基于 BIM的建筑 MEP设计技术研究

高 远 邓雪原

(上海交通大学土木工程系,上海 200240)

1 引言

1.1 建筑 MEP设计简介

建筑 MEP是国外对 Mechanical、Electrical、Plumbing三个专业的简称,即国内所说的建筑机电设备专业,通常简称为水暖电专业。MEP专业设计是建筑设计重要组成部分。

这三个专业是建筑工程与机械、电气、给排水的交叉学科,其共同特点:管线设计和设备选型在三个专业设计中占很大比重;在设计过程中必须考虑管线和设备的安装顺序,以保证足够的安装空间;设计时必须考虑设备与管线的工作、维修、更换要求。这就决定了 MEP专业设计方法不同于建筑、结构设计,而要针对其专业特点和当前设计中存在的问题,对 MEP设计进行改进。

1.2 当前建筑 MEP设计现状

当前国内建筑 MEP设计主要采取 CAD软件辅助绘图的方式,其设计一般从建筑初步设计完成后开始。设计人员在建筑设计基础上,根据设计院总体设计方案和相关规范规定,结合业主要求选取技术指标和系统形式,进行负荷计算,确定设备型号,并进行管线系统设计,将各种水暖电设备连接成为一个或多个完整的系统。

建筑 MEP各专业设计完成后并不能立即出图,因为各专业在各自独立设计的情况下,往往会出现不同设计人员和不同专业设计的管线发生交叉碰撞的问题,必须进行各专业间的管线综合。目前,管线综合的问题还难以在设计阶段很好解决,而是在各专业设计完成后通过召开协调会,将各方图纸进行比对,发现碰撞检测问题、提出解决方案,然后通知各方改进方案并备案,最终确定成图作为施工依据。国外一些学者提出的 Sequential Comparison Overlay Process(SCOP)方法,在图纸比对顺序、具体操作上作出改进,但仍主要以人工鉴别为主,未能很好地发挥计算机的功用[1]。

目前很多CAD软件在计算书等设计资料的生成功能上还有待加强。不过一些专业设计软件,如国内的鸿业、博超、华电源等公司出品的软件,能在设计计算、数据分析、计算书生成、文档管理等方面给予设计人员一定帮助。

1.3 现行设计方法问题分析

自上世纪 90年代 CAD在建筑设计行业推广以来,掀起了一场建筑工程设计的革命。它使得设计人员的作图更加精确和便捷,也使得图形更整洁,易于修改和保管,无论作图效率和质量都得到很大提升。然而目前的设计方法在进行 MEP专业设计时,还存在许多不足,主要体现在:

(1)CAD软件的使用只对绘图这一环节产生了重大影响,但是设计人员在负荷计算时仍习惯于自己在 excel文档中编辑公式,制作负荷统计表、计算表和指标分配表等以辅助计算,而较少借助专业的计算软件进行辅助设计。

(2)不同的专业设计软件数据标准不统一导致数据信息不能共享交流,设计人员需要将所需数据重复输入,造成重复劳动,影响设计人员之间的协同工作。研究表明,土木工程建设约会产生 30%的浪费,其中很大一部分会损失在建筑工程项目的信息沟通共享上[2]。

(3)现在 MEP专业设计相对独立,新的设计变更不能及时在设计人员间传递,造成设计中的错漏碰缺,有些问题甚至进入施工阶段后才会被发现而进行临时更改,导致后期设计方案修改、工程造价激增、工期延长等。其中最突出的问题是管线综合问题。现在的管线综合方法费时费力,还不能保证碰撞问题完全被解决。

(4)MEP设计中由于管线综合问题的存在,使设计后期修改频繁。但目前二维 CAD作图软件不能提供关联修改功能,只能由设计人员对相关图纸进行手动修改,以至当前设计人员的大量精力花费在图纸绘制与协调检查而非设计方案的优化。

(5)随着建筑工业的发展,建筑设计越来越复杂,二维绘图设计中不精确的问题也越发突出。二维图纸既不能反映对象的几何特性,又不能包含对象的属性特性信息,这也是二维设计不支持负荷计算、碰撞检测等功能的原因。另外,二维设计不够直观,束缚了设计人员的想象力和创造力,也给施工人员的读图增加难度。

