给水排水工程设计中BIM技术的应用研究
【摘要】 新世纪之初,人类正走进以信息技术为核心的知识经济时代,信息技术正以广泛的渗透性和无与伦比的先进性与传统产业结合。建筑业也正积极地借助信息技术的发展来提高自身的生产效率。充分利用信息技术的优势来实现我国建筑业的跨越式发展,已经成为当前建筑业的首要任务。而建筑信息模型(BIM)技术和基于BIM技术的建筑生命周期管理(BLM)成为建筑业提高生产效率的重要有效手段。本文研究BIM技术和BLM思想的内涵,基于BIM技术的软件应用,分析了我国建筑业当前存在的不足和BIM技术的优势,阐明了BLM思想是我国建筑业信息化发展的趋势。结合我国当前给水排水工程设计的特点,论述了给水排水工程设计中需要BIM技术,并对基于BIM技术的Revit MEP设备设计软件进行了研究。在实际项目的多工种协同设计过程中,创新地提出了给水排水专业应用BIM技术的具体实施方案,并且采用该方案完成了施工图设计,并总结出采用BIM技术进行给水排水施工图设计的有效经验,为BIM应用于建筑设计提供了理论和应用依据。
第一章 绪 论
1.1 研究背景
在制造业、农业和金融业等领域，计算机应用和数字化技术已经带来了生产率的大幅度提升。而在工程建设领域，计算机应用和数字化技术对生产率的贡献尚与上述行业存在较大差距。美国斯坦福大学的设施集成化工程研究中心的一项研究表明，美国在 1964～2003 年的四十年里，其它非农业行业的生产效率(见图 1-1 中蓝线)同期增长了约一倍，而建筑业生产效率(见图1-1 中红线)不仅没有增长，反而在下降。我国的发展情况同样类似。
建设领域的生产效率虽然没有得到改善，但工程项目却变得日益复杂。业主对智能化的建设过程、协同程度高的项目团队的需求也与日俱增，要求工程设计从业者和承包商提供更加精良的服务。为了改善生产效率，建筑业已经开始借鉴制造业领域的最新信息化成果——PDM(Product Data Management)和 PLM(Product Lifecycle Management)技术，开发出具有建立建筑产品信息模型 (Building Information Model，简称BIM) 功能的技术。所谓 BIM 技术是指通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，在这里，信息的内涵不仅仅是几何形状描述的视觉信息，还包含大量的非几何信息，如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息等。实际上，BIM 就是通过数字化技术，在计算机中建立一座虚拟建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个单一的、完整一致的、逻辑的建筑信息库。
1.2 国内外研究现状
2004 年，中国首个BLM实验室在哈尔滨工业大学成立，并召开了BLM国际论坛会议。华南理工大学、清华大学、同济大学也在 2004～2005 年间先后成立了BLM实验室。BLM正是BIM技术的一个重要的应用领域。
2007 年 8 月 30 日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布“十一五”国家科技支撑计划重点项目“建筑业信息化关键技术研究与应用”课题申请指南，将重点开展以下5 个方面的研究与开发工作：
课题一：建筑业信息化标准体系及关键标准研究
课题二：基于 BIM 技术的下一代建筑工程应用软件研究
课题三：勘察设计企业信息化关键技术研究与应用
课题四：建筑工程设计与施工过程信息化关键技术研究与应用
课题五：建筑施工企业管理信息化关键技术研究与应用
2009 年 5 月 18 日，“十一五”国家科技支撑计划重点项目“建筑业信息化关键技术研究与应用”在北京启动。
第二章 建筑信息模型（BIM）理论的诞生、发展趋势及应用现状
2.1 BIM 的概念
BIM 是“建筑信息模型”（Building Information Model）的简称，BIM 技术是指将建筑工程项目中的单一构件或物体作为基本元素，将描述基本元素的几何数据、物理特性、施工要求、价格资料等相关信息有机地组织起来，形成一个数据化的建筑模型，作为整个建筑工程项目的数据资料库。这些围绕建筑物构件或物体组织起来的数据不仅只是简单地反映了建筑元素的几何特征、物理属性等特性，相互之间还保持着作为建筑整体一部分的空间关系和逻辑关系，作为虚拟空间的数字化建筑物，形成了完整的、有层次的信息系统。
