BIM技術在高層建筑給排水設計中的應用

程建榮

（濰坊市政府性投資審計中心，山東 濰坊 261041）

隨著建筑行業的不斷發展和數字化轉型的不斷推進，BIM技術逐步應用于高層建筑領域。它不僅能在建筑設計與施工階段實現全流程數字化管理，更能為高層建筑的給排水設計提供全新的視角與方法。將BIM技術與現有的建筑設計流程相融合，構建一個高層建筑給排水設計的BIM模型，以此優化設計方案、精細化控制施工過程以及后期運營維護的智能化管理。在高層建筑給排水設計的過程中，借助BIM技術優勢，為建筑團隊成員提供了一個高效便捷的協作平臺，使其可以在設計階段對各種設計方案進行多維度評估與優化，為高層建筑的給排水系統提供最佳解決方案，更好地滿足復雜建筑項目的需求，確保高層建筑的安全性、高效性與可持續性發展。

1 BIM技術在高層建筑給排水設計中的應用可行性

BIM技術是建筑信息模型技術，在高層建筑給排水設計中具有顯著的應用潛力，可以提高設計和施工的效率，并減少潛在的施工問題。在高層建筑給排水設計中，BIM技術的可行性主要有以下幾點。1）立體模型：BIM技術通過創建精確的三維建筑模型，為工程師提供了一個更直觀的設計視角。在傳統的設計方法中，工程師根據平面圖和剖面圖理解給排水系統的布局，容易導致設計錯誤。而BIM技術的立體模型便于工程師查看管道、設備和管線的位置和相互關系，更好地理解整個系統的構造，提前識別問題。2）協同工作：高層建筑項目的團隊通常涉及建筑、結構工程等多個領域的專業技術人員，BIM技術提供了一個共享的工作平臺，促進成員間的協同工作。各專業領域的成員可以同時在同一模型上工作，并及時共享信息和反饋，從而提前發現潛在的沖突，確保高層建筑給排水設計的協調性。3）碰撞檢測：BIM軟件的碰撞檢測功能是高層建筑給排水設計中的一項重要利器。它可以在設計階段自動檢測可能存在的沖突，例如管道與結構元素間的干涉，可以減少施工過程中的問題，避免在施工現場進行緊急修復工作，節省了時間，從而提高了整個項目的效率[1]。4）可視化模擬：BIM技術不僅可以建立靜態的建筑模型，還可以模擬不同排水方案的效果。工程師可以使用BIM軟件來模擬排水管的坡度、容量和水流模擬，以評估各種設計選擇的性能，有助于確定最佳設計方案，保證排水系統在實際使用中的高效性和可靠性。

2 BIM技術在高層建筑給排水設計中的具體應用

2.1 信息收集

首先，通過地理信息系統（GIS），獲取項目區域的地形和地下管道信息，以決定排水系統的位置和路徑。通過與建筑師或建筑設計團隊合作，共享現有的建筑圖紙和文檔，例如建筑平面、立面和截面圖。其次，在建筑物內或外部安裝激光掃描儀設備，安裝位置應易于訪問，避免將設備安裝在高處、危險區域或阻礙通行的位置，以便施工人員能夠輕松地進行設備設置和監控掃描進程[2]。配置激光掃描儀的掃描分辨率為5mm，掃描密度為600點/m2，保持掃描范圍為水平360°，垂直±90°，保證點云數據的質量和密度。將激光掃描儀采集的點云數據，以點的三維坐標（x、y、z）的形式存儲在計算機或數據記錄設備中。最后，使用Autodesk Recap軟件對采集的數據進行處理，通過ICP（最近點迭代）算法將多個掃描位置的數據融合成一個坐標系，以實現點云配準。計算過程如公式（1）所示。

式中：T為變換矩陣；pi為參考點云中的點；qi為目標點云中的點；d（pi，qi）為距離度量；||T·qi-pi||為經過qi變換T后與pi間的距離。

通過最小化點云間的距離找到最佳的剛性變換T，使目標點云qi經過變換T后與參考點云pi盡可能接近，從而集成不同數據源的信息，更好地表示高層建筑物的整體結構和形狀。使用密度濾波，調整點云數據的密度，在需要更詳細信息的區域增加點的數量或在不需要的區域減少點的數量，提高基礎數據的準確性和質量。此外，還應收集有關現場已有管線、電纜和通信線路等基礎設施信息，避免潛在的沖突的同時，優化資源利用，確保給排水系統能順利安裝和運行。

