BIM技術在建筑機電工程中抗震支吊架斜撐安裝空間預測，介紹在抗震支吊架建族過程中以光圈形式將錨栓的作用范圍可視化，運用BIM技術的碰撞檢測功能可以達到錨栓間距檢測的目的。

以廣州某大型項目為例，針對抗震支吊架安裝中最為常見的側(cè)向斜支撐安裝空間問題，選擇管線設備集中的地下二層核心筒走廊樣板區(qū)進行了成品與抗震支吊架的深化設計。最后提出了將最下層橫擔延伸通過型鋼底座與左側(cè)結(jié)構墻進行生根、側(cè)向支撐改為與橫擔一體的水平支撐和簡化管線空間布排等解決措施。

０引言

BIM是當下的熱門話題，以三維數(shù)字技術為基礎，能對工程項目相關信息進行詳盡表達。綜合管線部分是機電安裝工程中的難點，工具經(jīng)BIM技術深化設計后的三維圖導出安裝節(jié)點圖，不僅可以提高機電安裝的精確性，還可以節(jié)省大量繪制抗震支吊架節(jié)點圖的時間。BIM模型信息的完備性、關聯(lián)性、協(xié)同性在建筑行業(yè)的應用，除了能減少工程成本并有效控制工程進度及質(zhì)量外，還將為建筑行業(yè)的科技進步帶來不可估量的影響。

抗震支吊架是以地震力為主要荷載的抗震支撐設施，對機電設備及綜合管線可進行有效保護，其由錨固體、加固吊桿、抗震連接構件及抗震斜撐（側(cè)向、縱向均為斜撐）組成。然而，由于抗震支吊架的安裝基于建筑的機電系統(tǒng)，因其設備管線復雜、設計圖紙信息不充分，以及其對建筑物的主體結(jié)構依賴性強，則后續(xù)安裝時安裝難度大，安裝空間浪費。在BIM技術的帶動下，抗震支吊架的深化設計能實現(xiàn)真正意義上的與周圍空間環(huán)境的精確匹配，減少現(xiàn)場不必要的“打架”問題。

為了節(jié)約管線與抗震支吊架材料、增加建筑凈空間和提高抗震支吊架安裝的合理性，本文將對BIM技術在抗震支吊架模擬安裝和綜合管線進行碰撞檢測方面展開研究。

１BIM技術在抗震支吊架斜撐和錨栓安裝的運用

1.1斜撐安裝空間預測

抗震支吊架的斜撐按其支撐形式可分為剛性支撐與柔性支撐兩種。剛性支撐斜撐材料一般選擇Ｃ型槽鋼、鍍鋅鋼管，因其同時能抵抗拉力與壓力，從而一般以單邊撐的形式存在；柔性支撐斜撐材料一般是鋼索，只能抗拉力，所以必須以兩邊對稱的形式存在?？拐鹦睋伟雌渥饔霉δ軇澐?，又可分為側(cè)向支撐與縱向支撐，側(cè)向支撐是用以抵御側(cè)向水平地震力作用，縱向支撐是用以抵御縱向水平地震力作用。例如，管道同一點位，既安裝側(cè)向支撐又安裝縱向支撐，其作用原理是在管道質(zhì)心水平面上形成互成90°的4個方向上的支撐，水平地震力從任意方向作用，管道均受到保護。成90°安裝的兩個剛性支撐，因其同時具有抗拉壓能力，所以能對管道作水平方向的保護；對柔性支撐，則須做水平面上互成90°的4個支撐。

因此，抗震支吊架對斜撐、吊桿的性能有更加嚴格的要求。特別是斜撐兩端的抗震連接座更需要合理的設計，目前國際上最權威的的抗震檢測機構是美國FM認證機構。斜撐上用以與結(jié)構體生根的錨栓不僅需要驗算其拉拔性能，抗切能力也必不可少。斜撐安裝的空間位置是最復雜的，對樓板板底，一般斜撐與垂直吊桿之間的角度宜為45°，且不得小于30°。角度區(qū)間分為：30～45°、45～60°和60～90°，角度的變化也會影響抗震支吊架能承受作用范圍，進而改變其最大間距。

