流管道和橋架系統(tǒng)垂直翻彎。經(jīng)分析，標準區(qū)2 分支管廊內(nèi)部的引出管道主要包括橋架系統(tǒng)，消防管道系統(tǒng)和重力廢水系統(tǒng)，結合主干道各種管道的分布，設計管線分成2 層布置，橋架系統(tǒng)位于頂部，設置底標高為3.60 m，其余管道系統(tǒng)位于底部，設置標高統(tǒng)一為3.45 m；考慮到主干道消防強電橋架和普通橋架的布置位置，設計橋架引出時，考慮普通橋架直接水平引出并翻彎至支線走廊，消防強電橋架主干道局部調(diào)整高度至4.25 m 再進行水平引出并翻彎至支線走廊；其余管道系統(tǒng)，為了防止管道集中布置施工操作空間受限，設計消火栓系統(tǒng)和自噴系統(tǒng)分別從上下兩個方向引出至支線管路，消火栓管道系統(tǒng)位于支線引出側，先水平引出一段距離并上翻彎至支線走廊管路標高3.45 m，自噴管道系統(tǒng)在主干道走廊處設置三通垂直往下引出至支線管路標高3.45 m；經(jīng)三維模型分析檢查，此局部節(jié)點管線連接良好，未管線碰撞發(fā)生。標準區(qū)域2 干管和支管分叉節(jié)點經(jīng)優(yōu)化布置后的三維模型如下圖14 所示。

圖14 干管和支管分叉節(jié)點三維圖Fig.13 3D profile at main pipe and branch node

4 綜合支吊架布置

支吊架按用途可分為活動支吊架和固定支吊架，支吊架系統(tǒng)設計是機電管線綜合布置的一項重要任務，涉及機電工程各專業(yè)管線，設計時應依據(jù)主體設計單位機電專業(yè)的設計要求、管線綜合情況、規(guī)范規(guī)定的各類管線間距要求、主體結構布置情況、現(xiàn)場空間以及施工方便等原則合理確定，管架的設置應滿足管線的安裝及拆卸要求。良好的綜合支吊架系統(tǒng)不僅能夠滿足管線整齊美觀的要求，還能在很大程度上節(jié)約施工成本，縮短施工周期，利用Revit 系列軟件中的族編輯工具可以方便的管線支吊架進行建模，參照室內(nèi)管道支架及吊架標準圖集03S402 中有關規(guī)定[13]，對WD 廣場項目影院夾層走廊管線支吊架系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，模型如下圖15 所示。

圖15 走廊管線支吊架系統(tǒng)模型圖Fig.15 Models of gallery pipeline support and hanger system

5 結論

機電管線綜合設計是保障機電管線施工質(zhì)量避免各參建單位沖突的有利措施，也是機電安裝工程施工策劃的首要任務。地下室及走廊頂部往往是機電管線安裝最密集、最復雜的區(qū)域，在進行管線綜合設計時，需要遵循各方面原則，同時要考慮到建筑施工和結構安全等方面因素。狹長空間復雜管路區(qū)域管線綜合設計過程復雜，對設計師的空間想象能力要求較高，精準的梁下凈高分析是此類管線綜合設計的關鍵，標準區(qū)域、復雜節(jié)點及綜合支吊架系統(tǒng)是管線綜合設計的重要內(nèi)容，結合BIM 技術軟件建立三維模型作為輔助[14,15]，往往能為設計帶來很大的便利。