晨越建管集團BIM中心 曾佑萍

摘要：一場新技術革命——BIM（建筑信息模型）正在席卷中國規模龐大的建設領域技術，它作為管理工程項目衍生的一種工具，可以應用在工程項目的各個階段，在設計階段引進BIM技術可以為之后的施工階段打下良好的基礎。本文以海濱灣梧桐棲人才公寓項目為例，介紹了BIM技術在室內燃氣管道設計階段的具體應用，BIM技術給傳統的設計流程提供了新技術的支撐；對于燃氣管道設計階段潛在的一些問題，BIM技術的應用提供了新的解決思路；通過BIM技術在燃氣管道設計階段發揮的作用，由小見大，映射出BIM技術在設計階段應用的部分價值。
關鍵詞：BIM技術 燃氣管道設計 安全 成本 效果

引言
    設計階段是保證工程項目安全、控制工程項目造價和決定工程項目效果的關鍵性階段，可以說是工程建設的靈魂。在設計階段制定的各專業設計方案是建筑使用功能的衡量標準，其中燃氣管道設計方案較為特殊，燃氣管道作為一項重要的城市基礎性設施，有著自然壟斷的特質，通常燃氣設計師在制定設計方案的時候，更多的關注安全因素，往往忽略了設計方案的成本和效果。如果站在投資方和住戶方的角度，這樣制定的燃氣管道設計方案很難令他們滿意。BIM技術作為信息科技快速發展的產物，它具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等五大優勢，可以在燃氣管道設計階段對安全、成本、效果三方面因素進行全面考量，使燃氣管道設計方案更加完善，達到調和燃氣設計師、投資方和住戶方三者之間矛盾的目的。燃氣管道設計階段作為整個設計階段的重要組成部分，BIM技術在此階段的應用也體現了其在整個設計階段的部分價值。

1. 關于BIM的定義
    BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的縮寫，其中：
    Building –建筑：從廣義角度來說，應該涵蓋所有工程構筑物（包括土木與建筑），它指的是生活中的實體空間，以技術層面來分，較偏工程技術。
    Information –信息：實體空間中工程構筑物的相關數據或行為，在虛空間做數字表達的信息技術。它是BIM的核心所在，尤其是幾何與非幾何兩種信息的關聯關系。
    Modeling –模型：Modeling是來自信息技術，面向對象技術的專有術語，簡而言之，它是對象化的意思，就是將實體空間的實物（例如柱子）之屬性（例如斷面尺寸、材質）及行為（例如上下端相連的  梁或柱，側面是否有墻的判斷準則等），用面向對象技術將此關系，在虛空間組構起來，叫對象化。
    綜合來說BIM就是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，利用信息技術和數字模型對建設項目設計、施工、運營管理等全生命周期進行協同管理，具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等五大優勢。

2. 項目案例背景
    本文舉例的海濱灣梧桐棲人才公寓項目（以下簡稱海濱灣項目）是成都首批開發的高端人才公寓之一，也是政府重點投資項目，最后以精裝房交付，各類人才可直接拎包入住。在建設過程中，海濱灣項目（圖1）以創建示范工地為目標，狠抓日常管理，通過科學管理和技術創新，積極應用新技術、新設備、新材料與新工藝，在施工策劃、材料采購、現場施工、工程驗收等各個階段推廣應用，并于2019年榮獲“成都市優質示范工程”。

圖1項目效果圖

該項目位于成華區青龍街道海濱灣社區，凈用地面積約10萬㎡，總建筑面積37萬㎡，項目建成后將為成華人才就業、創業提供一個安居之所，為優化區域營商環境、為高質量建設“天府成都·文旅成華”和美麗宜居公園城市示范區提供堅實的人才支撐，具有積極的社會意義。
    晨越建設項目管理集團股份有限公司的BIM團隊（以下簡稱BIM團隊）在海濱灣項目中提供全過程BIM咨詢的服務，從設計階段開始就利用BIM技術協助投資方優化項目管理。BIM團隊為了提供更加全面的服務，駐扎在項目現場，方便隨時給各方參建單位提供技術支撐和BIM培訓。海濱灣項目于2020年榮獲“四川省建筑業新技術應用示范工程”，這項榮譽是BIM技術在該項目中發揮了其價值的最好體現。