BIM技術的運用，能根據(jù)模擬的三維圖紙了解每個支吊架斜撐的具體安裝空間，結(jié)合管線綜合技術從而在設計階段就能確定每個支吊架的斜撐的安裝方式與角度，再根據(jù)具體的支吊架形式能承受的實際荷載與角度確定支吊架應有的最大間距，給出確定的抗震計算書及可靠的產(chǎn)品選型驗算過程。

1.2錨栓間距檢測

對于錨栓的檢測，首先確定錨栓的安裝位置，運用點荷載繪圖使結(jié)構的受力范圍可視化，使錨栓之間保持必要的間距，保證錨栓性能有效性，避免對結(jié)構造成傷害。利用BIM技術，將每一個錨栓的力學作用范圍表現(xiàn)出來，在三維圖中為光圈，如圖1所示。當作用范圍不重合則表示錨栓力的有效性能達到結(jié)構的承載。反之，則對支吊架安裝位置或者斜撐角度進行優(yōu)化調(diào)整。抗震支吊架的族庫建設過程中，可以把對應大小錨栓部分設計成為一個相應大小的光圈，從而在支吊架模型放置完成后，利用BIM的碰撞檢測功能，檢測出相應的錨栓碰撞位置，再做出相應的位置調(diào)整。

圖1錨栓的力學作用

2BIM技術在抗震支吊架系統(tǒng)中的運用

2.1BIM技術對于系統(tǒng)設計階段的指導

抗震支吊架深化設計布置流程見圖2[1]。首先，應引入建筑對象，反映建筑空間、結(jié)構、構件的位置關系。此外，BIM技術對于安裝支吊架的后期材料統(tǒng)計帶來的極大便利是傳統(tǒng)CAD所不具備的，從材料數(shù)量的統(tǒng)計，到每一個支吊架類型的屬性?；赗evit的插件如圖3所示?；贐IM的材料管理不僅僅只是一個深化設計→預制加工→物流追蹤→現(xiàn)場安裝的物流管理流程，而是一個建造全過程的信息管理，譬如歐美的裝配式支吊架流程：預埋件→過渡橫梁→懸吊式支吊架[2]，而預埋的位置是否準確更離不開BIM技術模擬與施工的結(jié)合。

綜合管線布排應考慮暖通、給排水、強電、弱電、消防、機電等各專業(yè)安裝的空間位置關系以及與裝飾專業(yè)之間的關系，一般應遵循以下原則。

圖2利用BIM技術建立支架系統(tǒng)的流程

圖3支吊架基于Revit的繪制插件

(1)管線綜合協(xié)調(diào)過程中還應根據(jù)實際情況綜合布置。避讓原則：有壓管讓無壓管，小管讓大管，施工容易的避讓施工難度大的。

(2)支吊架節(jié)點圖最終出圖時，剖面圖、平面圖所表現(xiàn)的位置、標高應保持一致，需要充分考慮管線周圍的梁、柱、墻等構筑物并詳細展示在節(jié)點圖中。標高時，一般有壓管標管中，排水管標管底，風管、橋架都標管底。在管線綜合布排過程中，平面圖與剖面圖調(diào)整應同步。

(3)支吊架應考慮到空調(diào)水管、空調(diào)風管保溫層的厚度，考慮與電氣橋架、水管外壁、墻柱的最小凈距，考慮支吊架垂直槽鋼的放置空間。根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定各管線間的距離?？拐鹬У跫苓€應考慮斜撐形式與斜撐放置空間，這也是抗震支吊架設計安裝中的難點。

(4)空調(diào)冷、熱水管布置時應考慮管道坡度，考慮設備、管路的操作空間及檢修空間。水管與橋架的空間位置還應考慮平行凈距與交叉凈距。

(5)對支吊架周圍的建筑結(jié)構，因為其作為支吊架的生根點，直接決定支吊架是否牢靠，必須有清晰的了解，特別是板厚，再選用適當?shù)腻^固方式與錨栓。

具體的實施方式有以下幾種：

(1)用BIM技術對走廊管線進行三維建模，根據(jù)三維模型生成剖面圖；生成剖面圖時，自動附著、捕捉系統(tǒng)中的管道截面及標高。

(2)根據(jù)空間要求及不能調(diào)節(jié)的管線（譬如排水管線），必要時可更改有壓管走向（在剖面中上下左右調(diào)節(jié)位置），風管形狀規(guī)格（譬如800×750可改為1000×600，這樣可節(jié)約吊頂空間）；強電還需考慮放置電纜空間與檢修空間，根據(jù)現(xiàn)場情況，必要時可以把橋架分改為幾根線管綜合布排，以節(jié)約相應的空間。

