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    基于BIM的建筑MEP设计技术研究.pdf

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    基于BIM的建筑MEP设计技术研究.pdf

    第2卷第2期 2010年6月 Vo1.2 No.2 Jun.2010 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 【摘要】MEP专业电气、暖通、给排水设计是建筑设计的重要内容,但由于目前三个专业的设计相互独立,且 管线设计占很大比重,所以在二维设计形式下往往会发生管线碰撞问题。同时信息交流的不便利和数据标准不统 一,给设计人员之间的协作带来更大困难,各方只能人工协调管线综合问题,导致设计效率低下,设计失误增多,工 期拖延,限制了建筑MEP设计领域的发展。BIM技术和建筑协同设计作为解决这一问题的方法,被越来越多人所 重视。本文对基于BIM的MEP设计方法研究现状进行总结,并以AutoCAD MEP2010软件为平台介绍面向对象的 BIM软件的特点及设计流程,重点讨论了碰撞检测功能,同时对该设计方法在市政管网设计中的推广做出一些设 想,对BIM软件的普及给出建议.. 【关键词】BIM;MEP;AutoCAD MEP;管线综合;市政管网;协同设计 【中图分类号】TU201.4;TUI7 【文献标志码】A 【文章编号】16747461201002009106 1 引言 1.1建筑MEP设计简介 建筑MEP是同外埘Mechanical、Electrical、 Plumbing三个々、 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、I 。MEP专业设计 足建筑设计晕要组成部分。 这_二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;在没计过程中必须考 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, 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 前罔内建筑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 【基金项目】 【作者简介】 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 设计人员和不同专业设计的管线发生交叉碰 撞的问题,必须进行各专业问的管线综合。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 ProcessscoP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 J。 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 “十一五”国家科技支撑计划项目子课题编号2006BAJ01 B071 f 海交通大学PRP项目课题编号T01016015 邓雪原1973一,男,博士,英同特许j 木工程师,副教授。丰要研究方向建筑CAD协同设计与集成,基于 BIM的协 没计与集成。Emaildengxy tu.edu.cn 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存建筑设计行业推广以 来,掀起了一场建筑上程设计的革命。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专业没计 时,还存在许多不足,主要体现在 1CAD软件的使用只对绘网这一环节产生了 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、I 没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/卜1-程建设约会产生30%的 浪费,其中很大一部分会损失在建筑1 程项目的信 息沟通共享上 。 3现在MEP专业设计栩埘独立,新的设计变 更不能及时在设计人员问传递,造成设计中的错漏 碰缺,有些问题甚至进入施上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、 程造价 激增、_r期延长等。其巾最突出的问题足管线综合 问题。现在的管线综合方法费时费 ,还不能保证 碰撞问题完全被解决。 4MEP设计中由于管线综合问题的存存,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 增加难度。 可见,在建筑工程口益发展的今火,传统的二 维CAD设训‘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。水文通过研究将建筑r 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,借助软什解 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专业问及 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、J 数据能实现共享与 转换。因此基于BIM,而向对象的建筑协同没计技 术的研究已获得越来越多的承视。 BIMBuilding Ination Modeling足“建筑信 息模型”的英文缩写,它足以三维对象为主、面向埘 象的计算机辅助设计模型。在BIM巾,对象是包含 几何信息和工程特性的__J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火优势。 1各专、 对象信息和建筑没计过程信息能被 BIM软件自动保存、管理,并利用软件内部的功能 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 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,并方便对建筑丁秤设计进行管删,牛成各种 设计文档如材料表、工程进度表、概预算表等。 2BIM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 ,在其基础 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 Interopera bility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圈际标准讨论 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【{1的应用这一课 题,加州工、f 大学的Thomas M.Korman进行了长期 系统的研究 ,而斯坦福大学的Atul Khanzode等学 者也沦述了如何在一个陕疗建筑 程项{llJ 用 BIM技术 ]。他们研究的霞点都足如何借助基于 BIM技术的建筑MEP软什完成管线综合, 这种只 依赖软件、不加强设计人员之问协 I 作的设计办 式,依然无法从一开始就规避管线碰撞问题。所以 基奇BIM的建筑MEP设计技术研究 93 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 皋于BIM的建筑MEP设计与建筑工程项日的协同 设计提供了非常有利的条什。 3基于BIM的建筑MEP设计方案举例 现在国际 BIM软件开发商主要是Autodesk 公司,Bentley公司和已被Nemetschek AG收购的 Graphisofl公司。它们开发的AutoCAD MEP、Revit MEP、Bentley Building Mechanical、Bentley Building Electrical、Graphisofl MEP等软件产品已经在基于 BIM的MEP设计上件出了有益尝试。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没计方案。 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亨同一个工程项 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 面向对象的设计与开发,体现了BIM的功能。 在功能开发卜,其改进主要体现在基本的j 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 能与其他々业软件合作;同时支持水暖电三个专业 的设计,能够成为MEP专 的共同设计平台;能基 于一个模型自动生成平面网和剖面图。 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 基于一个模型牛成多种视图,并对调用的对象信息 进行统计,生成设备、管线明绌表等统计文件。 