3. 燃氣設計階段潛在問題
    3.1.  燃氣設計行業潛在問題
    3.1.1. 燃氣設計師容易忽略成本和效果
    燃氣設計師與投資方、住戶方對燃氣管道設計方案的側重點不同。燃氣設計師在設計室內燃氣管道方案的過程中，更多考慮方案的安全性，方案的成本和效果不是他們關注的重點，忽略了投資方不想投入過多的成本和住戶方對美觀性有著較高的要求，因此燃氣設計師設計出來的方案還需要多次優化，直到各方滿意。
    3.1.2. 廚房沒有預留合適的安裝位置
    根據CJJ94-2009 《城鎮燃氣室內工程施工與質量驗收規范》中規定燃氣管道的敷設要與電氣設備、相鄰管道、燃氣設備之間保證一定的安全距離，通常情況下，室內燃氣方案是由各地燃氣公司的燃氣設計師單獨設計的，相對于其他專業設計的時間較晚，燃氣管道開始設計時，廚房內的建筑結構和機電點位（開關、插座）都已完成。在廚房內部構造已經完成的情況下進行燃氣管道敷設，會發現廚房內沒有預留燃氣管道合適的安裝位置（開關、插座需調整位置），或者預留的孔洞不符合安裝標準（梁、樓板、剪力墻需重新開洞）等問題。
    3.2. BIM團隊潛在問題
    3.2.1. BIM團隊人員容易專注于模型本身
    在以往的一些實際案例中，發現BIM團隊人員在項目現場只會埋頭鉆研模型，專注于如何將模型建立的更加精細，而忽略了項目現場實際情況，不了解施工工藝和施工流程；跟設計單位溝通甚少，也很少主動熟悉相關的設計規范。基于BIM的設計方案優化流程（圖2），對BIM團隊人員的設計專業知識要求較高，在不了解設計意圖的情況下繪制的模型就很難發現有意義的問題，不能提供有效的建議，還會導致其他單位認為BIM技術只能作為簡單的翻模工具應用在設計階段。

圖 2基于BIM的設計方案優化流程

    3.2.2. 缺乏完善的構件模型庫
    建立企業族庫可以提高BIM模型的使用率和減少重復建模的工作。在燃氣管道設計階段利用BIM技術建立3D信息化模型的過程中，需要用到許多模型構件（例如：燃氣灶、冰箱、櫥柜、灶臺、水池、抽油煙機、燃氣表以及熱水器等）來立體呈現燃氣管道與其他設備之間的空間關系。市面上能搜索到并使用的構件族大多都通用性較強，精度不高，不適用于有著高精度要求的模型，而繪制這些設備構件族會花費BIM團隊大量時間和精力，導致BIM團隊人員沒有足夠的時間去驗證設計方案的合理性和美觀性。

4. BIM團隊在實際工程燃氣管道設計階段的重點關注因素
    安全、成本、效果是住宅室內燃氣管道設計需要重點關注的三方面因素。安全是燃氣設計師關注的重點因素，燃氣設計師首先要確保燃氣管道設計方案滿足燃氣設計規范，這是一切的前提。而燃氣設計師出于燃氣安全和方便后期維修的考慮，一般要求燃氣管道入戶后在室內進行明管敷設，禁止燃氣管道埋地敷設，這會在一定程度上影響廚房室內的精裝修效果。對于住戶方而言，室內整體的精裝修效果是他們衡量住宅品質的重要因素；對于投資方而言，需要投入的成本是他們確定設計方案的重要因素。由于燃氣設計師、投資方和住戶方身份的不同，導致他們對設計方案有著不同的衡量因素，燃氣管道設計方案的最終敲定，需要將這三方面因素綜合考慮，找到三者之間的平衡點。

