全生命周期BIM機電安裝工程應用分析
——以某高校技術(shù)勞動開發(fā)大樓項目為例

張 克

(龍巖學院 福建龍巖 364000)

0 引言

建筑產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟建設中擔任著重要角色，目前盡管還保持著總值增長，但是增幅較慢。而且建筑業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)效率相對較低，由于信息溝通不暢，以及質(zhì)量、尺寸等原因，造成工程返工、工期延誤或是設備與材料浪費等問題在建設中數(shù)見不鮮，加之設計圖紙修改頻繁未能及時糾錯，給建筑業(yè)生產(chǎn)造成了極大的浪費。

目前，在我國的建筑業(yè)的各大機電安裝項目中目前主要采用的是傳統(tǒng)的施工方式，由現(xiàn)場施工員讀懂圖紙，安排管線排布，之后依賴大量工人現(xiàn)場進行加工、安裝，但這種方法需要在現(xiàn)場安排大量的操作工人，這給現(xiàn)場的日常管理帶來了一定壓力。由于現(xiàn)場環(huán)境比較復雜，工作界面混亂，工人工作效率較低[1]。而且現(xiàn)場加工必定需要很多動火點，這無疑增加了現(xiàn)場的安全隱患。因此，很多的機電安裝企業(yè)開始嘗試采用BIM(Building Information Modeling)進行深化設計[2]。數(shù)字化加工及建造給機電安裝提出了更高的要求，對于管道不只停留在實現(xiàn)功能上，更從前期設計、施工管理、運營維護等的角度提出了新要求[3]。

隨著計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各行業(yè)數(shù)字化與信息化己經(jīng)成為當今社會發(fā)展的重點，在此情況下，建筑業(yè)的信息化發(fā)展成為必然。隨著建筑信息化的開展，三維展示及應用的好處逐漸凸顯，可以在施工單位進入施工現(xiàn)場前實現(xiàn)機電的綜合調(diào)整[4]，在前期能進行方案比選，設計時做到綜合規(guī)劃，施工時能精確安裝[5]，不但能減少人工工作量，還能提高安裝工程質(zhì)量，節(jié)約資源，降低成本。為此，將機電安裝工程與BIM應用技術(shù)相結(jié)合，應用BIM技術(shù)在工程全生命周期中對機電工程進行管理和控制，是機電安裝工程將來的發(fā)展方向[6]。

近年來，研究BIM在整個生命周期中的應用逐步發(fā)展，理論方面初現(xiàn)成效，對于實際BIM項目，主要是應用在大型項目中，其應用程度還不算廣，對于機電方面也缺少完整的應用思路。由于機電安裝工程具有體量大、專業(yè)多、工作復雜等特點，而且在運營階段的管理較少涉及，因而，完整的分析在工程全生命周期中應用BIM技術(shù)解決機電工程中的問題，對其發(fā)展具有重大意義。

1 機電安裝工程特點

機電安裝工程是建筑物及構(gòu)筑物中非常重要的一部分，是賦予整個項目血液和動力的線路，在工程中起著非常重要的作用。建筑機電工程領(lǐng)域，本身就包括水電、暖風等許多專業(yè)，管理難度較大。隨著消費者需求的提升，現(xiàn)代社會中各類建筑項目也更為復雜，這些在機電工程中得到了體現(xiàn)，各類強弱電、給排水線路等設計越來越復雜，安裝也更復雜，管理也更為困難，技術(shù)要求也較高。其特點如下:

第一，覆蓋范圍廣。機電工程涉及的范圍很廣。它涉及各種工業(yè)領(lǐng)域，不僅在建筑和房屋建設領(lǐng)域，而且在機械、工業(yè)、工廠、制造、市政等機電安裝領(lǐng)域。而且機電工程涉及到給排水管道的安裝、各種電氣管線的人性化設計、焊接質(zhì)量、設備尺寸、設備定期更換等等問題，這些都由不同的專業(yè)人員分管，需要大量的溝通協(xié)調(diào)工作。

