建筑工程中BIM机电设计管控应用实例 黄在群

发表时间:2019/12/16   来源:《建筑细部》2019年第14期   作者:黄在群
[导读] CAD诞生于二十世纪60年代,随着其诞生将手绘图纸转变成在计算机内创建2D数据模型。

上海融创房地产开发集团有限公司  上海  201106
  摘要:本文通过结合工程实例,阐述了BIM(建筑信息模型)技术在高档办公楼装修项目中的应用及管控方式。上海虹桥商务区隆视大厦作为实例项目,机电设施已施工交付完成,新装修方案需要在保留原有系统基础上重新进行设计排布,另外大楼中空间功能需求多、机电系统繁多、精装修要求高。首先通过三维激光扫描技术结合BIM技术,100%逆向还原现场管线的安装情况,然后对比新装修方案进行精准分析;其次通过BIM技术的应用可以很好的协助审核设计缺漏问题、各专业碰撞综合协调、实现交叉施工的可施工性、完成重要区域净高控制、实现高品质的空间使用。
  关键词:BIM;三维激光扫描;项目应用;设计管控;机电成效
  
  
  引言
  CAD诞生于二十世纪60年代,随着其诞生将手绘图纸转变成在计算机内创建2D数据模型,舍弃绘图板可以说是工程设计领域第一次革命。随着人口增长及城市发展,建筑设计逐步复杂化、多功能化,设计难度逐渐增加,图纸深度要求越来越高,传统的二维设计难以胜任多元化要求,因此越来越多的项目开始采用BIM设计技术[1]。BIM(Building Information Modeling,即建筑信息模型)是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程各种相关信息的工程数据模型[2],在整个建筑工程中,设计、施工、运营过程都是不断优化的过程,同时受到建筑复杂程度、不具备准确信息及设计时间等限制,而BIM 及配套工具提供了进行优化的可能,并能提供优化后的实际存在[3]。
  1项目BIM应用
  1.1项目介绍
  隆视大厦项目位于上海虹桥商务区,为多层办公商务楼,对称双子楼结构。本次装修范围是靠近兰虹路的2号楼整栋,地上6层、地下1层建筑面积总共约15000平方米,主要有开敞办公、独立办公、大中小会议室、多功能培训教室、厨房餐厅、娱乐健身、品牌馆、咖啡馆等功能。
  
  图1  项目效果图
  1.2项目应用
  本项目之前已按开敞办公业态完成竣备验收(功能区域预留机电条件),本次将按需求重新进行二次精装修设计。项目层高为3.95米,梁底净高为3.05米,但内装修造型复杂,完成面底标高要求在2.6米以上,重点空间要求在2.8米以上,使得安装净空间非常局促,另外建筑内空调水、通风、防排烟、给排水、消防水、强弱电桥架等系统一应俱全,管线排布密集且交叉多,尤其是走道管线最集中的区域宽度仅1.5米,机电设计及深化难度较大,常规的二维施工图无法满足要求,靠现场调整、拆改来实现更是不可能,故在项目设计过程中采用了三维激光扫描技术及BIM设计技术,技术介入分为三个阶段:
  (1)项目前期介入:利用三维激光扫描技术形成既有建筑模型,为项目的设计形成既有建筑模型,为项目的设计提供可靠的数据支持。
  (2)设计阶段介入:利用BIM技术进行设计优化和施工深化,提高图纸的质量,保证项目的可施工性。
  (3)施工阶段介入:利用BIM技术配合施工单位,完善并优化由于各类变更产生的各类施工问题,提供解决方案。
  
