基于BIM技術(shù)的建筑電氣設(shè)備設(shè)計施工評價分析

摘 要：為進一步明確BIM技術(shù)在建筑電氣工程中的應(yīng)用情況，并提高其應(yīng)用度，本文以實際工程為研究背景，對BIM技術(shù)在建筑電氣工程中的應(yīng)用效果進行多方位評價。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用效果評價可知，本工程應(yīng)用BIM技術(shù)共發(fā)現(xiàn)并解決了500余處管道打架問題、70余處無壓管道穿墻體預(yù)留套管高度問題，應(yīng)用效果明顯；耦合AHP與最大隸屬度方法建立了評價模型，并對其進行定量評價，評價結(jié)果表明，在工程中應(yīng)用BIM技術(shù)得到了超過83%的專家認(rèn)可。本文分析方法和分析結(jié)果可為后續(xù)相關(guān)工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：BIM；建筑電氣；設(shè)計；模糊綜合評價法

中圖分類號：TU 17" " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

隨著科技的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)也在逐步向著數(shù)字化、智能化的方向邁進。BIM技術(shù)作為當(dāng)前建筑行業(yè)的前沿技術(shù)之一[1]，具有提高設(shè)計施工效率、減少成本、提高工程質(zhì)量等優(yōu)點，在建筑電氣設(shè)備設(shè)計施工中也得到了廣泛應(yīng)用[2]。隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑電氣設(shè)備作為建筑中的重要組成部分，其設(shè)計施工的復(fù)雜性和難度也在不斷提高[3]。傳統(tǒng)的建筑電氣設(shè)備設(shè)計施工方法存在許多問題，例如效率低下、成本高昂、易出現(xiàn)錯誤等。而BIM技術(shù)為建筑電氣設(shè)備設(shè)計施工帶來了新的思路和方法[4]。為進一步提高BIM技術(shù)在建筑電氣工程中的應(yīng)用程度，本文以實際工程為研究對象，通過實際應(yīng)用效果評價和應(yīng)用效果定量分析兩種方法，對BIM在建筑電氣工程中的應(yīng)用進行分析，具體研究內(nèi)容如下。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某寫字樓建設(shè)工程建筑總高度為198.60m，建筑用地面積為18487.35m2，總建筑面積為132154.84m2，其中地上面積為109451.58m2，地下建筑面積為22703.26m2，該工程為超高層塔樓，集辦公、酒店、商業(yè)等功能。建筑物地上為40層，地下室2層，裙房地上3層，最高約18.20m。

1.2 BIM模型量分析

BIM技術(shù)是面向建筑工程設(shè)計、施工等過程的全生命周期數(shù)字化工具，能夠貫穿建筑工程整個過程，具有豐富的信息維度和精度[5-6]。根據(jù)項目建設(shè)需求，本文對該工程進行BIM建模，在工程最終實際BIM模型中，機電部分的地下室管線模型如圖1所示。機電模型是建筑機械、電氣和管道的模型集合，同時可根據(jù)其不同功能分為暖通部分、給排水部分以及建筑電氣等。機電模型雖然各自功能不同，但也具備一定共性，通過管道、管件和管線連接各個系統(tǒng)，可將機電模型分為管道、管件等連接件和設(shè)備、噴頭等終端模型。

應(yīng)用上述分類方法，以噴淋系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)為例，本工程建立模型的構(gòu)件情況見表1。

在本工程機電系統(tǒng)中，管道管件部分?jǐn)?shù)量總數(shù)量約為300000個，約占機電系統(tǒng)構(gòu)件總量的96.77%，而終端模型部分構(gòu)件數(shù)量僅占3.23%。由此可見，在現(xiàn)代化建筑中，由于舒適度、消防、設(shè)備等方面需求的不斷增長，因此建筑電氣系統(tǒng)管線部分越來越復(fù)雜[7]，導(dǎo)致在電氣系統(tǒng)BIM模型中，大部分內(nèi)容為管道、管件。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用效果評價

2.1 基于工程現(xiàn)場定性評價

由于建筑電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，因此給建筑電氣設(shè)計施工帶來了很大的難題，且與建筑工程其他專業(yè)相比，機電模型管道、管件具有更高的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)二維的設(shè)計方法并不能很好展現(xiàn)建筑物自身數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)，很容易出現(xiàn)設(shè)計沖突，即管線打架現(xiàn)象。而應(yīng)用BIM技術(shù)能夠彌補二維設(shè)計的缺陷，充分展現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容，并從中找出設(shè)計缺陷，以達到提高設(shè)計質(zhì)量，降低工程投資的目的。以本工程為例，利用BIM技術(shù)優(yōu)化機電系統(tǒng)，包括以下9點。1）發(fā)現(xiàn)并解決500余處管道打架問題。2）發(fā)現(xiàn)并調(diào)整70余處無壓管道穿墻體預(yù)留套管高度問題。3）發(fā)現(xiàn)并調(diào)整樓板大小預(yù)留洞口約50處。4）無法達到凈高20余處，調(diào)整管道尺寸、系統(tǒng)、走向40余處。5）檢查設(shè)計圖紙不吻合、設(shè)計表達不明、管道漏畫、系統(tǒng)管道接反、管道尺寸標(biāo)注等問題近50處。6）檢查車庫深化圖紙車位不符約15處，發(fā)現(xiàn)標(biāo)示與管道打架問題10余處，燈具無法安裝影響照度等。7）檢查大堂、9F、17F裝修不合理及打架問題50余處。8）檢查外網(wǎng)管線打架及美觀問題40余處。9）通過調(diào)整管道走向，合用共用支架、優(yōu)化管道走向，節(jié)省管道超過800m。