第二，對象單樣性。每一種建筑都有自己的功能，即使是同一棟建筑，也會有不同的功能。機電安裝管線和其位置要符合法律法規(guī)的規(guī)定，但是具體設置也需要符合建筑物實際情況和使用者的需求，每一處都需要單獨設計，不能完全復制。

第三，限制因素較多。機電工程并不是獨立完成的，需要在各個階段與其他專業(yè)互相溝通、配合。在設計之初，各專業(yè)需要考慮相互協(xié)調(diào)、相互回避，還要考慮各專業(yè)機電安裝的協(xié)調(diào)與施工、結(jié)構(gòu)的專業(yè);在施工階段，土建工程應預留一些管孔；在運營階段，要考慮數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性，便于后期管理。

在工程全生命周期中，涉及范圍廣，持續(xù)周期長，限制因素多，運營維護頻繁的機電安裝工程，更需要加強各方的溝通與協(xié)調(diào)，以保證其順利進行。

2 建筑機電安裝工程存在的問題

隨著建筑行業(yè)市場的競爭越來越大，項目不僅僅要遵循法律規(guī)章，還需要提高用戶滿意度，用戶體驗感的需求提升需要機電工程的發(fā)展與完善。機電安裝工程不僅僅只是滿足使用要求，還需要提高管理水平、提高技術(shù)水平，設計更為人性化，以滿足生活和生產(chǎn)的需要。由于機電設備安裝施工涉及專業(yè)多，對于項目經(jīng)理來說如何管理，對于施工人員來說，如何配合其他方達到準確無誤的施工，都是較大的挑戰(zhàn)。目前，我國機電工程管理還存在一些不足之處，應該采取有效的技術(shù)或方法來改善。

第一，規(guī)范標準不完善。由于建筑機電安裝工程行業(yè)規(guī)范標準沒有跟上機電技術(shù)、設備的發(fā)展，不能及時完善。所以在真正施工時，機電安裝工作經(jīng)常出現(xiàn)無據(jù)可依、無規(guī)可循的情況。由于缺少這部分的規(guī)范標準，也會導致機電行業(yè)市場競爭趨于惡性，不利于行業(yè)的發(fā)展。

第二，設計及安裝匹配度不高。建筑和機電行業(yè)設計階段和施工階段一般是分開的，施工階段人員應盡量與設計階段人員進行多次、有效的溝通，以確保施工準確。由于目前設計方面，經(jīng)常修改，并沒有與施工方及時溝通，加上圖紙不規(guī)范的問題，導致設計施工互相脫離，無法準確實施安裝工作，阻礙了行業(yè)發(fā)展。

第三，信息化程度低下。信息化建設是下一階段建筑業(yè)發(fā)展的重要目標。信息的互通能夠使機電項目各參與者便于交流，各信息傳達不容易失真，同時減少溝通成本，促進機電安裝工程的發(fā)展。

3 BIM在機電安裝工程中的應用點

某高校技術(shù)勞動開發(fā)大樓投資1960萬元，為5層標準層、地下2層，總建筑面積7682 m2，實驗室及學生技能培訓場所，本研究是基于該項目的BIM模型建造和使用，探討B(tài)IM機電工程在項目全生命周期中的應用點。

3.1 應用BIM使各專業(yè)參與規(guī)劃決策

在項目前期規(guī)劃階段，主要是利用BIM技術(shù)讓各個單位更為直觀地了解項目整體情況，更為準確直觀地計算、評估各個方案，對項目全生命周期成本進行預測，全方位進行評價后確定較為合理的整體建筑方案。在該項目中，應用BIM 技術(shù)在方案初期考慮充分利用自然資源，合理確定建筑類型、劃分建筑空間，盡量在提升用戶體驗感的同時降低建筑能耗，降低污染，對確定后續(xù)機電設備的數(shù)量、類型等指引整體方向。

3.2 采用BIM機電工程設計更為合理

機電安裝工程涉及到建筑、結(jié)構(gòu)、設備、管道、電氣等，主要目的是保證室內(nèi)電力供應、通訊正常、給排水正常，防火等，因此它是賦予建筑物生命的系統(tǒng)，創(chuàng)建維護適宜的居住環(huán)境。而機電設備設計是指在保證建筑結(jié)構(gòu)形狀的前提下，對設備及各種管道進行合理布設，充分利用建筑物室內(nèi)空間，保證建筑物正常運行。

