基于BIM 技術(shù)的管道支吊架設(shè)計與校核

何亞龍，馬夢云*

（安徽晶宮綠建集團有限公司，安徽 合肥）

引言

當(dāng)下，數(shù)據(jù)時代全面開啟，信息技術(shù)與各行業(yè)之間的結(jié)合日益緊密。BIM 技術(shù)作為信息技術(shù)在建筑行業(yè)中集成應(yīng)用的代表，其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等特點，既是BIM 技術(shù)應(yīng)用成果的一種展示，亦是BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)分析能力的一種呈現(xiàn)[1]。BIM 技術(shù)的出現(xiàn)為機電安裝工程精細(xì)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。管道支吊架作為機電安裝工程的分項工程，對管道系統(tǒng)的安全及運行意義重大，但在實際項目中卻易被忽視[2-4]。同時，傳統(tǒng)支吊架設(shè)計、加工及安裝僅憑現(xiàn)場實測及安裝工程師自身經(jīng)驗來進(jìn)行，缺乏科學(xué)的數(shù)據(jù)分析作為支撐，后期存在較大安全風(fēng)險[5-6]。

本文基于BIM 技術(shù)對管道支吊架設(shè)計與校核進(jìn)行探索研究，詳細(xì)說明在實際項目中工程人應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用BIM 技術(shù)更加科學(xué)地布置管道支吊架，并對支吊架進(jìn)行受力計算。通過BIM 技術(shù)的集成應(yīng)用，提升項目整體機電安裝工程安全性。

1 工程概況

本項目為安徽阜南農(nóng)村商業(yè)銀行股份有限公司總部金融大廈建設(shè)項目，項目規(guī)劃總占地20 696.73 m2，總建筑面積28 176.54 m2。地下兩層為停車庫以及設(shè)備用房，地上一至三層為裙房，四至十九層為辦公塔樓。項目機電工程眾多，包含防排煙系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、廚房排油煙系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、雨污水系統(tǒng)、自噴系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、消防水炮滅火系統(tǒng)、動力配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等。

案例項目機電系統(tǒng)繁多、管線錯綜復(fù)雜、施工安裝難度較大，部分狹小空間區(qū)域需采用綜合支吊架對管線進(jìn)行安裝固定。考慮到綜合支吊架的專業(yè)性及安全性，利用BIM 技術(shù)對管道支吊架進(jìn)行深化設(shè)計，以滿足施工需求。

2 管道支吊架設(shè)計與校核

2.1 支吊架類型的確定

本項目管道系統(tǒng)眾多，管道布置方式多樣，管線走向較為復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及工程造價綜合考慮，案例項目管道支吊架類型采用以下兩種：

（1） 大空間區(qū)域因管道安裝空間較大，采用獨立支吊架對管線進(jìn)行安裝固定。

（2） 走道區(qū)域因空間限制，獨立支吊架施工難度較大，按照綜合管線的排布形式及走向，采用綜合支吊架對管線進(jìn)行安裝固定。

2.2 輔助設(shè)計軟件的選用

當(dāng)下，市場上的BIM 輔助設(shè)計軟件種類繁多，但對于管道支吊架深化設(shè)計模塊的開發(fā)均起步較晚。大多數(shù)軟件廠商開發(fā)的支吊架設(shè)計模塊僅僅只按照管道排布的剖面進(jìn)行支吊架樣式確定，沒有支吊架強度校核及驗算的相關(guān)功能。通過軟件功能之間橫向與縱向的比較，筆者最終從眾多軟件中選用紅瓦科技的建模大師（機電）作為輔助設(shè)計軟件。

BIM 輔助設(shè)計軟件的運用不僅提高了支吊架設(shè)計及布置的速度，也簡化了管道支吊架的受力分析。安裝工程師只需按照規(guī)范對管道及支吊架間距規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，繁瑣的計算過程交由軟件進(jìn)行，設(shè)計效率得到極大提升。

2.3 支吊架設(shè)計

管綜排布完成后，安裝工程師根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場施工經(jīng)驗確定支吊架布置的位置。同時，通過Revit剖面功能對支吊架所布置位置進(jìn)行剖切（如圖1 所示）。隨后利用建模大師（機電）的布置支吊架功能，對支吊架樣式進(jìn)行設(shè)計（如圖2 所示）。此階段需要根據(jù)經(jīng)驗確定支吊架鋼材型號，以圖1 所示剖面為例，支吊架吊桿及橫擔(dān)擬采用槽鋼進(jìn)行設(shè)計，槽鋼規(guī)格此時可不做要求。