可见,在建筑工程日益发展的今天,传统的二维 CAD设计模式极大限制了 MEP设计乃至整个建筑工程设计行业的发展。本文通过研究将建筑工程传统设计方法与 BIM技术相结合,以期改进传统建筑 MEP的设计技术。

2 基于 BIM的建筑 MEP设计技术

要开发 CAD软件的关联修改功能,借助软件解决管线综合问题,就必须使建筑 CAD模型携带更多对象特性信息,同时开发能识别、提取这些信息进行分析计算的软件。要解决建筑 MEP专业间及MEP与其他相关专业的信息交流问题,协调各方设计,就必须保证建筑工程各专业数据能实现共享与转换。因此基于 BIM,面向对象的建筑协同设计技术的研究已获得越来越多的重视。

BIM(Building Information Modeling)是 “建筑信息模型”的英文缩写,它是以三维对象为主、面向对象的计算机辅助设计模型。在 BIM中,对象是包含几何信息和工程特性的三维实体模型,它的建模过程就是调用建筑、结构、水暖电各专业对象进行组装成为一个整体的建筑信息模型的过程。BIM能为设计人员的设计提供很大优势。

(1)各专业对象信息和建筑设计过程信息能被BIM软件自动保存、管理,并利用软件内部的功能函数提取,进行分析计算,其结果及生成的相关文件自动地具有彼此吻合一致的特性。既能实现各种视图的自动生成,又能解决辅助计算和关联修改的问题,并方便对建筑工程设计进行管理,生成各种设计文档如材料表、工程进度表、概预算表等。

(2)BIM技术允许参与建筑设计的各专业设计人员共享同一建筑模型,在其基础上添加和修改属于本专业的部分,并能更新信息、追踪整个项目的所有信息,促进协同设计。

BIM技术要得到应用推广,首先要建立统一的数据标准。IAI组织(Industry Alliance for Interoperability)提出的 IFC数据模型标准得到了业内广泛的认可,其标准的核心内容(平台部分)已经在 2005年被 ISO(国际标准化组织)公布为国际标准讨论稿,它的普及为 BIM技术的应用推广奠定了基础。

就 BIM技术在建筑 MEP设计中的应用这一课题,加州工业大学的 Thomas M.Korman进行了长期系统的研究[4],而斯坦福大学的 Atul Khanzode等学者也论述了如何在一个医疗建筑工程项目中应用BIM技术[5]。他们研究的重点都是如何借助基于BIM技术的建筑 MEP软件完成管线综合,但这种只依赖软件、不加强设计人员之间协同工作的设计方式,依然无法从一开始就规避管线碰撞问题。所以管线综合问题的解决,应依赖 BIM技术和建筑协同设计技术两者的结合。

我国的设计公司往往包含了建筑、结构、水暖电各专业,它们隶属于同一个单位下,这就为实现基于 BIM的建筑 MEP设计与建筑工程项目的协同设计提供了非常有利的条件。

3 基于 BIM的建筑 MEP设计方案举例

现在国际上 BIM软件开发商主要是 Autodesk公司,Bentley公司和已被 Nemetschek AG收购的Graphisoft公司。它们开发的 AutoCAD MEP、Revit MEP、Bentley Building Mechanical、Bentley Building Electrical、Graphisoft MEP等软件产品已经在基于BIM的 MEP设计上作出了有益尝试。本研究以Autodesk公司提供的 AutoCAD MEP2010软件为例研究基于 BIM的建筑 MEP设计方案。

3.1 AutoCAD MEP2010软件

AutoCAD MEP2010软件用于水暖电专业设计人员与建筑、结构专业设计人员共享同一个工程项目的建筑信息模型,进行协同设计。它与传统的AutoCAD软件的基本操作和功能环境相似,但它进行了面向对象的设计与开发,体现了 BIM的功能。

在功能开发上,其改进主要体现在:基本的三维对象模型携带了关于水暖电实体对象的更多信息,能够提供关联修改、碰撞检测等全新功能;支持包括 IFC及常见的 dwg等多种格式的文件,使得它能与其他专业软件合作;同时支持水暖电三个专业的设计,能够成为 MEP专业的共同设计平台;能基于一个模型自动生成平面图和剖面图。

