基于BIM參數(shù)化的室內(nèi)空間凈高優(yōu)化方法

范冰輝，孫 綺，陳 鏗，張巖清，黃向?qū)?/p>

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108； 2.福建青云季建筑科技有限公司, 福建 福州 350004)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建筑行業(yè)的不斷革新，為滿足用戶各種功能需求，建筑空間內(nèi)水、電、暖、消防、空調(diào)、通風(fēng)等專業(yè)的管道及設(shè)備日趨復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)形式也日新月異，使得建筑室內(nèi)空間、特別是凈高受到了較大的制約[1]。凈高不足會(huì)影響住戶居住的舒適程度和室內(nèi)的采光以及通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致室內(nèi)氣氛壓抑、環(huán)境不佳，造成居住者感官上的不適。為了解決室內(nèi)空間凈高不足，方案設(shè)計(jì)中經(jīng)常不得不提高建筑樓層的高度，但會(huì)大大增加工程的造價(jià)，無(wú)法充分利用建筑資源[2]。

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)技術(shù)由美國(guó)科學(xué)家Eastman于1975年建立的BDS系統(tǒng)的理念發(fā)展而來(lái)[3]；應(yīng)用至今，BIM技術(shù)以其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)而得到土木工程領(lǐng)域越來(lái)越多的認(rèn)可[4]，目前在設(shè)計(jì)與施工階段均得到了廣泛的應(yīng)用[5]。為了提高建筑設(shè)計(jì)的效率，林耀等利用BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)管理，分專項(xiàng)建立管線的三維立體模型，對(duì)現(xiàn)有管線設(shè)計(jì)進(jìn)行初步碰撞檢測(cè)，為后續(xù)開(kāi)展室外綜合管線正向設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[6]；王成武等以海南軟件園酒店項(xiàng)目為例，通過(guò) BIM 系統(tǒng)建模優(yōu)化原始平面設(shè)計(jì)，進(jìn)行碰撞檢查、管線綜合優(yōu)化調(diào)整及漫游和凈高檢查，建立機(jī)電模型構(gòu)件的施工標(biāo)準(zhǔn)，提高施工質(zhì)量[7]；漆麗英等從BIM軟件的全面碰撞檢查、解決樓層凈高瓶頸、三維審圖等方面改進(jìn)了Revit 本地化，提高了易用性和翻模的效率，結(jié)合設(shè)計(jì)流程提供了多種批量建模及管線綜合調(diào)整方面的功能[8]。

總體而言，在輔助設(shè)計(jì)中，BIM在對(duì)機(jī)械、電氣及管道(MEP)的碰撞檢測(cè)和排布優(yōu)化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用目前已經(jīng)比較成熟；利用 BIM 三維軟件預(yù)先確定各管道與建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)空間位置，或在軟件中預(yù)先標(biāo)定最低完成面，形成緊湊的空間，可以獲得最佳的凈高[9]；這也成為BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的主要應(yīng)用點(diǎn)之一[10]。然而基于機(jī)電管道碰撞檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行凈高分析和優(yōu)化時(shí)，由于BIM軟件自身無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的空間凈高檢測(cè)，而需依靠設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)判斷和人工操作方式對(duì)模型進(jìn)行逐步剖切、測(cè)量和分析，效率低、準(zhǔn)確性和全面性差[11]，導(dǎo)致BIM技術(shù)的價(jià)值難以得到完全發(fā)揮，影響了建筑凈高設(shè)計(jì)的效率；而這方面的研究還較為欠缺。為此，本文引入Dynamo參數(shù)化原理與可視化編程，與BIM平臺(tái)較為成熟的Navisworks碰撞檢測(cè)相結(jié)合，建立建筑凈高二次優(yōu)化方法，以期提高凈高優(yōu)化和MEP設(shè)計(jì)的效率。

1 影響空間凈高的主要因素

部分建筑凈高要求如表1所示[12]。由圖1可以看出室內(nèi)凈高的決定因素如下：

(1) 層高：這是基礎(chǔ)因素，顯然只有較高的層高，才能提供較高的凈高。

(2) 梁板厚度：這是占用層高空間的因素，一般根據(jù)開(kāi)間跨度在600 mm～1 000 mm之間。

(3) 水，電，空調(diào)管線占用凈高：主要占用梁下空間，科學(xué)的設(shè)計(jì)中可以合理安排多種管線的高度關(guān)系，部分可以穿過(guò)或繞過(guò)梁進(jìn)行排布，這一因素一般占用100 mm～500 mm。

(4) 吊頂系統(tǒng)：根據(jù)吊頂系統(tǒng)的不同，如實(shí)吊頂系統(tǒng)會(huì)比中空的吊頂系統(tǒng)占用的空間大，一般在50 mm～100 mm之間。