圖1 Revit 管綜剖面

圖2 建模大師（機電）布置支吊架

2.4 支吊架驗算校核

支吊架驗算校核工作的主要內(nèi)容是對組成支吊架的各個構(gòu)件的自身材料強度及構(gòu)件間連接強度進(jìn)行受力分析，驗證支吊架在項目實際使用中承重的安全性和可靠性。

2.4.1 支吊架荷載分析

以圖2 所示的軟件布置支吊架形式為例，首先需確定管線荷載的計算長度，可根據(jù)GB50243-2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、GB50303-2015《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、GB50261-2017《自動噴水滅火施工及驗收規(guī)范》等驗收規(guī)范中對管道支吊架間距的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取。本案例風(fēng)管、橋架、水管為綜合共用支吊架，因此按照最小的支吊架間距3 m來考慮，管線荷載計算長度為支吊架前后各1.5 m 進(jìn)行計算。圖3 所示為支吊架荷載分布，各管線荷載計算如表1 所示。

表1 管線荷載表

圖3 支吊架荷載分布圖

2.4.2 支吊架驗算

利用建模大師（機電）軟件中支吊架驗算功能對支吊架進(jìn)行強度驗算：通過密度庫提前設(shè)置管線材質(zhì)密度；根據(jù)項目要求選用計算規(guī)范，設(shè)置管線計算長度，本項目選用GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計校核；上述要素設(shè)置完畢后，進(jìn)行初次驗算，如圖4 所示；查看驗算結(jié)果是否滿足，若不滿足，將對應(yīng)的構(gòu)件規(guī)格進(jìn)行調(diào)整并再次驗算；重復(fù)驗算結(jié)果檢查步驟，直至所有的核算項均滿足為止，如圖5 所示。

圖4 支吊架初次驗算結(jié)果

圖5 支吊架驗算滿足

2.4.3 支吊架計算書

支吊架強度驗算結(jié)果滿足要求后，即可通過軟件導(dǎo)出驗算報告，如圖6 所示。計算書中根據(jù)選定的設(shè)計規(guī)范對吊桿抗拉強度、橫擔(dān)抗彎抗剪強度、橫擔(dān)綜合應(yīng)力、焊縫強度以及螺栓強度等相關(guān)核算項的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計算。安裝工程師需根據(jù)規(guī)范要求，對每一項進(jìn)行復(fù)核驗算，以保證計算書的準(zhǔn)確性。同時，可根據(jù)業(yè)主要求對計算書格式進(jìn)行相應(yīng)修改，以滿足資料提交的相關(guān)要求。

圖6 支吊架計算書

2.4.4 支吊架報表

在傳統(tǒng)的管道支吊架安裝工作中，安裝工程師往往根據(jù)管線長度以及自身施工經(jīng)驗對支吊架下料進(jìn)行估算，誤差較大。利用BIM 技術(shù)對項目的支吊架進(jìn)行設(shè)計，需要對所有的管道支吊架進(jìn)行建模，由此可以利用軟件對項目支吊架所需材料進(jìn)行統(tǒng)計，并生成相應(yīng)的報表。以本次進(jìn)行設(shè)計校核的單個支吊架為例，利用建模大師（機電）導(dǎo)出支吊架報表功能，可對支吊架規(guī)格、鋼材以及管卡進(jìn)行統(tǒng)計，如圖7 所示。基于BIM 模型的支吊架材料統(tǒng)計，為材料用量、材料進(jìn)場時間及施工進(jìn)度提供更為精細(xì)的管控依據(jù)。

圖7 支吊架報表

3 結(jié)論

本文結(jié)合實際項目案例，對管道支吊架設(shè)計與校核展開研究，得出以下結(jié)論：

（1） 從經(jīng)濟性角度來看，基于BIM 的管道支吊架設(shè)計能對材料進(jìn)行精確統(tǒng)計，可以更好地把控工程造價。

（2） 從安全性角度來看，傳統(tǒng)支吊架設(shè)計多數(shù)以工程師自身經(jīng)驗為依據(jù)，支吊架強度及用量缺乏數(shù)據(jù)作為支撐。

基于BIM 技術(shù)進(jìn)行管道支吊架設(shè)計校核，可借助軟件按照規(guī)范要求對所需強度參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，讓現(xiàn)場管道支吊架設(shè)計更加安全，布置更加合理。探索BIM 技術(shù)在管道支吊架設(shè)計及施工的落地應(yīng)用，對改進(jìn)傳統(tǒng)的施工理念有重要的意義，值得廣大學(xué)者深入研究。