(3)更改完剖面圖后通過BIM技術對更改后的各專業(yè)管線再次碰撞檢查，檢查各管線是否與建筑結(jié)構碰撞，各專業(yè)間是否碰撞，進行再次協(xié)調(diào)整合，如此往復多次。最后生成的平面圖中管線走向同步作了相應的改變。

2.2BIM技術在抗震支吊架系統(tǒng)的應用實例

2.2.1系統(tǒng)設計與模擬

該項目為廣州某大型項目，選擇管線設備集中的地下二層核心筒走廊樣板區(qū)進行成品與抗震支吊架的深化設計。

走廊層樣板區(qū)位于地下二層南北走向走廊，該區(qū)域管線較多。其包含了冷卻水、消防噴淋、給水、送排風、變配電及應急電源、照明、弱電控制等多個系統(tǒng)的管線。該區(qū)域管線復雜，而且還需要保證抗震斜撐的安裝空間，從而需要更準確的管線綜合排布。BIM效果圖更能體現(xiàn)管線的布排及支吊架各個構件所需要的位置空間。最具代表性的支吊架模擬就是同時雙側(cè)向及雙縱向的門型抗震支吊架的模擬。

技術人員首先對該區(qū)域的設計圖紙進行了圖紙會審，根據(jù)設計的二維圖紙中的管線位置進行模擬，判斷是否有空間位置安裝能承受相應地震力荷載的支吊架，如不能，將標注有出入處和需要更改空間位置的管線進行整理并與設計溝通。然后對該區(qū)域管線進行管線綜合布排并進行模擬設計、繪制管線圖，最后對綜合后的管線進行碰撞檢測。圖4為走廊樣板區(qū)二維設計的局部平面圖，圖5為管線剖面圖，圖6為走廊樣板區(qū)門型抗震支吊架的三維效果圖。

圖４走廊樣板區(qū)二維設計的局部平面

圖５綜合布排前管線剖面

圖６走廊樣板區(qū)門型抗震支吊架的三維效果

結(jié)合圖4～圖6，分析結(jié)果如下：

(1)管線左邊為結(jié)構墻，右邊為磚墻，結(jié)構墻可以作為抗震支吊架的生根點，而磚墻則不能。

(2)管線左、右兩邊與結(jié)構墻之間的距離過近不足以做45°側(cè)向斜支撐。

(3)水管右側(cè)如設側(cè)向支撐，橋架之間的空間不足以放置一根41×41×2的C型槽鋼，且橋架還需單獨設置門型吊架。

(4)管線之間的間距均足以放置垂直的C型槽鋼作為垂直承吊槽鋼及縱向斜支撐。
經(jīng)過管線空間位置的模擬及綜合管線布排，解決方案如下：

(1)將3個橋架降標高與風管底標高一致，將支吊架分為上下兩層。

(2)將風管與橋架整體左移，以減少橫擔的跨度，也為右邊側(cè)向斜支撐準備一定的空間。

(3)最下層的橫擔經(jīng)過撓度計算選型后，將橫擔左側(cè)延伸至結(jié)構墻并用型鋼底座進行生根固定，這樣將橫擔與斜撐簡化為一體，既能提高側(cè)向抗震效果，又能節(jié)約材料。

(4)縱向斜支撐的安裝位置分別設置在離兩根垂直C型槽鋼中心水平距離不超過200ｍｍ的最下層橫擔上，根據(jù)斜撐安裝空間選擇在垂直C型槽鋼左右或者離其中心的距離不超過200ｍｍ橫擔上。

(5)根據(jù)實際安裝空間設置右側(cè)側(cè)向斜支撐，橫擔上的生根位置同上，并保證其與垂直C型槽鋼之間的夾角不小于30°，根據(jù)設防作用范圍的地震力荷載，驗算側(cè)向支撐是否滿足要求，結(jié)果證實達到要求。