表1 不同建筑類型的空間凈高要求

圖1 空間凈高影響因素分析

在方案設(shè)計(jì)既定的樓層高度前提下，為了解決室內(nèi)空間凈高不足，實(shí)踐中的做法有減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，例如梁的高度、樓板的厚度，但這會(huì)造成結(jié)構(gòu)承載能力降低；或在梁構(gòu)件上開(kāi)洞穿管，縮小管線所占用的高度，但這會(huì)削弱構(gòu)件截面、也影響結(jié)構(gòu)安全性。這樣，通過(guò)機(jī)電管線綜合設(shè)計(jì)和管線二次排布優(yōu)化，就成為最經(jīng)濟(jì)可靠的增加凈高的途徑。

2 基于BIM參數(shù)化的室內(nèi)凈高分析方法

2.1 Dynamo參數(shù)化編程

Dynamo是一款基于BIM平臺(tái)的功能強(qiáng)大并且簡(jiǎn)單易用的參數(shù)化、可視化編程插件，使用連線連接多個(gè)計(jì)算模塊，用于定義邏輯關(guān)系和創(chuàng)建算法，在3D空間中生成幾何圖形和處理數(shù)據(jù)，就能建立解決問(wèn)題的程序[13]；定義控制參數(shù)之后，遵循變量流入流出的邏輯，使其設(shè)計(jì)的程序成為一張流程圖；很多大批量、重復(fù)性和機(jī)械化的工作可以交給軟件自動(dòng)處理。因此，Dynamo可以實(shí)現(xiàn)模型的凈高分析、參數(shù)化建模、批量處理模型信息等[14]?；贒ynamo可視化編程平臺(tái)，結(jié)合Revit二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)基于BIM的凈高快速調(diào)整優(yōu)化。

2.2 凈高優(yōu)化策略

(1)智能拾取空間凈高方法。智能拾取空間凈高的Dynamo流程參見(jiàn)圖2。首先需要對(duì)內(nèi)部不同需求的空間進(jìn)行劃分和定義，然后讀取每個(gè)空間所在位置的標(biāo)高，并對(duì)每個(gè)空間內(nèi)部的管線進(jìn)行拾取，以獲取頂部天花板與所在空間最低點(diǎn)之間的值，通過(guò)空間整體標(biāo)高與之前所求最低點(diǎn)與頂部天花板之間的差值，來(lái)獲取到所得空間真正可以利用的空間凈高。其涉及的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如表2所示。

圖2 基于Dynamo的凈高計(jì)算流程

(2)凈高優(yōu)化流程。凈高優(yōu)化主要步驟如下(見(jiàn)圖3)：

1) 三維立體建模。利用Revit建模技術(shù)將2D CAD圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)?D立體模型。

2) 初步管線優(yōu)化。將建立的3D管線模型導(dǎo)入到Navisworks平臺(tái)中，對(duì)其進(jìn)行碰撞檢測(cè)，基于碰撞檢測(cè)的結(jié)果和管線排布原則，對(duì)各空間碰撞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步優(yōu)化調(diào)整，得到符合設(shè)計(jì)要求的室內(nèi)空間。

3) 二次凈高優(yōu)化。智能拾取第2)步初步管線優(yōu)化后的凈高數(shù)據(jù)，跟目標(biāo)凈高進(jìn)行對(duì)比、反饋；如果未達(dá)到目標(biāo)要求，則重復(fù)第2)步工作，然后再智能拾取管線優(yōu)化后的凈高數(shù)據(jù)，直至達(dá)到目標(biāo)凈高。

3 某高鐵站空間凈高的實(shí)證分析

某高鐵客運(yùn)中型站房，站房主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，站房主體屋面為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；站內(nèi)有7條高鐵線，3個(gè)站臺(tái)，最高聚集人數(shù)為4 000人。站房主體結(jié)構(gòu)地下一層，地上兩層(局部三層)，地下一層層高6.5 m，地上二層層高分別為8.6 m、4.8 m，建筑高度為33.8 m，站房總建筑面積為29 999 m2。其地下一層空間分布復(fù)雜、設(shè)備管道眾多(見(jiàn)圖4)，并且由于高鐵站特殊的使用性質(zhì)，對(duì)凈高有著較高的要求。為此，引入凈高優(yōu)化方法進(jìn)行分析。

