BIM技術(shù)在建筑綜合管線設計優(yōu)化中的應用

紀曉雨 （濰坊職業(yè)學院，山東 濰坊 261000）

0 前言

中國擁有龐大的基礎建設，但絕大部分的建設項目在建造時依舊采用的還是粗放的、傳統(tǒng)的建筑方式，雖然中國的建筑行業(yè)近年來一直發(fā)展迅猛，但在傳統(tǒng)的建筑方式下，不僅各專業(yè)生產(chǎn)部門缺乏協(xié)同與溝通，而且重復工作量也較大，直接導致建筑業(yè)不僅建筑效率低下，而且在建設過程中的資源浪費現(xiàn)象也日趨嚴重。在建筑項目的整個建造生命周期中，設計是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，不僅僅決定了后期成品的形態(tài)和規(guī)模，而且直接決定了工程的成本與施工進度等關(guān)鍵問題。合理、良好的設計，不僅能夠讓工程在工程未開工前就為項目打下良好的基礎和降低施工返工的風險，而且還能夠讓項目后期的維護成本降低。而其中，綜合管線設計是建筑設計中返工率最高的環(huán)節(jié)之一。所以，如何對建筑的綜合管線設計進行優(yōu)化，就成為了改善現(xiàn)有建筑效率低，浪費大的良好途徑。基于BIM技術(shù)強大的模擬能力、可視化能力和統(tǒng)計能力，通過編制相應平臺系統(tǒng)，利用BIM技術(shù)和相關(guān)軟件，使原本相對獨立的各專業(yè)的管線信息納入到一個完整的平臺系統(tǒng)中來，利用系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)、管理，使得參與項目的各方能夠，在參建前和參建時及時獲得統(tǒng)一的、有效的、可靠的項目信息。各方利用這些確定的信息，就可以降低建筑管線施工工作中的重復工作率，從而提高建筑管線項目的生產(chǎn)效率和減少資源的浪費。通過實例證明，系統(tǒng)具有一定效果。

1 綜合管線設計

建筑項目是一個涉及多個專業(yè)的綜合工程，建筑中的各種管線，如：給排水、電力等錯綜復雜，然而目前各專業(yè)之間溝通嚴重不足，各專業(yè)設計與施工中都缺乏協(xié)調(diào)。由于CAD軟件的局限性，設計的成果均為二維的圖紙，導致設計人員在設計過程中對于空間結(jié)構(gòu)缺乏總體考慮，往往會出現(xiàn)兩個主要問題：①管道與結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如：墻、柱）的交叉點處，往往不能預留管線的孔洞；②綜合管線在空間中出現(xiàn)交叉。這兩個問題不僅加大了返工的概率，而且降低了施工效率、增大了施工難度。

目前解決上述問題的主要方式為利用人工首先將二維的平面圖紙轉(zhuǎn)化為三維圖紙，人為進行判別，然后再將不合理的地方進行修改，或者將不同專業(yè)的圖紙首先透繪在透明的圖紙上，然后將各專業(yè)圖紙疊加在一起，再利用人工逐一判別，但人工判別不僅效率低下，而且工作單一、重復，面對大型工程龐大的管線系統(tǒng)，管線往往成千上萬條，僅僅依靠人工進行判別和修改，不僅耗時費力，而且由于人工的疏忽與其他原因，人工判別和修改往往不能保證一次性將所有的問題管線全部解決，需要修改多次才能找到所有問題。

隨著BIM技術(shù)的推廣與使用，利用BIM技術(shù)良好的可視性、精確性，將圖紙中各種管線的信息變成模塊信息，結(jié)合C++等，利用相應算法，編制程序，對圖紙中的模塊進行碰撞檢測，從而檢驗出有矛盾的地方，進而對有矛盾處進行重新安置。從而在不利用人工的情況下，對圖紙中不合理處進行逐個修改。在整個系統(tǒng)中，對于綜合管道的碰撞檢測就成為了整個系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)。目前，碰撞檢測中應用最為廣泛的兩種算法分別為層次包圍盒法和空間分割法，層次包圍盒法實質(zhì)為將管道周圍空間作近似模擬，以模擬空間代替實際管道來進行檢測。而空間分割法是將空間規(guī)則劃分后，把管道線路劃入不同空間單元格中來進行相交檢測。兩種算法都有其優(yōu)勢與缺點。

2 創(chuàng)建平臺系統(tǒng)

2.1 集成算法

空間分割法和層次包圍盒法是動態(tài)碰撞檢測所采用的主要兩種方法，空間分割法在實體分布較為均勻而且實體數(shù)量分布不稠密的情況下，效果較好，但在使用這種方法時，如何對子單元格的尺寸進行界定仍是一個比較難以解決的問題。如果劃分過粗，檢測效率會提高，但準確率和精度卻不理想，如果劃分過細，雖然提高了檢測精度和正確率，但會極大降低檢測速度和提高檢測設備硬件的要求。層次包圍盒法檢測效率高、速度快，能在運算量較小的情況下對實體進行檢測，將確實不相交的實體快速剔除，但層次包圍盒法在對形狀復雜的大量管道進行檢測時，卻因為包圍盒形狀并不能代表真實實體的形狀而表現(xiàn)不好。因此，為了利用上述兩種方法的優(yōu)點，將其結(jié)合起來進行檢測。