在绘图操作上,AutoCAD MEP2010软件针对管线设计在 MEP设计中的重要性,强化了夹点功能,使得导线添加更加简单便捷;它携带了一个相当完备的基本构件库,供设计人员直接引用标准化的三维对象模型;支持设计模型以三维方式呈现。

在设计文档的生成和管理方面,该软件能做到基于一个模型生成多种视图,并对调用的对象信息进行统计,生成设备、管线明细表等统计文件。

可见,AutoCAD MEP2010软件针对当前 MEP设计领域存在的一些问题给出了基于 BIM的解决方案,亦符合未来协同设计的要求。

3.2 建筑 MEP对象

AutoCAD MEP 2010软件提供了大量标准化的部件模型,它们包含了几何尺寸和特性等信息,如一个水泵模型携带功率、进水量、出水量等信息。设计人员调用这些模型的同时也调用了它们携带的信息,通过组装形成建筑信息模型。

以暖通系统中的 AHU空调机组部件之一的空气处理机风机(图1)为例,该部件有两个连接口,分别为送风管和出风管,都与风管相连,将部件连入整个暖通系统。AutoCAD MEP2010软件提供了前向、后向、侧向三类形式的风机,每一类型又提供了不同尺寸、功率、送风量的多种选择,用户可通过在size name选项里选择其尺寸及功率等基本信息,也可以在部件过滤器(Part Filter)里查看每一个接口的形状、流向及所连接的系统,并能够修改构件连接类型和高宽等信息。如果 MEP软件部件图形库中有用户指定连接类型和尺寸大小的部件,软件会自动为用户提供该匹配的部件模型;如果没有匹配部件,用户可忽略软件的匹配建议,自定义一种新连接类型或新尺寸的部件。

图1 空气处理机风机

3.3 建筑 MEP设计流程

要充分利用 AutoCAD MEP2010软件的建模和分析功能,必须了解该软件进行设计的流程。应用AutoCAD MEP软件设计进行水暖电的设计流程有共同之处,可以归纳如下:

(1)引用建筑模型,进行初步分析。通过引用建筑专业初步设计完成的建筑模型,并对建筑模型进行预处理,如关闭不需要的图层。根据设计要求明确系统形式,随后建立空间计算单元,这一方面是为了提取长宽、面积等空间信息,另一方面也是对空间功能和类型进行指定,以选用不同的设计规范和指标。然后根据面积、使用人数等指标计算设计负荷。从建筑模型上直接获取计算需要的空间数据,建立基本的负荷计算空间单元,导出模型数据,进行初步分析。

(2)建立 MEP专业模型。在建筑模型空间内由构件对象,即设备、管道、连接件等组合成子系统。这一步主要完成设备选型、线路铺设等工作,并调用构件对象模型组合成系统。完成设备的选型和摆放后,通过管道将它们连接,最后并入市政管网。实际设计过程中,管径的选取可以通过查规范或经验表格进行。表1中列出了 MEP三个专业下属各子系统的分类。

表1 MEP三个专业各子系统列表

(3)整理、输出、分析数据,必要情况下借助第三方软件进行分析和优化设计,更新原设计。Auto-CAD MEP2010软件能对系统进行一些初步检测,如检测电力系统负荷是否超过指定值。对于该软件还不具备的一些功能如生成计算书等,可借助二次开发的专业软件进行操作。其支持发布 gbXML等标准数据文件,被其他软件调用分析后再导入,进行设计更新,从而实现数据共享,合作设计。

(4)与其他专业进行交流、协调,解决管线碰撞问题。每个专业设计都应做好与其他专业的协调,提供和接受彼此的设计模型,通过软件提供的碰撞检测功能进行各专业管线碰撞检测,在设计阶段减少碰撞问题,根据最后的汇总调整设计方案。

(5)生成设计文档。通过该软件提供的文档与详图功能,组合建筑、结构、水暖电各专业所需表现的建筑信息模型,自动生成各专业的设计文档,如平面图、立面图、系统图、详图、设备材料表等。