表2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的使用

圖3 建筑空間凈高優(yōu)化具體流程

圖4 高鐵站地下一層平面圖

(1) 土建、機(jī)電模型。機(jī)電模型包含給排水設(shè)計(jì)、排風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)。給排水系統(tǒng)包括加壓泵，給排水管道。消防系統(tǒng)包含水箱，管道，泵房及消火栓。噴淋系統(tǒng)包括噴淋泵，噴頭，水箱以及報(bào)警系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)包括組合式空調(diào)器，雙速風(fēng)機(jī)，消防排煙風(fēng)機(jī)，風(fēng)幕機(jī)及風(fēng)管等(見(jiàn)圖5)。

圖5 某高鐵站BIM模型

(2) 初步管線優(yōu)化。將機(jī)電模型導(dǎo)入到Navisworks中進(jìn)行管線的碰撞檢測(cè)，完成建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙范圍內(nèi)各種管線布設(shè)與建筑、結(jié)構(gòu)平面布置和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作。共檢測(cè)出59處碰撞節(jié)點(diǎn)，其中包含的主要碰撞類型有：管線與管線之間的交叉碰撞，管線與消防栓，地漏等硬件設(shè)施之間的碰撞等(如表3所示)。例如，風(fēng)管與水管在該處發(fā)生碰撞，需調(diào)整管道的避讓，根據(jù)“小管讓大管”、“水管避讓風(fēng)管”等原則，調(diào)整水管位置，向上彎曲于風(fēng)管上方經(jīng)過(guò)，解決碰撞(見(jiàn)圖6)。

(3) 凈高分析與優(yōu)化。將整體模型載入到Revit中，采用Dynamo凈高算法對(duì)其凈高重新進(jìn)行檢測(cè)，得到優(yōu)化后的凈高檢測(cè)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)中不符合室內(nèi)空間凈高要求的房間進(jìn)行二次優(yōu)化。按照?qǐng)D3流程，根據(jù)優(yōu)化后各專業(yè)機(jī)電綜合Revit模型，篩選出模型中的管線與房間，讀取房間的標(biāo)高和邊界，找到與房間邊界產(chǎn)生交叉的管道，讀取其底部標(biāo)高，與對(duì)應(yīng)房間的標(biāo)高做對(duì)比，得出房間凈空高度，并將凈高數(shù)據(jù)輸出到構(gòu)件屬性上。接著，優(yōu)化機(jī)電管線的排布方案，對(duì)最終的空間進(jìn)行檢測(cè)分析，并給出最優(yōu)的凈空高度，以符合業(yè)主的要求和《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](TB 10100—2018)。

表3 管線碰撞檢測(cè)結(jié)果(部分)

圖6 初步管線優(yōu)化

運(yùn)行Dynamo智能拾取模塊，得到房間凈高明細(xì)及房間布局如圖4所示，凈高不符合要求的房間會(huì)以紅色或黃色顯示在模型上，可見(jiàn)本模型中水泵、旅客服務(wù)及售票用房?jī)舾呔环弦蟆Ｕ{(diào)整方法如下所示：首先排水管走梁底應(yīng)盡可能貼近，其次是考慮風(fēng)管，風(fēng)管在水管之下，在留足檢修口的前提下盡可能貼近梁，以保證天花高度整體提高；最后是考慮橋架等管道，布置可較為靈活，可翻轉(zhuǎn)彎曲等方式避開(kāi)風(fēng)管走線。經(jīng)優(yōu)化后的凈高明細(xì)如表4所示，此時(shí)已滿足業(yè)主需求，通道管線凈高3.7 m，商業(yè)店鋪凈高3.9 m以上。

表4 主要空間凈高優(yōu)化比較 單位：mm

生成優(yōu)化后的管綜模型及輸出的管綜剖面圖如圖7所示。

圖7 凈高優(yōu)化后管綜模型

4 結(jié) 語(yǔ)

室內(nèi)綜合管線排布很大程度上影響了建筑空間凈高，導(dǎo)致空間無(wú)法充分利用而造成浪費(fèi)。為提高建筑空間凈高優(yōu)化的效率，在現(xiàn)有的BIM技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)綜合管線綜合設(shè)計(jì)和碰撞檢測(cè)的基礎(chǔ)上，引入Dynamo可視化編程建立了凈高參數(shù)化優(yōu)化方法，并結(jié)合管線排布原則進(jìn)行二次優(yōu)化，直至達(dá)到符合要求的最優(yōu)化凈高。對(duì)某高鐵客運(yùn)站應(yīng)用該方法，結(jié)果表明BIM參數(shù)化檢測(cè)和分析流程能夠高效準(zhǔn)確地提供凈高數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了BIM技術(shù)在建筑空間設(shè)計(jì)中的輔助作用，從而在原有樓層高度的基礎(chǔ)上達(dá)到了充分利用空間的效果。