2.2 創建BIM模型

由于高層建筑對管線綜合協調空間的要求很高，傳統CAD二維制圖較難滿足項目要求。因此，選擇Revit軟件作為BIM工具，將點云數據導入BIM項目中，使用Revit建模工具迅速生成創建高層建筑基礎三維模型，包括建筑結構、外觀、屋面和幕墻等元素[3]。在基礎模型中添加排水管道、排水口、污水處理設備、水泵和水箱等給排水系統的元素，確保這些系統元素與建筑的結構和空間布局相協調。BIM模型創建流程如圖1所示。

圖1 BIM模型創建流程圖

使用Revit參數化建模功能，精細定義管道流量、水力坡度等給排水系統的關鍵參數。為確定管道的尺寸和流量，計算水力坡度S的過程如公式（2）所示。

式中：S為水力坡度；h1和h2分別為管道的起始和結束高程；L為管道長度。

水力坡度決定了水流的速度和流向，足夠的坡度可以確保水在管道中流動，避免積水和排水問題。通過計算水力坡度，確保管道系統能夠滿足設計要求，防止漏水或水壓不足，從而順暢地運輸水或廢水。使用Manning方程計算自由流條件下的管道流量，如公式（3）所示。

式中：Q為流量，s/m3；n為粗糙度系數；A為管道的橫截面積；R為水力半徑；S為水力坡度。

通過確定管道系統的能力，細化給排水系統設計，確保其流量夠大，以滿足設計中的預期水流需求，自動化高層建筑給排水設計。利用Revit關聯性功能，生成給排水管道連接件、變徑、轉彎等需要預先設置的構建類型，將排水系統的元素與建筑模型的其他元素（例如樓板、墻壁）正確關聯，保證一致性。針對給排水管道專業的需求，使用Revit的規則和篩選功能，根據管道的屬性值建立顏色編碼規則，藍色為冷水供應管道，紅色為熱水供應管道，綠色為排水管道，黃色為特殊流體或廢水管道，從而在模型協調過程中提供更多信息[4]。此外，根據實際需求控制管道的可見性，以便在設計過程中有選擇地顯示或隱藏特定管道。生成的三維模型及點云數據以LAS、PLY、OBJ等格式輸出，以供建筑設計、分析、可視化或其他應用使用。使用Revit的協同工作功能，允許多個團隊成員同時通過Revit客戶端或Revit云端訪問中央模型，編輯和查看模型的特定部分，確保其他部分不會被同時編輯，以保證BIM模型參數的正確性。

2.3 管線避讓優化

不同管線的重要程度、功能存在較大差異，因此管線避讓優化是高層建筑給排水系統設計方案優化的關鍵步驟之一。在建立完整BIM模型的基礎上，根據建筑結構和管道系統的特點，利用BIM坐標識別可能存在沖突的水平、垂直和立面方向的潛在交叉點以及可能受到影響的梁、柱、墻等建筑元素。如果坐標系不匹配，就需要執行坐標變換，使其轉化為相同的坐標系，計算過程如公式（4）所示。

式中：?為新坐標，即沖突點的新位置；β為舊坐標，即管道或建筑結構原始位置的坐標；為平移矢量，描述坐標移動的方向和距離。獲取潛在交叉點后，借助設備重要性的定量分析以及設備可靠性的概率評估，確定管道系統的優先級，計算過程如公式（5）所示。

式中：φ為管道系統的優先級評估分數，用于確定管道避讓路徑；i為設備功能重要性，表示設備在給排水系統中的關鍵程度；q為設備在運行過程中的穩定性和可靠性；W1和W2為權重因子，用于平衡設備重要性、可靠性和沖突風險在評估中的相對重要性；c為管道系統與其他建筑元素間的沖突程度。根據高層建筑給排水系統的管道特性和優先級，精細化設定避讓策略，以確保管道能夠順利穿越或繞過其他建筑元素[5]。避讓指數ω的計算過程如公式（6）所示。