由于整个建筑相关的信息存储在 BIM 集成数据库中，所有设计内容都是参数化和相互关联的，这样就可以在 BIM 上构建各个专业协同工作的平台，实现了各专业的信息的传递准确、及时共享和有效管理。
在工程项目全生命周期中，包括决策、设计、施工、运营、管理等各阶段，各个参与人员都可以根据自己的需要在 BIM 中提取自己所需要的数据，来完成各自的任务。也同时把各人创建的信息反映到 BIM 中去，如此使工程中各参与人员通过BIM 紧密的联系在一起，实现了协同工作的目的。如图 2-1所示 ：
2.2 BIM 技术的诞生历程
2.2.1 BIM 技术诞生的内因——CAD 技术应用于建筑业尚存在不足
（1）CAD 技术的发展历程
计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助设计者进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。它的发展与计算机软件、硬件技术的发展和完善，与工程设计方法的革新紧密相关。
CAD把人类的逻辑推理、学习联想、富于创造性的优点与计算机高速、精确、信息存贮量大的特性结合起来，通过人机交互技术溶为一体，从而使两者的优势都得到了充分的发挥。据统计，美国一些设计公司在采用了CAD技术后，除提高了绘图质量，改善了工作环境外，还可提高工作效率 1.5～3 倍，减少设计修改工作量 80%以上。美国国家工程科学院将CAD评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。美国国家科委曾评价CAD是“人类从电力发现以来，最具有生产潜力的一项技术” 。
CAD 技术起步于 20 世纪 50 年代后期，60 年代开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时 CAD 技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。此时 CAD的含义仅仅是图板的替代品，即计算机辅助“绘图”（Computer Aided Drawing or Drafting），而并非计算机辅助“设计”（Compter Aided Design）。CAD 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70 年代末期，以后作为CAD 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。
20 世纪 70 年代后期，以 CAD 技术为代表的新的技术改革浪潮席卷了全世界，它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代，而且几乎影响到全部技术领域，冲击着传统的工作模式。以计算机辅助设计这种高技术为代表的先进技术给人类带来了巨大的影响和利益。计算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家工业技术水平的重要标志。近十年来占据绘图市场主导地位的是美国Autodesk 公司的 AutoCAD 软件。在今天中国的 CAD用户特别是初期 CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。
20 世纪 80 年代，大规模和超大规模集成电路、工作站和 RISC（精简指令集计算机）等的出现使 CAD 系统的性能大大提高了一步。与此同时，图形软件更趋成熟，二维、三维图形处理技术、真实感图形技术以及有限元分析、优化、模拟仿真、动态景观、科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。
20 世纪 90 年代，这一时期 CAD 的发展日趋成熟，主要体现在以下几个方面：CAD标准化体系进一步完善；系统智能化成为又一个技术热点；集成化成为 CAD 技术发展的一大趋势；科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是 20 世纪 90 年代 CAD 技术发展的新趋向。
（2）CAAD 软件的发展及应用