5. BIM技術在實際工程燃氣管道設計階段的具體實施流程
    海濱灣項目利用BIM技術優化整個燃氣管道方案設計階段的管理，包括初步設計階段的設計優化和成本測算，深化設計階段的方案深化和BIM出圖。具體實施流程如下：
    5.1. 設計優化
    為了達到在模型中能真實還原燃氣管道設計方案的目的，對模型精度要求較高。BIM團隊根據圖紙1:1還原廚房樣貌，其中廚房內的設備設施（燃氣灶、冰箱、櫥柜、灶臺、水池、抽油煙機、燃氣表以及熱水器等），在模型中如實反映了它們的空間形態、幾何尺寸、材料樣式和顏色等信息。對廚房內部及生活陽臺的梁板結構高程和凈空、柱體尺寸、平面墻體位置以及精裝點位（插座、開關等）的高度和位置一一進行核對。
    在燃氣擴初設計方案中對燃氣管道有兩種敷設方式；一種是燃氣管道從生活陽臺入戶后走櫥柜上方接立管穿灶臺用軟管與燃氣灶相連（以下簡稱明裝），另一種是燃氣管道從生活陽臺入戶后直接走櫥柜下方接立管用軟管與燃氣灶相連（以下簡稱暗裝）。
    BIM團隊根據燃氣設計師初步擬定的明裝（圖3）和暗裝（圖4）兩種方案建立了三維可視化模型。在這兩種方案中，燃氣設計師只是在圖紙上大致反映了燃氣走向，并未全面考慮方案的可行性。因此BIM團隊根據CJJ94-2009 《城鎮燃氣室內工程施工與質量驗收規范》在模型中對方案進行核查，檢查燃氣管道在廚房三維空間里是否安全合理，將有問題的地方實時記錄，形成問題報告，達到設計優化的目的。

圖 3某戶型明裝方案

圖 4某戶型暗裝方案

圖 5走地柜敷設

圖 6吊頂內敷設

在燃氣擴初設計階段初步擬定的明裝方案中，部分戶型的現場預留燃氣進戶洞口不滿足入戶要求，需要重新開設（圖7）。現場共計1967個戶型，BIM團隊通過核查模型得到需在入戶墻上重新開設的洞口有1547個，根據《四川省建設工程工程量清單計價定額2015版》得到混凝土墻開孔的綜合單價為100.18元/個，孔洞封堵綜合單價12.19元/處，穿墻鋼管套報廢綜合單價為98.05元/個，則增設1個洞口的費用為100.18+12.19+98.05=210.42元/個，預增加開洞費用為210.42*1547≈32萬元。

 
圖 7現場開洞情況

5.3. 方案深化
    設計方案的深化是此次燃氣管道設計過程中最重要的階段，在該階段中，BIM團隊分別對燃氣管道方案和櫥柜方案進行了深化。
    5.3.1. 燃氣管道方案深化
    在燃氣管道設計方案的深化中，BIM團隊主要做了如下工作：
    (1) 對于燃氣灶與燃氣立管之間連接的軟管長度超過2米的戶型，建議修改燃氣灶位置，一是因為軟管長度有規范要求，如果超過2米容易發生安全事故，必須保證住戶方入住后的使用安全，二是修改燃氣立管位置需要重新布置燃氣管道走向，櫥柜和燃氣灶都需重新開孔，改動成本較大，若修改燃氣灶位置只需要灶臺重新開孔，改動成本較小，且易操作。
    (2) 燃氣管道經過的地方存在燃氣管道和插座點位水平安全距離不足的問題，BIM團隊嚴格按照設計規范在模型中修改插座點位位置，通過修改后的模型導出機電點位圖紙，經燃氣設計師確認后供現場實施。
    (3) 根據敲定的燃氣入戶方案出具各戶型的開洞圖，經燃氣設計師確認后供建筑結構專業預留孔洞。