式中：Dp和Ds分別為管道和建筑結構元素在水平方向上的寬度或直徑；Lp和Ls分別為管道和建筑結構元素在水平方向上的長度；Rp和Rs分別為管道和建筑結構元素在垂直方向上的高度和半徑。通過綜合考慮管道和建筑結構元素的尺寸、長度和高度，確定避讓策略的具體數值，使管道能夠在與其他建筑元素的沖突中獲得足夠的空間，同時最小化對給排水系統的影響，從而為高層建筑的安全運營奠定基礎。

2.4 管線碰撞測試

在高層建筑的設計和施工過程中，給排水管線的規劃和布局是至關重要的。一旦管線的設計出現問題，就會導致嚴重的施工延誤、運營問題，甚至存在安全風險。因此，在管線設計和布局的各階段都需要進行碰撞檢測。在完成管線避讓優化后，使用沖突檢測的三維空間距離公式，獲取三維空間的物體間距離d，如公式（7）所示。

式中：x1、x2為在x軸方向上的坐標；y1、y2為在y軸方向上的坐標；z1、z2為在z軸方向上的坐標。如果計算的距離d小于預先設定的容差值，就表明存在潛在的碰撞點。導航至Revit的“協作”或“查看”選項卡，選擇“碰撞檢測”工具，啟動碰撞檢測工作流程。管線碰撞檢測流程如圖2所示。

圖2 管線碰撞檢測流程

為能可視化沖突點，利用Revit的自動標記功能，對涉及沖突的對象進行高亮度顯示。匯總各管線的設計方案，通過重新布局管線、調整管道尺寸或者重新設計建筑元素等修正步驟，生成最終的高層建筑給排水系統設計方案，以便施工人員及時對施工圖紙進行修改，避免施工或運營階段出現管道穿過梁、柱或墻體等情況，保證高層建筑的給排水系統設計具備高效性和可靠性。

2.5 正向設計分析

在高層建筑給排水設計中，正向設計分析是BIM技術應用的最后一步，有助于工程師在設計初期就評估系統的性能，以便做出優化和改進。當建立性能模擬時，邊界條件定義了系統的入口點和出口點，初始狀態以及外部影響[6]。在給排水系統的性能模擬中，基于標準條件（20°C和1kPa），定義流體的密度、黏度等屬性，用于初步設計和性能模擬。高層建筑給排水系統的流體（水）屬性表，見表1。

表1 高層建筑給排水系統的流體屬性表

確定系統在模擬開始時流體的初始速度、溫度和壓力分布等初始條件以及周圍環境的溫度、濕度、大氣壓力等外部邊界條件。例如，確保初始邊界條件與實際系統的狀態相匹配。驗證邊界條件的準確性和一致性。如果邊界條件不準確或不一致，那么模擬結果可能會失真，因此在模擬前須仔細地檢查，以支持后續的優化設計。為減少管道阻力損失，使用Darcy-Weisbach公式，獲取管道摩擦損失值hf，計算過程如公式（8）所示。

式中：f為摩擦系數，其取決于管道材質和壁面粗糙度；L為管道長度；D為管道直徑；V為流速；g為重力加速度。較大直徑的管道能夠降低流體速度，內表面光滑的管道材料能夠減少摩擦，流線型的管道設計能夠減少阻力和摩擦損失。使用BIM技術，調整管道直徑、材料等參數，獲取最佳的管道尺寸和配置，最小化管道摩擦損失值hf，以提高高層建筑給排水系統的效率，降低能耗和運行成本，同時確保給排水系統能夠滿足項目所需的流量和性能要求。

3 結語

綜上所述，高層建筑的給排水系統是一個關鍵的領域，要求工程師在有限的空間內進行最高效的水流管理，同時保證建筑的可持續性和保障安全性。BIM技術提供了三維建模、碰撞檢測以及實時協作等功能，能使工程師更好地理解和優化建筑系統，不僅提高了設計的精度和可行性，還最大程度地減少了項目的錯誤和避免了重復工作，節省了時間和資源。隨著BIM技術不斷發展和完善，它在建筑工程中的應用前景將更廣闊。通過BIM技術的不斷創新和應用，以期為城市和社會創造更安全、更高效的建筑環境。