CAAD是“计算机辅助建筑设计”(Computer Aided Architectural Design)的简称，是针对建筑设计专业的需要而发展起来的，也是CAD的一个重要分支，促进了计算机时代建筑设计方式的变革。集成化的CAAD应具有图形显示与绘图、信息处理、科学计算，仿真模拟、评价优化以及今后将大力发展的专家系统(或决策支持系统)的咨询、决策等诸多方面的功能。它除承担起建筑设计过程中大部分事务性和重复性的工作外，还将大大扩展建筑师的思维和创造能力，将把建筑设计活动推到更高的水平和更广阔的境界。
20 世纪 60 年代末至 70 年代初，还没有专门用于建筑设计的 CAD 软件。当时的CAD 软件的基本特征只是通用的图形处理能力，而且主要是二维图形绘制、标注尺寸和符号等功能，可用于通过图形表达设计意图的各个行业。
第三章 建筑信息模型（BIM）技术在给水排水设计中的 应用研究........24
3.1 给水排水设计中需要BIM技术 .......... 24
3.1.1 建筑给水排水工程设计的特点....... 24
3.1.2 现阶段建筑给水排水工程设计存在的问题 ........ 25
3.1.3 建筑给水排水工程设计中需要BIM技术 ........... 26
3.2 BIM技术在给水排水应用中所需要的软件支持............ 27
3.2.1 基于BIM技术的软件Revit简介 ............. 29
3.3 在给水排水设计中应用基于BIM技术的REVIT MEP 软件的具体实施步骤 ............ 30
3.3.1 理解Autodesk Revit MEP ........... 30
3.3.2 参数化模型中的图元行为...........31
3.3.3 Revit MEP中的族设计............ 32
3.3.4 Revit MEP 中管道系统的创建............ 35
第四章 基于BIM技术的多工种协同设计应用实例.........37
4.1 设计软件和工程项目的选择.......... 37
4.1.1 设计软件的选择............... 37
4.1.2 工程项目的选择.............. 38
4.2 多工种协同设计方案的实施............. 39
4.2.1 设计研究环境的构建................ 39
4.2.2 协同设计工作方式的选择............. 39
4.2.3 项目共享、协同设计的实现............. 40
4.3 给水排水专业遇到的关键问题及解决方法 ........... 42
4.3.1 解决可用族数量少的问题............. 42
4.3.2 解决各种类型管道的标识问题............ 43
4.3.3 解决各专业部分构件无法在本地模型中自动更新... 46
4.4 软件碰撞检查的应用.............. 46
4.4.1 传统的二维设计模式存在各工种构件容易发生碰撞的缺点 ............. 46
4.4.2 Revit MEP软件碰撞检查的应用............ 47
4.4.3 Revit MEP软件漫游功能的应用................. 50
4.5 主要研究成果..... 54
4.5.1 实现了图纸管理的智能化....... 54
4.5.2 实现了给水排水平面图表达的标准化........... 54
4.5.3 实现了给水排水系统图表达的精准化............ 55
4.5.4 实现了给水排水大样图表达的形象化.......... 57
第四章 基于 BIM 技术的多工种协同设计应用实例
华南理工大学建筑设计研究院近几年来陆续设计了广州国际会展中心、2008 年北京奥运会羽毛球馆与摔跤馆、南京大屠杀纪念馆扩建工程、2010 年上海世博会中国馆等一大批功能复杂，在国内外具有较强影响力的标志性建筑，标志着华南理工大学建筑设计研究院在建筑方案创作水平上已经处于国内顶尖水平，并且能与世界上一流水平的建筑设计事务所进行同台竞争。
一个好的建筑方案构思出来了，需要采用优秀的建筑软件绘制出来，并且用绘制出来的图纸指导施工建成，才能便于众人欣赏，获得广泛的认同。在建筑设计的基本软件中，基于 BIM 技术的建筑设计软件已经展示出巨大的优势，并将成为以后的发展方向，欧美发达国家的优秀建筑事务所也已经普遍不同程度地应用了。
4.1 设计软件和工程项目的选择