5.3.2. 櫥柜方案深化
    在櫥柜方案深化的過程中，有三點需要注意的問題。
    第一，該項目的櫥柜都為整體櫥柜，是指由櫥柜、電器、燃氣具、廚房功能用具四位一體組成的櫥柜組合（以下簡稱櫥柜），它們的施工工藝較一般櫥柜更為復雜，施工成本較高；
    第二，在以往的櫥柜設計方案過程中，櫥柜廠家與燃氣設計師、投資方和其他參建單位只能基于二維圖紙討論方案，而二維的平面和剖面圖不夠立體直觀，設計可視性較差。通過這種方式制定的櫥柜方案在櫥柜制作好進場后，難免會出現為了躲避多而復雜的管線，打掉背板、底板，甚至櫥柜需要返工的情況；
    第三，根據廚房的布局格式可將其分為一字形廚房、L形廚房、走廊式廚房等類型，每種類型的廚房由于面積不同需要制定不同的櫥柜方案，櫥柜設計方案較多，如果櫥柜進場后出現修改和返工的情況改動成本較高。
    為了避免上述問題的發生，減少后期櫥柜改動的可能性，BIM團隊在櫥柜進場前對櫥柜方案進行了深化。方案的深化主要是根據《家用燃氣燃燒器具安裝及驗收規程》（CJJ12-2013）中的規定，其中規定要求燃氣立管經過的櫥柜柜體處，上下柜板不應封閉，所有管線經過處，都應開設不小于80cm²的孔洞。針對這一要求，BIM團隊直接在模型中將燃氣橫管經過的地方，于吊柜頂線上方增加一塊頂板（與吊柜門板同種材質），吊柜頂線和增加的頂板用橫向頂封板（與吊柜門板同種材質，可拆除）連接，將燃氣橫管進行隱藏；燃氣立管豎向穿過櫥柜處做立板封板（與吊柜門柜同種材質，可拆除）；橫向頂封板和立板封板的通風樣式（百葉窗或開圓孔或開矩形孔）根據精裝修風格確定。

5.4.  BIM出圖
    Revit軟件是BIM技術應用中的一款基礎軟件，它雖然功能強大，可以繪制各專業模型、出圖以及出量，但是在建筑行業普及程度不如CAD且對電腦配置要求較高，非BIM從業人員很少會安裝和使用此款軟件，因此由revit繪制的BIM模型大多是作為過程資料的支撐文件存在，根據BIM模型出具的圖紙才是與其他單位溝通往來的重要文件。
在該項目中，BIM團隊在深化燃氣管道和櫥柜方案的同時更新BIM模型，利用BIM模型導出了廚房及生活陽臺的平面圖、剖面圖和三維軸測圖。其中三維軸測圖是BIM出圖的一大亮點，它在CAD軟件中打開是3D圖紙，可以三維旋轉，打破了以往CAD只能二維出圖的壁壘。
    最后，由BIM團隊牽頭各方參建單位展開了關于確定燃氣管道和櫥柜方案的專題會議。在會上根據BIM團隊出具的圖紙和提出的深化建議，結合各方參建單位意見，形成最終的燃氣管道及櫥柜方案，指導現場施工，體現了BIM技術應用下的設計施工一體化的價值。

6. 項目案例結果分析
    6.1.  BIM技術在燃氣管道設計階段發揮的作用
    6.1.1 解決了安全、成本、效果三者之間的矛盾沖突
    在海濱灣項目的燃氣管道設計階段過程中，BIM團隊利用BIM技術協助燃氣設計師和櫥柜設計師制定了更加安全可靠的設計方案，為投資方節省了不必要的成本，站在住戶方角度提出了深化設計方案，盡可能的調和了三者之間因立場不同而產生的矛盾，具體方案如下：
    (1) 在安全方面，根據燃氣設計師提供的明暗裝兩種擴初方案設計圖進行三維建模工作，建立3D信息化模型。利用BIM技術可視化特點，在模型中提前模擬燃氣管道設計方案，將設計與施工可能存在的沖突，提前預演，最大程度消除安全隱患。
    (2) 在成本方面，根據3D信息化模型出具的圖紙進行明暗裝兩種方案的成本測算。測算的依據主要是兩種方案管道敷設的方式和走向不同，對廚房吊頂、墻面、樓面、櫥柜等部位的開洞位置和開洞數量有著不同的影響，導致兩種方案之間的成本有較大差異。
    (3) 在效果方面，對燃氣管道和櫥柜方案進行深化。以安全性和美觀性為前提，在保證燃氣管道經過的地方能達到通風要求的情況下，對裸露在外的燃氣管道進行隱藏處理（如櫥柜開洞，加頂板、封板等方式），達到讓住戶方滿意的精裝修效果。