由此可知，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠?qū)ㄖ^程進行模擬，并以三維方式展現(xiàn)出來，使建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)更加符合實際空間結(jié)構(gòu)，并將機電模型細節(jié)進行展現(xiàn)，能夠在復(fù)雜場景下找到機電模型中的設(shè)計缺陷位置，為設(shè)計優(yōu)化提供便捷。以本工程為例，應(yīng)用BIM技術(shù)共解決近600處管線問題以及約50處預(yù)留洞口錯誤問題，為工程建設(shè)節(jié)約了大量費用及工期。

2.2 基于AHP的定量評價

2.2.1 評價模型介紹

本文討論了BIM技術(shù)在建筑電氣設(shè)備設(shè)計施工中的具體優(yōu)勢與作用，分析結(jié)果表明了BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。為進一步分析BIM技術(shù)在建筑電氣中的應(yīng)用優(yōu)勢，利用AHP和模糊綜合評價法將模糊的定性指標(biāo)定量化。其中，層次分析法可以確定各指標(biāo)的相對重要性，模糊綜合評價法可以處理評價過程中的模糊性，提供定量的評價結(jié)果。實施步驟如下。1）建立多級指標(biāo)體系。為了全面、客觀地評價建筑工程施工監(jiān)理的質(zhì)量，在多級指標(biāo)體系的建立過程中，應(yīng)充分考慮項目實際情況，將監(jiān)理作業(yè)過程中的一些重點內(nèi)容作為評價指標(biāo)，建立適應(yīng)于實際項目的評價體系。2）利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重。在層次分析法中，采用指數(shù)標(biāo)度法來衡量各指標(biāo)之間的相對重要性。指數(shù)標(biāo)度法將各指標(biāo)的重要性分為5個等級，對應(yīng)的指數(shù)分別為1、2、3、4、5。通過專家打分和計算，得到各指標(biāo)的權(quán)重值。這些權(quán)重值可以用于后續(xù)的模糊綜合評價中，以確定每個指標(biāo)對綜合評價結(jié)果的影響程度。3）模糊綜合評價。模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合性評價方法，能夠處理評價過程中的模糊性，提供定量的評價結(jié)果。4）根據(jù)最大隸屬度原則，對第三步計算的隸屬度結(jié)果進行劃分，以最大隸屬度部分為項目整體評價結(jié)果。

2.2.2 定量評價過程

根據(jù)本工程電氣系統(tǒng)中的BIM技術(shù)要點結(jié)合層次分析法特點，建立適用于建筑電氣工程的評價體系，該體系的主要指標(biāo)見表2。主要是將機電模型的構(gòu)件設(shè)置過程（例如管道、管件、終端構(gòu)件等實體構(gòu)件）和BIM技術(shù)對工程項目的參與程度（進度、BIM參數(shù)項目程度等）作為準(zhǔn)則層指標(biāo)，將各準(zhǔn)則層內(nèi)部的一些評價指標(biāo)作為指標(biāo)層，建立全面考慮電氣系統(tǒng)BIM應(yīng)用的評價體系。指標(biāo)層中針對機電模型構(gòu)建過程的主要評價指標(biāo)包括建設(shè)準(zhǔn)確度、重現(xiàn)率以及建模工作的時效性，有關(guān)BIM技術(shù)對工程項目參與程度的評價主要包括建模、審核、優(yōu)化與應(yīng)用等方面。

在確定評價指標(biāo)后，本研究分別邀請來自建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等熟悉工程電氣部分BIM應(yīng)用情況的10位專家和工程師，對建立的指標(biāo)層評價指標(biāo)進行打分，打分采用5分制，其中5分為很好、4分為較好、3分為一般、2分為較差、1分為極差。

根據(jù)打分結(jié)果，在模糊綜合評價方法中，針對評價因素的權(quán)重分配為評價集V內(nèi)的一個模糊子集，如公式（1）所示。

A={a1，a2，...，an} " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：A為針對某個指標(biāo)的模糊評價子集；an為該評價子集中的評價得分，由專家打分核算。

以A1為例，針對B11，打分專家中有6位專家認(rèn)為該部分工作完成度很好，3位覺得完成較好，1位覺得完成一般，則RB11={0.6 0.3 0.1 0 0}。采用次評價方法，根據(jù)專家打分結(jié)果，可分別得到評價指標(biāo)的評價矩陣，見表3。