至此,一个完整的 MEP设计就基本完成,经过项目组其他设计师的校对、审核、审定,最终就可以发布图纸。

图2 设计流程示意图

3.4 碰撞检测

碰撞检测即对建筑模型中的建筑构件、结构构件、机械设备、水暖电管线等进行检查,以确定它们之间不发生交叉、碰撞,导致无法施工的现象。AutoCAD MEP2010提供了碰撞检测的功能,而目前的二维 CAD软件做不到这一点,因为碰撞检测所需基本信息至少要有构件的空间几何尺寸,另外还要求软件封装对这些信息进行计算的函数,这些是基于BIM、面向对象的设计软件才能提供的功能。

碰撞检测的原理是利用数学方程描述检测对象轮廓,调用函数求检测对象的联立方程是否有解[6]。MEP的设计是设计、施工、使用、维修四个环节的统一,在这个过程中既可能发生实体碰撞被称为“硬碰撞”,也可能发生非实体碰撞的“软碰撞”。Thomas M.Korma在其研究中将 MEP设计中的碰撞分为五类[7]:

(1)实体碰撞,即对象发生交错;

(2)延伸碰撞,如某仪器周围需要预留一定的维修空间,或出于安全考虑与其它构件间应满足最小间距要求,在此范围内不能有其他对象存在;

(3)功能性阻碍,如管道挡住了日光灯的光,虽未发生实体碰撞,但后者不能实现正常功能;

(4)程序性碰撞,即在模型设计中管线间不存在碰撞问题,但施工中因工序错误,一些管线先施工致使另外的管线无法安装到位;

(5)未来可能发生的碰撞,如系统扩建、变更。

AutoCAD MEP2010软件既能进行实体碰撞检测,也能进行对象安全距离的检测。对检测出来的碰撞问题,软件会在碰撞处做标记,并生成明细表记录碰撞位置,提供洞口标记作为通过开洞解决碰撞问题的记号。当然,这也只是给设计人员提供了有益的参考,它并不能完全发现并解决管线碰撞问题,其解决碰撞问题的手段也不如人工灵活。如果希望通过软件完全解决碰撞问题,就需要向软件提供更多施工、维修知识,并结合基本的设计和施工原则及建筑规范的要求构成软件的知识库,以便其在发现碰撞问题时判断应该采取什么处理方式,提出合理可行的解决方案,做到发现解决问题一体化,实现真正的计算机智能辅助设计。这也应是MEP设计软件管线综合功能的研究方向。

4 基于 BIM的 MEP专业设计推广

BIM技术应用对于工程建设其它领域的相关设计也很有启发。本文尝试讨论如何将基于 BIM的MEP设计理念推广到市政工程管网设计。

4.1 市政管网设计现状及问题

市政管网系统与建筑 MEP系统有很多相似的地方,它包括电力、电信、网络、通讯、热力、燃气、雨水排水、污水排水等系统,可以对应建筑 MEP设计中的强电、弱电、暖通、给排水设计等系统。可以说,市政管网设计是城市层面的 MEP设计。

市政管网设计主要由市政设计院主导,其设计成果作为相关部门进行施工和管网维护的重要依据。其设计与建筑 MEP设计一样,具有涉及专业多、设计空间狭小的特点,要考虑平面布线和标高设置两个设计要素,同样面临管线综合的问题。

市政管网的设计与管理还面临着不同于建筑MEP设计的新问题。首先市政管线管径通常更大,更难协调。其次,市政管网的设计使用期一般很长,其间须根据城市规划和建设的需要进行更改、升级或增添新系统,变动频率较大,于是市政管网建设往往与道路建设不能同步。另外,许多管线,尤其是老城区市政管线的设计或施工资料归档或保管中的缺陷可能导致新管线施工时与旧管线发生碰撞,甚至破坏旧管线的状况。日本等国针对这一问题,提出通过建设“共同沟”的方法,即将各类管线放在同一地下构筑物中以方便维修和建设。但要真正解决这个问题,必须要依赖信息技术,建立城市综合地下管线信息系统,对市政管网的规划、设计、建设统一指导和管理。