    6.1.2 解決了燃氣管道設計階段的潛在問題
    對以往的燃氣管道設計階段中發現的潛在問題，BIM團隊都一一提供了解決方案，例如：
    (1) 對于燃氣設計師容易忽略成本和效果的問題。BIM團隊在設計優化、成本測算和方案深化階段，站在燃氣設計師、投資方和住戶方的角度分別對安全、成本、效果等因素都進行了考量，使燃氣管道設計方案制定的更加全面。
    (2) 對于廚房沒有預留合適的安裝位置的問題。BIM團隊根據燃氣管道深化方案出具了燃氣設計師認可的機電點位圖紙和開洞圖紙（含位置、標高），分別提供給機電、建筑、結構專業，讓機電專業可以預留足夠的安全距離進行燃氣管道的安裝，讓建筑、結構專業預留合適的孔洞，使燃氣管道在入戶和安裝前與其他專業緊密配合，減少施工時的二次開洞和返工。
    (3) 對于BIM團隊人員容易專注于模型本身的問題。在設計優化前，BIM團隊就開始熟悉各類燃氣設計規范，再對燃氣管道方案進行驗證，并去施工現場察看安裝條件是否滿足要求，主動參與到燃氣管道設計階段的流程中，讓BIM技術能夠真正達到優化設計，輔助深化設計，減少設計變更的目的。
    (4) 對于缺乏完善的構件模型庫的問題。BIM團隊在該項目中建立了自己的企業族庫，將繪制好的精裝構件族（例如櫥柜、灶臺、冰箱、水池、燃氣灶、抽油煙機、燃氣表以及熱水器等）上傳到企業族庫中，下一個房建類精裝修住宅項目只需要根據構件的具體數據修改相關尺寸和材質就可以運用到模型中，極大地提高了BIM團隊的工作效率。
6.2.  BIM技術在燃氣管道設計階段的應用特點
    在該項目的燃氣管道設計階段中，BIM技術的應用主要體現了參數化設計、可視化交底和模型聯動性等三方面特點。
    (1) 參數化設計：BIM團隊建立3D信息化模型的時候需要錄入各種參數信息（包括幾何信息和模擬幾何形狀以外的非幾何信息），這些信息可以根據需要隨時調整。例如BIM團隊在繪制精裝構件族的過程中，將擁有共同特征參數的構件中的特征參數設置為可調，就能按照不同的特征參數信息進行修改，變化成相似卻不相同的構件。
    (2) 可視化交底：BIM團隊在設計優化和方案深化的實施流程中，利用3D信息化模型，將燃氣管道的敷設方案提前預演，把未來施工過程中，各專業之間可能產生的矛盾沖突提前發現并解決，為參建各方提供可視化的解決方案進行技術交底。
    (3) 模型聯動性：對于有設計變更的地方，BIM團隊只需要在3D信息化模型中修改其中一處的參數信息，其他參數信息相同的地方都會跟著變動，隨之由模型出具的平面圖、立面圖、三位軸測圖都能及時的關聯更新，省去了以往設計師需要一張張修改圖紙的麻煩。

7. 結語
    雖然燃氣管道設計階段只是整個工程設計階段中很小的一部分，但是由小見大，可以從BIM技術在實際工程燃氣管道設計階段的應用中看到，BIM技術在設計階段的主要價值體現為：參數化設計可以實現項目全生命周期的數據集成管理，完成數據的集成和傳遞；在驗證方案合理性的同時，向各方參建單位進行可視化交底，能讓非設計人員“看懂”設計方案，降低各方單位的溝通成本；模型聯動性可以提高出圖的效率和準確性，從而加速項目推進。
    總之，將BIM技術融入項目設計階段的管理工作中，能夠實現提前消除安全隱患、實現空間預感、輔助方案決策、數據信息共享、加快項目進程的價值。當然，BIM技術在整個設計階段的價值不止于此，還有更多的價值可以被挖掘。
參考文獻
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[6]CJJ94-2009《城鎮燃氣室內工程施工與質量驗收規范》
[7]CJJ12-2013《家用燃氣燃燒器具安裝及驗收規程》