由于機電設計的特征，傳統(tǒng)模式下這部分工作較之前期具有明顯的順序關(guān)系。機電部分必須要在整體部分的設計完成后，才能在主體圖紙中添加設備、強弱電、水暖通的信息。

隨著社會發(fā)展需求的變化，以及設備更新?lián)Q代的原因，建筑物的功能也越來越復雜，而且業(yè)主需求可能會發(fā)生變動，這些最為直接的影響是機電設備、管道的改變。當機電設計完成后，如果建筑設計部分發(fā)生任何改動，其他專業(yè)需要隨之變動，若溝通出現(xiàn)差錯，最終設計花費的時間和精力會較大。該項目盡管是一棟地上5層，地下一層的單體式建筑，但是設計初期是辦公樓，設計后期又將之地下一層和地上兩層改成了實驗室，因此其排水、強弱電及各類管道部分都發(fā)生了改動。BIM在該項目設計階段的使用，能夠讓各專業(yè)保持更好的溝通，避免各專業(yè)之間的摩擦。一個部分發(fā)生了改變，后續(xù)及時進行修正，大大縮短了設計的時間。

3.3 機電設備布設自動化應用

機電設備種類繁多，一般在設計布設階段是按照規(guī)范要求手動布置。由于部分設備規(guī)則明確，當BIM應用于機電管理后，就能實現(xiàn)這部分機電設備的自動布設。本研究以某高校技術(shù)勞動開發(fā)大樓中消防構(gòu)件的灑水頭為例，演示機電設備的自動布設效果。

首先需要繪制構(gòu)件模型。利用Revit軟件繪制使用噴頭和管帽，并加入各構(gòu)件屬性，如型號、大小、維護廠商、OmniClass編碼等，可以在設計階段就對信息進行導入，而此屬性自此跟隨構(gòu)件到其生命周期結(jié)束，便于建立后續(xù)運營管理數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)管理機電設備。

接著，撰寫Dynamo模塊，制定布設規(guī)則。在撰寫該模塊前，需要確定構(gòu)件擺設的規(guī)則和分類，這些分類均可以通過查閱國家相關(guān)法律法規(guī)完成。Dynamo是一種視覺程序設計工具，是將多個元素鏈接到一起以定義關(guān)系和組成自定義算法的動作序列，開發(fā)者可使用其開發(fā)各種工具，以利用外部庫或任何具有API的Autodesk產(chǎn)品。該項目中，使用Dynamo Studio設定灑水頭布設規(guī)則，結(jié)果如圖1所示。而且，這些規(guī)則可以在設定后存儲為私人用，也可以上傳至網(wǎng)絡開放式平臺，豐富數(shù)據(jù)庫，讓更多參與者后續(xù)使用并完善。

圖1 自動布設灑水頭dynamo規(guī)則

最后按照規(guī)則進行自動布設。根據(jù)之前撰寫Dynamo自動布設灑水頭規(guī)則，利用 Dynamo抓取匯入Revit的Cad圖層，在抓取點位之后，可以調(diào)整樓層數(shù)以及高層，決定構(gòu)件放置的位置，并自行設定標高、族的類型，最后根據(jù)輸入的高度以及規(guī)則，可自動布設出灑水頭成果如圖2所示。

圖2 自動布設灑水頭成果

3.4 機電管線碰撞綜合檢查

在傳統(tǒng)機電管線碰撞中，重復工作量非常大，這就是由于二維圖紙溝通不順暢的原因。BIM技術(shù)應用能最大程度地發(fā)揮BIM所具備的參數(shù)化聯(lián)動特點，從參數(shù)信息到形狀信息各方面同步的修改，而且也沒有改圖或重新繪圖的工作步驟，更改完成后的模型可以根據(jù)需要來生成平面圖、剖面圖以及立面圖。

