復雜鋼結構工程基于BIM 的管線綜合和凈高優化

張衛兵，蔣鳳昌，倪偉民，奚晟翔，徐桂鑒，奚學俊，卡海衣沙爾江·巴合提亞爾

（1.中國江蘇國際經濟技術合作集團有限公司，江蘇 南京 210008；2.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300；3.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇 泰州 225300；4.伊犁職業技術學院，新疆 伊犁 835000）

0 引言

在復雜鋼結構工程中，由于空間結構和功能布局復雜，相應地導致其室內機電管線布置復雜[1]。為了保證獲得高品質的室內空間效果，課題組結合泰州天祿湖國際大酒店復雜鋼結構工程項目，基于BIM“虛擬建造”空間分析，構建復雜鋼結構BIM 模型，同時構建機電設施設備BIM 模型和裝飾裝修BIM 模型，對三者進行“合模”綜合分析，協同優化，旨在保證鋼結構的安全、機電設施設備性能最優、裝飾裝修空間效果優良[2]，研究開發“復雜鋼結構-機電設施設備-裝飾裝修”協同優化的成套建造技術。本文重點闡述基于BIM 的管線綜合和凈高優化相關技術，以供類似工程借鑒。

1 工程背景

天祿湖國際大酒店項目（曾用名：養生理療基地、三環酒店），位于中國醫藥城-泰州國家醫藥高新技術產業開發區，野徐中路以西、三新路以北。該項目為泰州市十四五規劃的重點建設項目，建設標準為五星級酒店，質量目標為爭創國家優質工程獎，不僅體現高品質和豪華度，而且體現綠色生態，將建成為泰州市醫藥高新區的地標建筑。項目建設與天祿湖自然環境融合，構建現代城市運動公園服務基地，以該項目為背景，打造包含溫泉療養、綜合養生、中醫調養、婦幼康樂、運動療養和生態理療等復合多樣的養生理療基地，引領城市健康生活新模式。

建筑造型獨特，由3 個直徑72m 的圓環組成，如圖1 所示，包括A1 區、A2 區和A3 區，地下為負一層～負二層，地上為5 層～7 層，總建筑面積約66053m2，建筑高度30.5m。本項目主體結構為復雜鋼框架結構，存在較多的弧形鋼梁，樓面采用鋼筋桁架樓承板。

圖1 建筑效果

復雜鋼結構的BIM 模型如圖2 所示。整個項目鋼結構主要為箱形鋼柱、少量圓管柱，以及H 型鋼梁。鋼柱有箱形鋼柱和圓管柱，其截面有方鋼管FG600mm×600mm ×24mm ×24mm、FG600mm ×600mm ×22mm ×22mm、FG500mm ×500mm ×22mm ×22mm、FG500mm ×500mm ×20mm ×20mm、FG500mm ×500mm ×18mm ×18mm、FG400mm ×400mm ×18mm ×18mm、FG400mm ×400mm ×16mm ×16mm、?500mm ×460mm ×20mm、?600mm×564mm×18mm 等，鋼柱材質均為Q355B。鋼梁為H 型鋼梁，有焊接H 型和成品型鋼，其截面有H700mm ×400mm ×14mm ×26mm、H440mm ×300mm ×12mm ×22mm、H800mm ×350mm ×14mm ×26mm、H600mm ×400mm ×26mm ×30mm、H1600mm ×400mm ×26mm ×30mm、H390mm ×300mm ×12mm ×24mm、HM400mm ×300mm、HM550mm ×300mm、HN400mm ×200mm、HM294mm×200mm，鋼梁材質均為Q355B。

圖2 鋼結構BIM 模型

2 基于BIM 的管線綜合

為了避免復雜鋼結構工程項目的空間沖突、管線碰撞等錯誤和缺陷從設計階段傳遞到施工階段，應用BIM 三維可視化技術對施工圖設計階段的成果進行檢查，保證施工圖設計范圍內各種管線布設與建筑、鋼結構平面布置和豎向高程相協調，盡可能減少碰撞，同時應解決空間布局合理，滿足各功能空間服務工藝要求[3]。

2.1 管線綜合中BIM 實施內容

（1）基于施工圖設計圖紙，構建強弱電、給排水、暖通、消防等機電專業的三維幾何實體模型，并進行BIM合模處理，為復雜鋼結構工程機電各專業BIM 管線綜合奠定良好的基礎。機電專業BIM 合模如圖3 所示。

圖3 機電專業BIM 合模

（2）應用BIM 軟件自動檢測管線與管線之間、管線與鋼結構之間的沖突，包括實體模型占用同一空間的“硬碰撞”和影響安裝、檢修等過程的“軟碰撞”。基于BIM 管線綜合排布時，尚需考慮鋼結構上噴涂防火涂料厚度，通常鋼梁防火涂料厚可考慮2.6mm，鋼柱防火涂料厚可考慮3.5mm。

（3）基于BIM 優化調整管線布局，完成設計階段的管線綜合。同時應解決空間布局合理，比如重力管線延程的合理排布以減少水頭損失，常規的機電管線與酒店專用大管道及設備的協調，通常需要重點考慮機房、管廊等復雜部位，還需要考慮宴會廳、廚房、豪華套間等國際酒店特殊功能區域模型的深化設計[4]，這些情況皆需在BIM 三維管線綜合過程中加以考慮。