2.2.2設計建議和解決方案

該實例是結(jié)合BIM技術解決抗震支吊架安裝中最為常見的側(cè)向斜支撐安裝空間的問題，創(chuàng)新地將最下層橫擔延伸通過型鋼底座與左側(cè)結(jié)構墻進行生根，將側(cè)向支撐改為一體的水平支撐，加大號的水平橫擔的抗拉壓能力遠高于普通斜支撐；將管線進行簡要的空間位置布排，減少沒必要的管線位置移動，減少橫擔的跨度，既節(jié)約空間，又節(jié)省型鋼材料，達到了管線綜合布排的要求。

針對常見的斜支撐安裝空間的問題，特提出如下建議及解決方案：

(1)根據(jù)支架周圍的剪力墻、梁、柱、樓板等結(jié)構體，盡量選擇可縮短斜支撐長度或者增大斜支撐角度的位置作為生根處。

(2)吊桿本身均具有抗剪切能力，特別是短的吊桿，當其抗剪切能力能夠滿足下端管線的地震力荷載時，可選擇將斜支撐安裝在垂直的C型槽鋼吊桿及加勁槽鋼上，但距離管線質(zhì)心的垂直距離不得大于300ｍｍ。

(3)如是多層門型吊架，可選擇在橫擔與垂直C型槽鋼連接處附近增設斜支撐，直到滿足抗震要求，這樣才能在滿足不超過國標要求的最大間距的情況下，盡量減少一段管線上抗震支吊架的數(shù)量。

(4)柔性鋼索對空間要求相對較低，在成對對稱布置的前提下，也可考慮柔性抗震支吊架的應用。

2.3BIM技術在抗震支吊架系統(tǒng)中的應用特點

設計與施工之間的協(xié)調(diào)更改一直是施工的重點和難題，特別是在支吊架領域，由于支吊架是附著在管道以及結(jié)構上，需考慮施工現(xiàn)場的實際空間環(huán)境等因素。目前項目施工往往需要有經(jīng)驗的施工者根據(jù)圖紙與想象結(jié)合現(xiàn)場安裝空間位置來決定，同時會影響其他專業(yè)管路的安裝變更。利用傳統(tǒng)的CAD預先所布置的點位，例如廣州某項目，采用抗震支吊架系統(tǒng)，由于現(xiàn)場實際安裝條件，安裝線路與設計圖紙有一定的偏差，導致多次施工圖紙變更。BIM軟件，在設計院所交付的BIM圖上直接進行布點，充分考慮建筑的結(jié)構，在設計階段便已考慮支吊架的生根點，從而避免了反復更改圖紙帶來的麻煩與浪費。

BIM軟件在設計階段提前充分考慮到管線綜合的細節(jié)問題，避免問題遺留到施工階段。通過施工模擬演練，能更快、更精準地提前統(tǒng)計出各時間點所需的材料，便于材料的把控。更是可以利用BIM技術直觀地預推出材料的堆放位置以及補料時間，節(jié)約搬運材料的勞動力，便于現(xiàn)場的綜合管理[3]。中國第一個全BIM項目———總高632ｍ的“上海中心”，通過BIM提升了規(guī)劃管理水平和建設質(zhì)量，據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，其材料損耗從原來的3％降低到萬分之一。

３結(jié)語

運用BIM的可視化管理，模擬化演練，打破現(xiàn)有支吊架安裝的傳統(tǒng)模式，全面預先在安裝位置的結(jié)構里放置預埋件，抗震支吊架安裝時，只需用相應的連接構件與預埋件進行緊固安裝，避免了錨栓對結(jié)構的破壞?？拐鹬У跫芨鱾€構件通過BIM的精確模擬，可以完全在工廠生產(chǎn)線完成，在實際安裝過程中只需進行匹配拼裝與緊固，施工過程高效無污染。拆下來的材料可重復利用，縮短施工工期，達到綠色建筑施工的標準。

參考文獻

1.高遠，鄧雪原．基于BIM的建筑MEP設計技術研究．土木建筑工程信息術，2010，2(2)：95~100

2.王和慧，劉紀才，杜偉國．工廠預制、現(xiàn)場裝配———機電安裝的發(fā)展趨勢暨裝配式支吊架的主要問題綜述．安裝，2013，(8)：61~64

3.劉政．BIM技術在機電安裝工程深化設計中的應用．安裝，2014，（6）：58~60