4.1.1 设计软件的选择
目前比较成熟的BIM软件主要有Graphisoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的Microstation.TriFoma，和Autodesk公司的Revit。尽管Graphisoft公司最先开发了基于BIM技术的软件ArchiCAD，但是Autodesk公司作为全球最大的二维和三维设计软件公司，利用其在行业内的资金、技术和人才优势，推出的Revit系列建筑设计软件后来居上，在全世界范围内得到多数的设计人员的支持。
Revit Architecture 建筑设计软件已经在 2004 年引入我国， Revit Structure 结构设计软件和 Revit MEP设备设计软件也在2008年引入我国。据Autodesk公司技术人员介绍，截止 2008 年 8 月，国内尚无一家设计单位采用了 Revit 全系列软件进行了一个项目的建筑、结构、给排水、电气和暖通空调的多工种协同设计。主要有两个原因，一是 Revit Structure 结构设计软件和 Revit MEP 设备设计软件本身并不成熟，设计中需要用到的族，软件自身集成的很少，另外设计的图纸表达方法与国内现行的制图标准相差甚远。二是硬件设备的制约，一个集成了建筑、结构、给排水、电气和暖通空调的建筑信息模型动辄上百兆，一般的工作电脑打开一个建筑信息模型都得十几分钟，更别说进行设计、修改等操作。
结论与展望
结论
建筑信息模型(BIM)技术是信息技术革命应用于建筑业的产物，随着计算机硬件水平的飞速提升和基于 BIM 技术软件的日益完善，大力推广 BIM 技术，将迅速提高建筑企业的管理水平和技术水平，提高工程质量和效率，减少工程浪费，增强我国建筑业在国际上的竞争力。
本文通过对 BIM 技术在给水排水工程设计中的应用研究，提出了给水排水工程设计中应用 BIM 技术的具体实施办法，并且用实践证实了 BIM 技术的在给水排水工程设计中的优越性和巨大效益，具有一定的推广和使用价值。
在基于BIM 技术的多工种协同设计应用实践中，取得了以下主要研究成果：
实现了图纸管理的智能化；实现了给水排水平面图表达的标准化；实现了给水排水系统图表达的精准化；实现了给水排水大样图表达的形象化。
展望
BIM 技术是建筑生命周期管理（BLM）思想的核心。目前 BIM 技术在我国的应用研究还主要停留在设计阶段，甚至主要是建筑专业的设计，但是在国家政策的大力支持下，未来的几年 BIM 技术在我国的应用研究，必将迅速地扩展到建筑设计的各个专业和建筑生命周期管理的各个阶段。
2009 年 7 月，中国软件联盟宣布成立中国工程建设行业软件产业联合体，旨在为构筑完整的中国建筑全生命周期（BLM）解决方案。这表明中国软件企业已经充分认识到 BIM 技术的优势，意识到 BLM 是未来建筑业的发展方向。
中国工程建设行业软件产业联合体的成立，将极大地促进我国建筑行业软件企业的自主创新能力，加快工程建设行业信息化发展。
参考文献:
- [1] 刘照球,李云贵. 建筑信息模型的发展及其在设计中的应用[J]. 建筑科学. 2009(01)
- [2] 朱宁克,邹越. 虚拟现实技术在建筑设计中的应用[J]. 北京建筑工程学院学报. 2008(01)
- [3] 肖伟,胡晓非,胡端. 建筑行业的挑战与BLM/BIM的革新及运用[J]. 中国勘察设计. 2008(01)
- [4] 张宇,郑琪,陈宜,卜一秋. 协同设计在建筑设计中的应用研究[J]. 施工技术. 2007(12)
- [5] 江显珍. Autodesk~ Revit参数化设计使效率和质量提高[J]. 建筑学报. 2007(11)
- [6] 王红玉,罗智华,李樟海,王大鹏. 广州白云国际会议中心地下室管线综合设计[J]. 给水排水. 2007(09)
- [7] 李俊. 自由飞翔的建筑设计[J]. 建筑学报. 2007(06)
- [8] 林然,孙凯莉. 数字化时代的建筑设计——建筑信息模型[J]. 福建建筑. 2007(05)
- [9] 傅雁. 2+1的革命[J]. 建筑学报. 2007(04)
- [10] 邹凯. Autodesk~ Revit~ Building在工业建筑设计中的应用[J]. 建筑学报. 2007(01)
本文编号：9279
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