  图2  整体土建模型
  
  图3  整体机电模型
  2 BIM技术的应用
  本项目为收购项目,前期介入后发现竣工资料不全且版次多,经现场查勘后又发现竣工图纸无法反应现场实际安装情况,不仅标注信息不全且无标高,设备管线的个数、位置等均有不同程度的偏差,无法作为二次装修深化设计的设计资料,再加上项目前期希望能够对现有机电设备和管线进行利旧,对图纸质量要求更高,现有竣工图无法满足要求。考虑到传统的测量方式周期较长,且最终提供的图纸准确性、直观性都较差,故决定采用在旧改工程中新出现的三维扫描技术,并与BIM技术无缝衔接进行反向建模,三维重建了现场的竣工资料。
  2.1实施流程
  本次采用的三维激光扫描技术是从复杂实体中重建目标的全景三维数据模型,主要是获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据,并进行高精度的三维逆向建模。这项技术广泛应用于文物、航天、船舶、军事、交通等行业,应用内容涉及目标的建模、复制、仿研、修复、维护等用途,目前一些复杂或现状还原度要求高的改建项目中也采用了三维激光扫描技术[4],本项目扫描逆向建模的流程及实施技术路径如下:
  
  图4  实施流程及技术路径
  2.2前期建模
  前期现场未施工时,因整体空间视野开阔、干预少、光线好等因素,为三维激光扫描提供了良好的测绘条件,每层设置了约70个扫描站点进行三维扫描,每一层完成扫描约需2-3天时间,按楼层扫描完成后当即进行点云模型的录入。经过专业技术人员处理,每层的数据导入大型服务器后独立运算约1-2天后可生成模型,点云模型生成后即可作为基础数据模型,此数据模型指导设计人员重新绘制BIM竣工模型及二维竣工资料。
   
  图5  扫描站点位置          图6  FARO扫描仪
  2.3模型生成
  逆向建模过程看似繁琐,但通过合理的安排,实际使用的时间较短,整个项目设计面积约13000平米,最终3周时间完成点云模型设计,总计1个月左右完成了现场机电管线安装情况的BIM逆向建模。生成的点云模型可360°查看现场情况,观看效果类似于高清照片而且可以进行距离测量,真正做到了没去过现场也能随时查询现场状况,无需安装专业软件通过WEB页面即可打开点云模型,通过选择扫描点可查看其周边情况并进行测量。
  
  图7  三层东电梯点云模型图
  
  图8  五层楼道点云模型图
  如图6所示,三维点云模型可测量得到电梯厅石膏板吊顶底标高为2.742米,走道排烟风管底标高为2.364米,其余风管水管底标高为2.755米,走道(有门框处)宽度约1.5米,走道(无门框处)宽度约1.629米,可帮助机电设计师进行空间分析和管道走管。
  如图7所示,三维点云模型图可测量出其斜度和可通行空间,可帮助精装设计师进行精准空间设计和完成装饰需求,所需要的数据基本均可通过三维照相成像及测量得到。
    
  图9  四层西走道竣工照片 图10  四层西走道点云模型 图11  四层西走道竣工模型
  如图8~10所示为实景、点云模型、BIM模型的对比图,点云模型通过高精设备及技术手段基本还原了现场,依据点云模型绘制的BIM模型也同样完美的复制了现场管线安装情况,展现出实景的建筑技术信息。
  2.4模型分析
  除了生成点云模型及对应的BIM竣工模型,结合现场的需要,同时能够完成了如下详细技术资料和问题分析报告。
  
  
  图15  机电专业竣工图
  (1)地坪图:表示了现场的地板完成面情况,分为架空地板、石材和毛地面,占用高度分别为100mm、60mm和0mm。
  (2)净高示意图:表示了现场顶板完成面情况,分为板底高度、梁底高度、机电管线底标高(或吊顶标高)。
  (3)管线综合竣工图:所有建筑、结构、机电管线的综合平面图及剖面图。
  (4)机电专业竣工图:分为空调通风、空调水管、防排烟、消防水、给排水、强电桥架、弱电桥架等图纸。
  现场问题报告包括核查现场与原竣工图纸不一致情况(建筑格局不符、机电系统缺失等)及现场安装问题等。
  