4.2 基于 BIM理念的市政管网设计

城市综合地下管线信息系统就是指利用地理信息系统(GIS)技术和其它专业技术采集、管理、更新、综合分析与处理城市地下各类管线信息的一种技术系统。借助这个系统,相关部门能很好地对所有市政管网进行记录和管理,规避管线碰撞、施工破坏等可能发生的问题,并做到管线数据检索、查询及测量的便捷与准确,实现数据库的及时更新,断面图的自动生成和辅助断面分析,管线数据的统计与智能管理等[8]。

该系统的实现,需要借助 CAD软件进行 MEP系统建模,搭建起完整的市政管网系统,同时也要依赖 GIS技术弥补 CAD在数据管理、分析和计算上的不足。BIM技术正融合了 GIS和 CAD技术的特点,基于此,将基于 BIM的 MEP设计软件推广到市政建设领域将有很好的实用前景。借助面向对象的三维建模的优势,相关部门能很好地解决市政管线综合、管理的问题,并为进一步实现在计算机上直观反映城市面貌的“数字城市”目标奠定基础。

将基于 GIS的城市综合地下管线信息系统与基于 BIM的 MEP设计软件结合,瓶颈在于 GIS与 BIM数据标准的统一。所以,现在城市综合地下管线信息系统的起步阶段就应制定和实施统一的数据标准,为以后的数据共享提供基础条件。

5 结语

随着建筑协同设计的发展与普及,基于 BIM技术的建筑 MEP设计技术也将逐渐被建筑水暖电设计人员接受并得到应用推广,成为建筑 MEP设计的主流。它支持 MEP各专业设计,共享设计信息,提供碰撞检测功能,提高设计质量,节约设计成本。

同时也应看到,由于国内外对 MEP设计内容的理解不同,造成软件设计功能的差别,所以在应用基于 BIM的建筑 MEP软件时应注意提前实现其功能的本地化工作。由于设计人员习惯于二维绘图,在普及基于 BIM的建筑 MEP三维建模设计时也会遇到一些困难,因而在不断完善软件产品功能的同时,也要避免新的建模与设计方法在普及期内损失效率。

在 MEP设计行业,应充分利用信息技术的优势,实现数据信息的共享与交流,避免重复劳动。通过 BIM技术实现二维设计文档的自动生成,将设计人员从二维图纸的绘制与修改过程中解放出来,将更多的时间与精力投入专业模型的优化与设计,是 BIM技术的目标之一,也是我国大型建筑设计企业避免设计缺陷、减少工程浪费、创造效益的必然要求。基于 BIM的设计方法对这些问题给出了全新的答案,也将会得到行业的认可和普及。

[1]Thomas M.Korman,C.B.Tatum.Using Construction,Operations,and Maintenance Knowledge to better Coordinate Mechanical,Electrical,and Plumbing systems in Buildings【C】AEI 2006:Building Integration Solutions-Proceedings of the 2006Architectural Engineering National Conference

[2]Dianne Davis.LEAN,Green and Seen.The Issues of Societal Needs,Business Drivers and Converging Technologies Are Making BIM An Inevitable Method of Delivery and Management of the Built Environment【J】Journal of Building Information Modeling(JBIM),Fall 2007,16-18.

[3]Tarandi V.Editorial:IFC-product models for the AECarea[J].ITcon,2003,8,Special Issue IFC-Product models for the AEC arena:135-136.

[4]Thomas M.Korman,Rules And Guidelines For Improving The Mechanical,Electrical,And Plumbing Coordination Process For Buildings【C】Construction Research Congress,999-1008

[5]Atul Khanzode,Martin Fischer,Dean Reed.Benefits And Lessons Learned Of Implementing Building Virtual Design And Construction(VDC)Technologies For Coordination Of Mechanical,Electrical,and Plumbing(MEP)System On A Large Healthcare Project【J】.Journal of Information Technology in Construction,2008,Vol 13,324-342

[6]Thomas M.Korman,Martin A.Fischer,C.B.Tatum.Knowledge and Reasoning for MEP Coordination【J】.Journal Of Construction Engineering And Management,2003,11,627-634

[7]赵志安,刘国杰.管道综合碰撞检查软件的开发【C】.全国暖通空调制冷 2008年学术年会

[8]刘建华,刘文新,孟广明.管线综合规划管理信息系统的建设及其应用探讨【C】.第三届中国国际数字城市建设技术研讨会,2007,366-369