單因素評價矩陣R如公式（2）所示。

（2）

式中：R為準(zhǔn)則層評價矩陣；Rn為準(zhǔn)則層中第n個指標(biāo)的模糊評價子集；rpm為第p個指標(biāo)的第m個評價得分。

根據(jù)表3內(nèi)容，準(zhǔn)則層中A1的評價矩陣如公式（3）所示。

（3）

當(dāng)進行模糊綜合評價時，本研究采用加權(quán)平均法進行計算，即通過合理的模糊合成算子合成模糊權(quán)重向量A和模糊關(guān)系矩陣R，以此計算每個被評估對象的模糊綜合評價結(jié)果向量B。常用的模糊合成算子有M（∧，∨）、M（·，∨）、M（∧、⊕）和M（·，⊕）。本研究的模糊綜合評價綜合算子系統(tǒng)為M（·，⊕）。

當(dāng)進行模糊綜合評價時，本研究采用加權(quán)平均法進行計算。具體步驟如下。1）根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度矩陣計算每個子指標(biāo)的綜合評價結(jié)果，在這個步驟中，將每個子指標(biāo)的權(quán)重與其隸屬度矩陣相乘，得到該子指標(biāo)的綜合評價結(jié)果。2）將每個子指標(biāo)的綜合評價結(jié)果進行加權(quán)平均，得到最終的綜合評價結(jié)果。將每個子指標(biāo)的綜合評價結(jié)果乘以對應(yīng)的權(quán)重值，求和得到最終的綜合評價結(jié)果。3）根據(jù)綜合評價結(jié)果的不同數(shù)值，將其歸一化為百分制分?jǐn)?shù)，以便于比較和分析。將綜合評價結(jié)果進行歸一化處理，將其轉(zhuǎn)化為百分制分?jǐn)?shù)。同時，通過與實際情況進行比較和分析，可以發(fā)現(xiàn)存在的問題和改進點，為提高電氣工程的質(zhì)量和效益提供有力支持。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論中的加權(quán)平均型M及上述計算過程，模糊綜合評價集隸屬度如公式（4）所示。

（4）

式中：bj為模糊綜合評價集隸屬度；aj為第i個單因素的權(quán)重，須滿足；rij為第i個單因素的評價程度，m為指標(biāo)個數(shù)。

模糊綜合評價結(jié)果如公式（5）所示。

（5）

對本工程來說，可根據(jù)模糊綜合評價方法計算權(quán)重A和權(quán)重矩陣R，如公式（6）、公式（7）所示。

A=（0.360，0.510，0.125，0.005，0） " （6）

（7）

在確定各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度矩陣后，需要構(gòu)建模糊綜合評價模型。該模型通常由權(quán)重矩陣和隸屬度矩陣相乘而成，得到的結(jié)果是綜合評價矩陣。綜合評價矩陣表示了每個子指標(biāo)在不同評價等級下的隸屬程度，它可以根據(jù)實際情況進行歸一化處理，計算最終的評價結(jié)果。本工程的二級模糊評價結(jié)果C=（0.46，0.38，0.13，0.03，0）。

根據(jù)綜合評價矩陣和評價等級標(biāo)準(zhǔn)，可以計算BIM應(yīng)用效果的綜合評價結(jié)果。具體的計算方法是對綜合評價矩陣中的每個元素進行加權(quán)平均，得到最終的評價分?jǐn)?shù)。當(dāng)解讀綜合評價結(jié)果時，需要注意以下幾點。1）綜合評價結(jié)果越高，說明BIM技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用質(zhì)量越好。2）綜合評價結(jié)果越低，說明BIM技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用質(zhì)量越差。3）綜合評價結(jié)果可以用來比較和分析不同項目，發(fā)現(xiàn)存在的問題和改進點。4）綜合評價結(jié)果可以為BIM應(yīng)用技術(shù)方提供反饋和指導(dǎo)。

本工程中最終計算的結(jié)果見表4。

本工程中有46%的人隸屬于“很好”，38%的人隸屬于“較好”，13%的人隸屬于“一般”，3%的人隸屬于“較差”。根據(jù)最大隸屬度原則，本工程BIM技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用質(zhì)量水平為“很好”。

3 結(jié)論

BIM技術(shù)作為一種利用數(shù)字技術(shù)對建筑環(huán)境進行全生命周期管理的工具，在建筑行業(yè)尤其建筑電氣設(shè)備設(shè)計與施工專業(yè)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文從實例研究和數(shù)學(xué)評價兩方面對BIM技術(shù)在建筑電氣設(shè)計與施工中的應(yīng)用效果進行評價，研究結(jié)果表明BIM技術(shù)能夠極大地提高研究背景中的電氣工程設(shè)計質(zhì)量，且設(shè)計內(nèi)容也能夠得到業(yè)內(nèi)大部分專家（超過83%）的高度認(rèn)可。本文研究成果可為工程后續(xù)建設(shè)提供支持，同時本文研究方法與研究結(jié)論也可為BIM技術(shù)應(yīng)用與評價提供理論依據(jù)和借鑒。

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