  
   图19  冷凝水立管位置不符
  2.5综合优化
  项目设计阶段中,BIM设计的主要工作量集中在管线综合优化过程中,经过与机电施工图设计单位、精装修设计单位、甲方设计等多方不断的沟通、协调、优化,在保证了机电功能、施工条件和净高效果前提下,最终达成需求一致。本项目管线综合优化部分案例如下:
  (1)东西侧走道管线综合优化:不改变设计方案仅通过BIM优化,东侧、西侧走道管线底标高从2375mm优化至2700mm,满足装饰其净高要求。
  (2)北侧走道管线综合优化:北侧走道有茶歇、洽谈等功能区,不像东西侧走道为纯通路,故需要设置FCU空调,通过BIM优化管线(与精装、机电设计优化方案)底标高从2450mm提升至2750mm,满足功能及装饰净高需求。
  (3)开敞区管线综合优化:开敞办公区通过BIM优化,管底标高从2.75m提升至3.0m,满足净高需求。
  (4)二次管线综合优化:部分区域仅通过BIM优化净空无法满足装修设计要求,需要结合管综和二次机电设计方案进行二次优化,通过协调各方优化整体方案,并最终满足装饰净高需求。
  (5)开敞办公区利旧方案:设计前期按照装修需求及现场安装情况,完成了开敞区专项利旧方案设计对比,综合判断净空抬高150mm左右,需要增加60万造价及25天工期,供领导决策。
  3 BIM设计的管控
  3.1设计管控流程
  为了实现BIM设计的价值点,除了依靠其自身的便利性,更需要通过合理、完善的BIM设计管控措施才能达成预期的成效,BIM设计职责及流程如下:
  
  图20  项目BIM设计流程
  3.2设计成果管控
  (1)多方审核
  施工图设计单位、项目工程部、项目设计部根据优化设计成果进行图纸审核,提出审核意见,对各阶段成果是否满足各专业设计要求、施工要求进行评定,以审核意见形式向BIM咨询单位和施工图设计院进行反馈,并形成审核纪要。
  (2)施工交底
  BIM设计单位在设计及招标完成后,应对项目工程部、监理单位、施工单位(至少包括总包单位、专业分包单位)进行不少于一次的技术交底和答疑。
  BIM设计单位在后期现场施工时,及时与现场沟通解决现场发现的问题及对设计变更进行再交底,完成现场施工服务。
  (3)跟踪管控
  在施工过程中,根据甲方、施工图设计单位提出的要求进行管线调整,并提供相应变更的综合施工图,如有需要还应提供节点详图或剖面图。机电安装施工前,项目设计部、工程部、BIM设计单位、施工单位共同检查现场预留孔洞的位置,数量;实行样板段安装时,共同对样板段进行检查,复核标高和走向;施工过程中,共同对设备、管道、桥架等标高、走向、安装质量进行综合检查。
  3.3设计重难点及措施
  建筑项目的设计、建造和管理是一个极其复杂的过程,它需要项目团队中所有成员之间自由交流与协作。以往二维图纸无法反映三维空间的信息,通常要通过设计师、工程师有比较丰富的经验、靠空间想象辅助完成,在协调过程中,更是因为各方沟通不畅难以达成一致意见,协调效率极低,所以常规设计中无法规避机电各专业管线和建筑、结构以及装饰部件的碰撞问题[5],如下表1为本项目机电改造设计重点、难点及应对措施。
  

4 BIM设计成效及价值点
  通过BIM三维可视化模型进行管线综合,第一时间发现问题并提交相关单位优化解决,重难点区域更是通过BIM的特性:所有建筑结构、设备管线管件等一览无遗,直观表达管线的上下翻弯和安装检修空间,且碰撞自动检查、任意剖切面等功能由相关单位直接通过模型现场协调出最有效的方案后落实[6],并最终达到模型内所见及所得,做到了最大限度利用空间,在设计阶段成功完成净高控制,现场精准实现装修的高度需求。
   
  图21  BIM模型截图  图22  现场管线照片  图23  最终装修效果
  5 结论语
  本项目通过BIM设计提高了整体图纸质量和工作效率,通过BIM技术建模、检查、分析、优化调整,不仅实现了可视化的精准设计提升了图纸质量,另外通过施工过程中的三维效果交底预演,实现了现场精确指导施工,尤其是重难点区域规避了很多可能发生的问题:因管线碰撞产生的返工,避免了施工签证索赔的费用;因项目现场整改方案不合理导致的重复整改,浪费了费用及时间且最终成品效果差;因设计图纸未综合考虑,造成管线走向不合理、运维空间无法保证等问题。

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