該項目中的三維可視化模型便于討論修改，提高了建造工作效率。電暖氣、給排水、建筑、結(jié)構(gòu)等各專業(yè)利用共同的BIM平臺建構(gòu)自己的信息化模型，在平臺中搭建到一起，構(gòu)成完整的建筑模型。各專業(yè)銜接快，信息不會失真，且計算機技術(shù)能智能判斷碰撞類型并匯總，便于各個專業(yè)修改并實時顯現(xiàn)調(diào)整結(jié)果。

最后，可以建立可視化漫游模型，全區(qū)域凈高復核，尤其針對管廊等用二維圖表達困難的區(qū)域，三維模型能給施工方提供準確信息。

3.5 施工管理的BIM應用

該項目負一層及一層為實驗室，設備眾多。在機電工程施工之前，可以對工程進行模擬，通過三維漫游、透明度、動畫來真實展示模型，通過設計人行路線感受該建筑及機電設備實體的特征，保證最終機電部分施工的效果。

施工中能應用BIM實時查詢，并進行信息更新。根據(jù)模型，BIM能協(xié)助施工人員實現(xiàn)3D機電安裝及設備模擬放置，同時添加設備的4D屬性。在施工中，只要選用任意設備實體，就可以查詢之前建模時輸入的各項信息，如名稱、類型、計劃安置時間等，并對場地信息進行統(tǒng)計，保證施工進度和機電安排的配合度，實現(xiàn)動態(tài)管理。

施工中需要分期對機電工程成本進行計算。由于機電工程不但復雜，而且工作量大，需要在施工中不斷拆分、統(tǒng)計，傳統(tǒng)方式多用手工計算，管理難度大，準確率不高。采用BIM進行管理，成本實時統(tǒng)計和更新，準確率高，其數(shù)值還能得到參建各方的認同。

在施工中，通過模型能明確各建筑安裝設備在建筑中的位置，從而降低施工返工率，提高工程質(zhì)量，降低資金損耗，也方便施工中成本信息的搜集及動態(tài)管理。

施工中可以通過對各工序的三維仿真計算，計算出工序、工期、人力、機械、場地等資源的占用情況，根據(jù)本工程的情況，提前擬定設備供應計劃，明確進場時間，還可以實時調(diào)整，優(yōu)化施工進度、資源配置和場地布局，實現(xiàn)多種施工方案的比較和選擇，從而更好地確定設備安裝的時間和順序。

3.6 機電安裝工程施工結(jié)束后的BIM應用

施工結(jié)束后，進入最后竣工結(jié)算階段，工程人員能夠利用BIM元素為實際構(gòu)件的特點，自動統(tǒng)計工程量明細，減少計價人員繁重的計算工作，提高了工作效率，其準確性也比較容易能得到保障。

BIM技術(shù)成果不僅應用在過程階段，在交付之后還需要繼續(xù)使用。特別是機電安裝工程，它與結(jié)構(gòu)工程相比，更新?lián)Q代時間短，更需要后期持續(xù)的維護和管理。BIM模型將構(gòu)件信息傳遞至運營維護階段，可以根據(jù)模型信息導出明細表，得到一系列規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，比如項目中涉及到設備系統(tǒng)名稱、系統(tǒng)分類、編號、OmniClass編號、類型、數(shù)量、樓層、制造商、維修成本、直徑、溫度等級、上次維修日等信息，同時可以建立包含設備信息的Access數(shù)據(jù)庫，方便整個項目機電設備在運營階段的維護管理。如果出現(xiàn)問題，可以迅速查找該設備的信息，尋找維修廠家，或者進行替換，而不需要查詢過多的紙質(zhì)材料。

4 結(jié)論

機電安裝工程是工程的重要組成部分，其順利完成關(guān)系著項目的使用質(zhì)量。將BIM技術(shù)引入機電安裝工程，在機電管線的設計階段以及施工階段可以真正起到縮減周期、協(xié)調(diào)各專業(yè)工作，在后期運營中能夠更好地管理，延長其使用壽命，并提高其使用質(zhì)量。本文總結(jié)了全生命周期中BIM技術(shù)在機電工程中的應用點，并通過實例測試，印證了各應用點的可行性，為后續(xù)大型項目應用該技術(shù)對機電工程進行管理提供了分析基礎(chǔ)。