2.2 管線綜合中BIM 應用流程

碰撞檢測及三維管線綜合BIM 應用操作流程如圖4 所示。其主要包括數據準備、整合建筑結構和機電各專業模型、沖突檢測、三維管線綜合、管線優化等關鍵工序。

圖4 BIM 碰撞檢測及管線綜合應用流程

3 基于BIM 的凈高優化

為了保證復雜鋼結構國際大酒店工程項目的重點區域凈空高度滿足全生命周期安全、舒適的使用要求，對機電各專業管線的凈空高度和裝飾完成面的凈空高度應該進行嚴格的控制。通常可劃分為兩個階段：首先，在初步設計階段，布置主要管線時，應用BIM 技術，對重點區域作出初步分析，優化建筑結構及管線布局方案，為深化豎向凈空分析及三維管線綜合奠定良好的基礎。其次，在施工圖設計階段，經過碰撞檢測和三維管線綜合調整后，對建筑物最終的豎向設計空間進行檢測分析，進一步優化機電管線排布方案，優化各專業模型，獲得最優的凈空高度，用于工程施工[5]。

3.1 凈高優化中BIM 應用內容

（1）初步設計階段，分區域確定大廳、走道、機房、車道、重要功能空間等關鍵部位的凈空高度。

（2）基于模型初步布置強弱電、給排水、空調、熱力、動力、消防等主要管線，校核重點區域凈高。

（3）對結構大梁處、結構降板處、窄走道、機房門口走道、大尺寸暖通主管疊放區域物流系統經過區域等容易產生凈空降低的區域，進一步進行凈空高度的校核。

（4）施工圖設計階段，優化強弱電、給排水、空調、熱力、動力、消防、等綜合管線，通過計算機自動獲取各功能區內的最不利管線排布，繪制各區域機電安裝凈空區域圖（圖5），不同凈空高度采用不同色塊標識，以便及時發現最不利凈高區域，從而采取針對性優化措施。

圖5 BIM 凈高優化的典型樓層示例

（5）將管線綜合調整后的各專業BIM 模型、相應深化后的CAD 文件、豎向凈空分析報告等成果文件提交給建設單位確認，若有局部不滿足需求，則作進一步優化分析和調整，直至凈空高度通過審核。

3.2 凈高優化中BIM 應用流程

3.2.1 初步設計階段的凈高分析與優化

（1）收集數據，并確保數據的準確性。

（2）依據結構專業BIM 模型，分區域確定大廳、宴會廳、走道等關鍵部位的凈空高度。

（3）依據機電專業擴初圖紙構建主要管線BIM 模型，校核重點區域凈高，并進一步分析結構大梁處、結構降板處、窄走道等容易產生凈空降低區域的凈高。

（4）提出優化結構及管線的方案，確保重點區域和容易產生凈空降低區域的凈高滿足安全、舒適運營的需求。

3.2.2 施工圖設計階段的凈高分析與優化

（1）收集數據，并確保數據的準確性，保證各專業系統齊全。對暫時缺少圖紙的內容，則需按照類似國際大酒店工程項目的管線選型預留安裝空間及檢修空間。

（2）依據建設單位期望的凈空高度方案，逐層、分區塊核實需要凈空優化的關鍵部位，如走道部位（圖6a）、公共區域（圖6b）、車道上空（圖6c）等。

圖6 關鍵部位BIM 凈空分析剖面

（3）應用BIM 三維可視化技術調整各專業的管線排布模型，最大化提升凈空高度。

（4）審查調整后的各專業模型，確保模型準確。針對復雜鋼結構工程可采取的優化措施包括大截面尺寸管線的路由變動，例如影響較大的管線可從走道變換至房間內布置，也可考慮在實腹式工字鋼大梁上穿孔，解決部分機電管線的路由，還可以結合鋼結構大梁的結構高度，優化空調等末端設備的選型，從而有效降低鋼結構梁下機電管線的占用空間高度。

（5）將調整后的建筑信息模型以及優化報告、凈高分析等成果文件提交給建設單位確認。其中，對二維施工圖難以直觀表達的造型、構件、系統等提供三維透視和軸測圖等三維施工圖形式輔助表達，為后續深化設計、施工交底提供依據。

（6）若復雜鋼結構BIM 管線綜合及凈高分析確定采用梁上穿孔措施，則應提前傳遞信息至鋼構件加工廠，在鋼構件加工過程中進行孔洞留置，避免鋼結構在施工現場加工孔洞，從而避免產生施工困難和加工成本。

4 結語

項目組對復雜鋼結構工程的機電專業BIM 管線綜合和凈高優化，采用管線翻彎優化布局可以提升凈空高度200mm 左右，采用改進管線路由及鋼梁穿孔措施可以提升凈空高度多達300mm 以上，有效提高了建筑各功能區域的凈空高度，從而增加國際大酒店項目室內裝飾舒適感，提高建筑品質。泰州天祿湖國際大酒店項目已經獲得江蘇省高品質綠色示范項目、江蘇省建筑產業現代化（裝配式）示范項目、江蘇省綠色智慧示范片區項目等榮譽，為爭創國家優質工程獎項目奠定了良好基礎。