可见,AutoCAD MEP2010软件针对当前MEP 设计领域存在的一些问题给 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 。 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,将部件连人 整个暖通系统。AutoCAD MEP2010软件提供了前 向、后向、侧向i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 町以在部件过滤器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,随后建立卒问计算单元,这一方面 是为了提取长宽、面积等空问信息,另一方面也是 对空问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 MEP专业模型。在建筑模 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 、线路铺设等工作, 并调用构件对象模 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,最后并人市政 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r MEP一个专业 下属各子系统的分类。 表1 MEP三个专业各子系统列表 0业 子系统 々业 子系统 室内水系统 报警系统 排水系统 铃 系统 给排水 污水系统 电缆系统 暴m排水系统 阴极保护系统 消防系统 线}乜视系统 化学处 系统 闭路电视系统 冷凝器水系统 时钟系统 冷却水系统 通信系统 煳 i除 I、和收集系统 ti 央命令系统 排气系统 f乜 t 能源监控系统 高温/冷却水系统 地面系统 空调系统 对iJ/J 播系统 暖通 热水供暖系统 照明系统 混合 捌系统 防雷系统 空气补偿系统 护l呼,q/ 呼系统 灭然气系统 电力系统 堂壁 墨丝 安伞系统 制玲系统 响系统 蒸汽系统 特利t没箭 传输空气系统 电视灭线系统 3整理、输出、分析数 ,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,口『借助二次 开发的专业软什进行操作。其支持发布gbXML等 标准数据文件,被其他软件调川分析后冉导入,进 行设计更新,从而实现数据共享,合作没计‘。 4与其他专业进行交流、协凋,解决管线碰撞 问题。每个专、I 设计都心做好与其他々、『 的协调, 提供和接受彼此的设计模 ,通过软什提供的碰撞 检测功能进行各专业管线碰撞检测, 没计阶段减 少碰撞问题,根据最后的 总调整设计方案。 5牛成设计文档。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设计就皋本完成,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 发现管线 碰撞等n 题 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 什、机械设备、水暖电管线等进行检金,以确定它们 之间不发生交叉、碰撞,导致无法施] 的现象。Au toCAD MEP2010提供了碰撞榆测的功能,而日前的 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 问几何尺寸,另外还要求 软件封装对这些信息进行计算的丽数,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市方程足否有 解 。MEP的没计是设计、施工、使用、维修四个环 的统一, 这个过程中既可能发牛实体碰撞被称 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 1实体碰撞, 对象发牛交错; 2延伸碰撞,如某仪器周围需要预留一定的 维修空问,或出于安全考虑与其它构件问应满足最 小间距要求,在此范 内不能有其他对象存在; 3功能性阻碍,如管道挡住r日光灯的光,虽 未发生实体碰撞, 后者不能实现止常功能; 4程序性碰撞,即存模型设汁巾管线问不存 在碰撞问题,但施lI 中 [序错误,一些管线先施 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。 基奇BIM的建筑MEP设计技术石开究 95 AutoCAD MEP2010软什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,提供洞广_I标记作为通过开洞解决碰 撞问题的记号。当然,这也只是给设讣人员提供J, 有益的参考,它并不能完令发现并解决管线碰撞『口J 题,其解决碰撞问题的手段也不如人1二灵活。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下 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T程建设其它领域的相关设 计也很有启发。本文尝试讨沦如何将基于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 、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没计 中的强电、弱电、暖通、给排水设计等系统。可以 说,市政管网设计足城市层面的MEP设计。 市政管阿没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 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 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,其问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, 尤其足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l兀管线的状况。日本等国针对这 一M题,提出通过建设“共同沟”的方法,即将各类 管线放 M一地下构筑物中以方便维修和建没。 但要真 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 。 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在数据管坪、分析和计算I 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_j 直观反映城市面貌的“数字城市”FI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B|M 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萆础条件。 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,共享没计信息,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 沣意提前实现其功 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 i维建模没计时也会 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技术实现二维设训‘文档的自动生成,将设 计人员从二维陶纸的绘制与修改过程中解放出来, 将更多的时问与精力投入专业模型的优化与设计, 是BIM技术的日标之一,也是我国大型建筑设计 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仝 新的答案,也将会得到行业的认可和普及。 参考文献 [1]Thomas M.Korman,C.B.Tatum.Using Construction, Operations.and Maintenance Knowledge tbetter Coordi nate Mechanical,Electrical,and Plumbing systems in Buihtings【C】AEI 2006Building Integration Solutions Proceedings of the 2006 Architectural Engineering National Conference [2]Dianne Davis.LEAN,Green and Seen.The Issues 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Key WordsBIM;MEP;AutoCAD MEP;Integrated Design for Pipelines;Municipal Pipeline Network;Col laborative Design

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