BIM 技術在減少砌筑結構與機電留洞沖突中的應用

徐 勝 林祿桐 付宏舉 連 健

砌筑結構（圖1）是指基于磚、石等材料進行砌筑的建筑結構，該結構主要分為墻體結構、柱結構、梁結構及拱結構等。其中，墻體結構是最基本的砌筑結構，其可以承受水平荷載和垂直荷載，起到支撐建筑物的作用[1]；柱結構則通常用于承受豎向荷載，如樓板或屋頂的重量；梁結構則用于橫跨柱子或墻體之間，承受水平荷載和垂直荷載；拱結構則是一種曲線形的砌筑結構，可以承受大量的荷載，常用于建造拱門或拱橋等建筑物。砌筑結構具有強度高、耐久性好、不易受環境影響等優點，但同時也存在施工周期長、成本高等問題[2]。因此，在砌筑結構中進行機電留洞十分復雜，需要充分考慮洞口預留方案[3]。

機電留洞是在建筑物施工時，為了方便未來電氣、通信、管道等設備的安裝和維修，在建筑結構不同部位預留的洞口。機電留洞可以有效地避免在后期進行電氣、通信、管道等設備的安裝和維修時，需要進行破墻、開洞等破壞性工作[4]。建筑信息模型（BIM）技術可以將建筑物的設計、施工和運營等全過程的相關信息集成到一個統一的數字化模型中，實現建筑物的可視化、協同和優化管理[5]。為避免砌筑結構與機電留洞沖突問題，該文采用BIM 技術設計機電留洞施工方案。

1 砌筑結構與機電留洞施工問題研究

1.1 工程概況

某建筑項目規劃用地103206 m2，總建筑面積140990 m2，其中，部分樓體規劃為門診醫技樓，為地下一層，地上四層結構，建筑高度為23.85 m。其中，暖通機房作為整個建筑的熱力控制中心，其管道、設備及電氣線路較為復雜，需要在設計時仔細規劃，避免日后的機電施工困難；消防泵房的內部設備和管道數量龐大，因此機電留洞方面的施工要求非常嚴格；變電所作為整個建筑的動力中心，其內部設備和電纜數量非常龐大，機電施工需要按照相關規定進行精確計算，以保證施工質量和安全。在門診醫技樓的機電安裝工程中，存在布線密集、設備眾多、管道曲折等問題，使預留洞口變得十分復雜，需要專業的設計和施工團隊共同協作，才能順利解決這些問題。

1.2 BIM技術應用在砌筑結構機電留洞中的必要性

BIM 技術應用在砌筑結構機電留洞施工過程中，可以有效提升施工效果，保障施工質量。本文從以下3 個方面分析BIM 技術應用在砌筑結構機電留洞中的必要性：

1）傳統砌筑施工過程中，實現機電留洞施工的難度較大，極易受施工人員的經驗和技術水平影響，容易導致機電孔洞數量不足或數量太多，從而降低砌筑體的質量。通過采用BIM技術，可以有效地規避這些問題，保證機電孔洞數量的準確性，提高施工效率和質量，優化施工過程，減少誤差和失誤，降低施工成本[6]。

2）傳統砌筑機電留洞方案設計存在很大的復雜性，而且常常由總工程師獨自設計，這需要耗費大量時間。通過應用BIM 技術能夠有效幫助施工技術人員深入了解排布立面圖紙，防止發生遺漏現象，節省了大量的時間。BIM 技術能夠提供可視化的模擬和預測功能，將復雜的設計轉化為直觀的3D 模型和4D 模型，并充分考慮到機電設備和留洞位置之間的關系，使設計方案更加合理。

3）傳統施工方案的應用過程中極易出現施工場地混亂問題，大量材料被堆放在場地內，施工管理效果較差，導致場地不規整、雜亂無章，影響了施工管理效果和進程的穩定性。通過BIM 技術生成的3D 或4D 模型，管理人員可以清晰地了解場地內材料的分布情況，以及它們與機電留洞設計方案之間的關系。這樣，可以實現對施工材料的有效管理和控制，避免了場地混亂和施工擁堵的情況，從而保證施工進程的穩定性[7]。同時，采用BIM 技術還可以實現機電留洞設計方案的精確實施。BIM 技術可以將機電設備、留洞位置等信息都融入3D模型中進行模擬和預測，從而避免出現設計方案和現場施工不符合的情況。

1.3 基于BIM技術的砌筑結構與機電留洞設計

在機電施工中，為了避免機電留洞與砌體結構發生沖突，項目實施前需要通過BIM 技術對各區域的留洞情況進行模擬和預測。這樣可以在施工前就發現并解決潛在的問題，降低施工風險。在項目實施時，利用BIM 技術生成的施工圖紙可以供現場施工人員進行參考和指導施工。這樣可以大大減少誤差和失誤，防止發生返工現象，提高工作效率[8]。此外，BIM 技術還能夠記錄施工過程中的數據，實現全程監控，保障施工質量和安全性。基于BIM 技術的砌筑結構與機電留洞設計詳見下文闡述。

1.3.1 建模前期圖紙準備

構建BIM 模型前，工程師需要結合現場施工方案確定機電留洞工程的2D 圖紙，并應用BIM 軟件構建工程3D 模型。

當施工方案十分明確時，可直接采用BIM 技術對機電留孔工程進行建模，同時配合方案輔助施工。施工方案圖紙不明確通常是指機電留洞圖提供不及時，導致BIM 建模受到影響。這種情況頻發于施工搶工階段，由于該階段的施工進度較急，相應部位的機電留洞圖紙經常無法及時提供。此時，需現場確認機電洞口與砌筑結構構造柱之間是否存在沖突，確認后圖紙工程師可以及時繪制機電留洞提資圖。完成建模前期準備工作后，即可開始構建BIM 三維模型。

