BIM技術在建筑給排水設計與優化中的應用

楊永凡

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000）

0 引言

在建筑給排水的設計中，傳統的CAD 二維設計圖形對于管道碰撞問題處理不是很理想，要求設計人員具備一定的工程設計經驗以及抽象思維能力[1]。如果管道碰撞問題難以在設計階段全部妥善解決，而在施工過程中才凸顯出來，必然會影響施工進度。因此，在經歷了手繪和CAD 制圖階段后，現階段建筑工程的設計對BIM 技術的應用越來越廣泛，可為建筑工程規劃、設計、施工以及運營維護提供數字化信息化表達，大大提高了建設效率。本文根據工程實例，對基于BIM 技術的建筑給排水的設計優化進行探討分析。

1 BIM技術在給排水管線設計中的優勢分析

1.1 可視化設計

傳統的土建部分設計工作基本上都是依靠CAD軟件完成，采用平面圖、系統圖、大樣圖將給排水管道展現出來，設計任務重、時間緊，在傳遞信息過程中會出現三維信息失真的現象，導致給排水設計與實際情況存在一定的偏差。而BIM 技術的可視化設計，具備顯著的實時性與直觀性特點，可以有效地保證信息在傳遞過程中的完整性。BIM 是基于全局層面繪制圖紙，可以對細枝末節直接進行優化設計，全面、便捷、直觀。

1.2 具有碰撞檢測功能

應用BIM 技術可以將管道綜合的狀況清晰、直觀地展現出來，消除傳統設計的管道碰撞現象。在BIM技術模式下，設計人員可以通過三維形式的管道模型了解管道內部空間的真實狀況，設計人員在繪圖時，不但能夠直觀形象地掌握管道碰撞沖突，還可以借助軟件自身提供的碰撞檢測功能對管道分布狀況進行檢測。一旦發現管道布設會產生碰撞，則可以直接對管道分布的位置進行合理的調整。

1.3 安裝模擬

傳統的設計模式中，因管道相互擠占空間，可能會導致資源浪費現象出現，甚至延誤施工工期。在時間維度引入三維設計，并編制出四維進度表格，實現施工項目可視化，對施工流程進行簡化，提高施工效率，降低資源浪費現象出現，還可以降低后期的設計變更內容。

2 基于BIM技術的建筑給排水設計案例分析

2.1 工程概況

案例工程項目總用地面積約為23674.71m2，總建筑面積134736.07m2。項目地下二層（局部4層）。地上分 A、B 兩棟，A 棟±0.00 對應的高程為17.90m，地上10層，建筑高度40.0m 對應的高程為57.90m。B 棟±0.00對應的廣州高程為11.80m，地上10 層，建筑高度40.0m對應的高程為51.80m。該項目屬于一類高層民用建筑。由于項目周邊市政道路高差將近10m，建筑采用夾層的方法來解決場地高差問題，這大大增加了給排水的設計難度。該項目采用CAD 二維設計圖紙+BIM技術相融合方式展開設計工作。設計團隊結合二維設計圖紙，在建筑、結構、給排水、暖通、電氣等各專業模型搭建完成以后，導入同一模型中進行碰撞檢查以及凈高分析。針對建筑給排水管道設計過程中出現的問題提出解決方案。

2.2 基于BIM技術的建筑給排水的設計優化

2.2.1 凈高分析

結合建筑物內部空間的高度差異、建筑功能差異，以及建筑物的吊頂形式，估算出建筑物室內環境的凈高度，在此基礎上對管線布設的高度進行設計[2]。結合建筑物的結構梁高，初步判斷給排水、暖通、電氣管線是否需要穿過梁體，并分析是否能夠通過調整管線避免穿梁。對于有凈高要求的房間，需要機電管線避開該區域或者穿梁。在實際項目設計中，因管線影響凈高的區域主要集中在地下一層車庫，塔樓核心筒設備管井區域以及設備房區域。需要利用BIM 技術重點對這些區域的管道進行凈高分析，優化管線走向，以滿足建筑使用功能。

2.2.2 管線避讓優化

因不同專業管線的重要程度、功能存在較大的差異，不同管線之間相互避讓是設計方案優化的核心內容。利用BIM 技術，很容易獲得一個合理的管道避讓設計方案，不但能夠提高建筑物內部空間的利用率，同時還可以避免資源浪費現象出現，最重要的是可以保證施工質量，加快施工進度。一般來說，管線避讓優化遵循以下幾點：（1）電氣管線在給排水管道的上方穿過，交叉位置應避免有管道接頭；（2）避免干管在梁底交叉，盡量在梁凹處解決交叉問題或更改管線為支管交叉，減少梁底占用高度[3]；（3）壓力流管線避讓重力流管線，小管避讓大管，檢修次數少、檢修方便的避讓檢修次數多、檢修不方便的。