首先利用空間分解法對圖紙中相關(guān)內(nèi)容進行空間劃分，每個空間均勻劃分為大小相等的幾個子空間，將圖紙之中各個實體按照空間位置劃分入每個子空間內(nèi)，然后對空間進行迭代分解，對分解后的實體進行兩兩碰撞檢測，若已構(gòu)建的模型數(shù)達到已設定的閾值則結(jié)束運算。然后，再利用層次包圍盒法進行對可能相交管道進行粗略檢測，將不相交的實體快速甄別、剔除，粗略檢測后可疑相交的，最后對可疑相交管道進行精確檢測。對于確實相交的實體，檢測標注出來。

2.2 程序算法

程序采用C++作為程序開發(fā)語言，實現(xiàn)對BIM信息的讀取、重建和處理，以最簡單的兩個矩形實體相交為例，首先對兩個實體所在空間進行劃分，劃分后獲得若干個實體組，然后對各實體組進行遍歷檢測，然后對于可能相交的實體組進行空間分析，先用近似性和緊密性較差的空間去包圍可能相交的實體，進行粗略檢測，在檢測后，再次對篩選后的疑似相交實體進行三角形精確碰撞。從而將確實相交的實體檢測出來，最終輸出在Excel表格中。

圖1 程序算法流程圖

3 工程實例

本文以某8層辦公樓項目為例，該辦公樓建筑總面積為13722.48m2，地上8層，地下1層。占地面積為1524.72m2，主樓體總高為34.17m。其建筑主要用于商用辦公，是一幢集辦公、會議、餐飲、休閑于一體的綜合性辦公大樓，人員流動較大，主體采用框架結(jié)構(gòu)，為適應大量人員同時辦公以及大流量人群進出，建筑物內(nèi)部設計暗裝風機管盤加新風系統(tǒng)，冬季供熱、夏季供冷、消防等各種管線，辦公樓立體圖見圖2所示。

圖2 辦公樓立體圖

辦公樓內(nèi)管道系統(tǒng)包括通風管道、電力管線、輸氣管道、消防管道、空調(diào)管道。各種管線錯綜復雜，在設計階段，將各專業(yè)管線納入到同一個BIM模型中來，具體管線見圖3所示。

圖3 辦公樓綜合管線圖

將設計圖紙經(jīng)過處理后，導入到建立的系統(tǒng)對辦公樓管線進行檢測，最終結(jié)果導出在Excel表格中，此次共檢測出22處相交處，根據(jù)所檢測出的管道編號進行查找，結(jié)果顯示所檢測出的結(jié)果均發(fā)生了碰撞，說明程序具有很好準確性。對設計圖進行多次人工判別，最終顯示結(jié)果與程序檢測結(jié)果一致。再次人為改動3處后重新進行檢測，發(fā)現(xiàn)所有改動處均能夠被準確檢測出來。表明程序具有很好的可靠性。檢測結(jié)果見圖4、圖5所示。

圖4 Excel輸出結(jié)果

圖5 檢測出的管線碰撞處

實例證明，程序具有良好的準確性和可靠性，能夠在設計階段就將一些設計不合理和矛盾的地方檢測出來，從而避免在施工階段才發(fā)現(xiàn)設計問題，提高了圖紙質(zhì)量，在一定程度上減少了因為設計缺陷而導致的返工和資源浪費。

4 結(jié)語

通過建筑項目實例表明，基于BIM技術(shù)的綜合管道優(yōu)化設計程序，能夠在短時間內(nèi)對復雜綜合管線的沖突與矛盾處進行檢測，從而在設計階段就將一些有沖突的、矛盾的管線進行處理，相比于人工進行處理，不僅節(jié)省了時間，而且避免了遺漏和錯誤的判別，是一種方便、快捷、高效的綜合管線設計優(yōu)化的方法。但目前系統(tǒng)仍存在一定缺陷，經(jīng)在其他大型項目上的使用，發(fā)現(xiàn)雖然也能夠基本上完成對于綜合管線設計的優(yōu)化，但在某些特殊部位，程序無法很好地對形狀過于稠密、復雜和特殊形狀的管道進行判別，因為程序中的某些算法只能對實體進行近似模擬，在進行判別的時候不可避免出現(xiàn)錯誤，本程序仍需要更加優(yōu)良的檢測算法才能達到更好的效果。綜上，本文在BIM技術(shù)的推廣和應用中，起到了一定的積極作用。