1.3.2 基于BIM技術的機電留洞施工

在進行實際機電留洞施工時，通常會出現大量機電管道通過砌體墻的情況，而傳統施工需要通過大量部門的不斷協調，才能完成機電留洞施工。

本文利用BIM 技術對工程施工進行3D 建模，并將機電模型嵌入建筑模型中，同時結合輔助軟件在建筑模型上開洞。針對實際開洞過程中可能會遇到的問題，提出BIM 模型的規范條件，具體如下：

1）當機電管線與墻體存在沖突，或管件存在穿墻現象時，選擇單獨開洞方式。

2）對于成排的管道預留洞口以及管道直徑＞300 mm 的管道，需提前預留矩形洞口。

3）為暗裝消防栓預留洞口，預留標準參照相關標準。

4）為氣體滅火房間規劃泄壓裝置時，需結合消防單位提供的洞口尺寸預留洞口。

5）針對預留弱電排風機洞口，需要在風井處預留一面墻體，保障風井內的風管順利施工。

6）在機房內預留運輸通道，同時預留一面墻體，當設備完全進入場地后再進行砌筑。

通過BIM 模型實現洞口預留后，需要在平面視圖上標注預留洞口的大小、尺寸以及標高等施工信息。

1.3.3 BIM建模結果輸出

當完成BIM 模型洞口預留設計后，由機電安裝技術人員審核簽字，輸出建模設計結果，并按照建模內容進行砌筑結構與機電留洞施工。

2 應用結果

2.1 機電留洞情況分析

當通過BIM 模型進行機電留洞設計后，現場施工人員與技術管理人員對模型進行審核并按照建模結果進行施工。由于項目管理人員在BIM 模型初審階段未發現預留洞沖突問題，所以施工建設時未發生嚴重失誤，使該工程按時完成建設。

2.2 材料使用情況分析

經現場施工發現，每個管件均有固定編碼，管件消耗量未超出施工方案，可避免施工材料損耗過量。

2.3 施工安全質量分析

施工時未發現工期較長、進度無法開展等現象。BIM 技術可以模擬施工場景，使得施工人員能夠提前了解存在的潛在危險和安全風險，及時采取預防措施并避免事故的發生。此外，BIM 技術還可以幫助施工人員更好地理解施工圖紙和設計方案，減少誤操作和錯誤安裝的風險。另外，施工人員通過應用BIM 技術可以實現零誤差施工，有效避免由于圖紙不清晰或設計方案不合理造成的安裝質量問題。同時，也可以幫助監督和管理人員對施工質量進行實時監測，從而保障施工質量。

2.4 施工成本控制分析

利用BIM 技術可以將留洞的位置和大小以3D 模型的形式展示出來，使施工人員能夠更好地理解和控制施工進程，最大程度上還原現場施工狀態，提高施工的精度和效率，進一步節約了施工成本。此外，利用BIM 技術可以記錄施工的每一步操作，并實時更新到BIM 模型中，可以為工程竣工后的結算提供可靠的依據，確保預留洞口完整，同時降低了施工成本。

2.5 生產效益分析

利用BIM 技術能夠分析出需要安裝的設備數量、規格和儲藏位置，并對儲藏位置進行規劃，有效提高了施工效率。同時，利用BIM 技術能夠將所有參與人員的信息納入模型中，避免同一空間的任務沖突，保證各個施工環節的順利進行，從而有效提高了工程施工的生產效益。

2.6 洞口沖突頻率分析

應用BIM 技術施工前后的機電留洞沖突頻率如表1 所示。根據表1 可知，當按照BIM 建模結構進行機電留洞施工后，機電洞口的沖突頻率明顯下降。應用BIM 技術前，留洞偏位與留洞尺寸錯誤的沖突頻率高于20%；應用BIM 技術后，這兩種問題的沖突頻率明顯下降，且其他洞口沖突問題的沖突頻率也明顯下降。由此可看出，BIM 技術能有效改善機電留洞沖突。

表1 機電留洞沖突頻率

2.7 間接經濟效益分析

傳統的機電施工過程中，需要在砌體墻面上進行剔槽、鑿洞等操作來留出機電設備的安裝空間，這樣會對墻體結構造成一定的破壞和損傷，影響墻面的美觀和完整性。

而應用BIM 技術在施工前就能夠精確確定留洞的位置和尺寸，并對施工過程進行模擬，在施工過程中可以精準控制施工的每一個環節，從而避免操作失誤和二次修補，充分保障了墻面的完整性和美觀。

通過BIM 技術可以提高施工效率，降低了墻面維護和修復的成本，避免墻面后續發生開裂等問題，延長墻面使用壽命。這些因素都將為企業帶來間接經濟效益，有效降低企業的經濟成本。

3 結語

為提高工程施工的經濟效益，本文以實際工程為例，探討了BIM 技術在減少砌筑結構與機電留洞沖突方面的應用。通過利用BIM 技術設計砌筑結構與機電留洞施工方案，有效保障了機電留洞不會與砌筑結構產生大規模沖突，提高了工程施工的經濟效益和施工安全性。然而，本研究還存在一定的局限性，未涵蓋所有可能出現的機電留洞沖突情況。在未來研究中，可利用BIM 技術展開深入的施工方案設計，以充分發揮BIM 技術在機電施工中的優勢，使機電工程預留洞口更加全面。