建筑物地下空間的給排水、暖氣、電氣管線分布狀況見圖1所示。

圖1 地下空間內局部三專業管線排布圖

2.2.3 碰撞優化

建筑給排水的設計優化工作大致可以分為兩個方面：一是給排水專業自身的設計優化工作，二是給排水設計專業與其他專業之間的碰撞優化工作[4-5]。每個專業的設計工作都是使用二維圖紙獨立完成設計，這會導致不同專業的BIM 模型產生碰撞的可能性變大。結合該項目實際情況，在對給排水、暖氣、電氣進行優化設計過程中，發現管線碰撞現象比較嚴重，主要問題為：給排水管道與梁體、結構柱產生碰撞；給排水管道與暖通管道、電氣管道發生碰撞；室外排水管與地下室頂板梁碰撞。圖2 是某部位給排水專業管道與通風管道發生碰撞的情況，其解決方案為：將給排水管道的位置稍微向下移動。

圖2 碰撞調整前后對比圖

3 BIM正向設計在建筑給排水設計中的應用

3.1 給排水設計內容

（1）初步建模設計。在已有的CAD 設計圖紙的基礎上，完成地下5 層以及地上A1～A8 號樓的包括給水系統、熱水系統、廢水系統、雨水系統、中水系統、消防水炮系統、自噴消防系統以及消火栓消防系統在內的全部給排水系統的初步建模工作，利用已有的建筑結構模型，避免管線之間，以及與建筑、結構構件之間明顯的碰撞情況。

（2）多專業協同管線優化。按照管線避讓的基本原則，利用BIM 的三維可視化特性，對機電層、地下空間、走廊拐角等管線布置復雜的局部進行管線綜合，旨在使管線分布合理并滿足美觀性要求。以該項目地下三層管線優化為例，利用Revit 軟件自帶的分析功能，對建成的MEP 全專業模型進行碰撞檢查，發現原設計中7 處給排水專業內部的設計錯誤，24 處給排水管道與結構梁、柱之間的碰撞，63 處給排水與暖通、電氣專業的管線之間的碰撞，通過與其他專業協調管線的具體分布，解決了這些碰撞問題，提高了建筑物內部空間利用率，減少了資源的浪費，使設計方案更加完美。

（3）正向設計分析。正向設計指的是從項目開始的草圖設計階段一直到最終的交付成果全部由BIM 技術設計完成，無需利用CAD 設計初稿文件作為輔助。以金融城二期項目中A5 號樓的建筑標準層為實例，以正向設計方式完成的模型，與原設計相比，在管線設計之初就需要規劃好空間的位置排布，簡化了設計流程卻加大了設計的難度，對設計人員的專業能力和規劃能力提出更高的要求。而且由于軟件功能的限制，使得正向設計的操作較一般建模更為繁復，工作量巨大。

3.2 BIM正向設計結果分析

本次正向設計分析選擇標準層的衛生間給排水設計方案作為研究對象。建筑物衛生間的給排水設計是整個給排水設計任務中的重要構成部分，在給排水專業設計工作中具備一定的代表性。

（1）設計方法分析。通常情況下，傳統的設計方法都是采用CAD 技術對建筑物的給排水系統進行設計。設計人員應先對用水主體進行確定，比如，建筑物空間內部的衛生器具、自噴系統的位置、消防栓安裝位置；然后對供水管道的位置進行布設，明確指出主管、支管的位置，確保供水系統的需求得到滿足；最后確定管道的技術參數。

在BIM 正向設計過程中，因軟件自身的限制，需要提前設置好管道的技術參數，例如，管道的直徑、管道的材質等，當管道的技術參數全部確定以后，才能夠繪制圖紙。因此，開始設計前，需要設計師對供水壓力進行計算，這在一定程度上提高了正向設計的難度，還需要設計師擁有豐富的設計經驗，否則，難以保證設計質量。

（2）設計結果分析。在使用傳統方式對建筑給排水系統進行設計時，排水管道的布設通常應先確定具體的布設方向，但對于走廊過道、樓梯轉角部位的管道布設不夠清晰，會導致設計階段與施工過程中產生一定的沖突，后期出現返工情況。而利用BIM 技術進行正向設計時，以建筑結構模型為基礎，建筑給排水能夠直接確定出管道部位的具體位置，例如，供水管道是否緊貼梁體、供水管道與墻體之間的距離等問題，在經過正向優化設計以后，指導管道施工。

（3）軟件操作分析。在進行BIM 正向設計時，因為處理的數據較多，軟件對電腦配置要求較高，軟件操作比較復雜。同時，在三維空間的設計需求下，局部位置的相關信息的捕捉難度比較大，后期修改的難度也相應提高。

4 結束語

使用BIM 技術不但能夠為設計人員提供一個可視化的建筑物模型，還可以對整個工程項目的生命周期進行精細化管理。但BIM 技術應用尚存在以下問題：管道若未連接，可能會直接導致整個系統無法進行計算；在建筑工程全生命周期中應用BIM 技術，涉及大量信息和技術參數，對信息的管理難度較大；數據信息傳遞會有不通暢的情況，設計軟件提供的接口尚未開發完善。因此，需進一步構建管道、設備、系統之間完整的邏輯關系，在建筑給排水設計過程中，盡量避免以上問題對設計的影響。