BIM,技术在医药厂房工程设计中的应用及案例分析

黄柯棋，宋杨

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，成都 610021）

2020 年初新冠疫情爆发，火神山医院的建设刻不容缓，24 h 内完成方案设计和施工图设计，接下来的72 h，6 名BIM 设计人员完成了34 km3的BIM模型设计，在机电施工前规划出各管路的空间位置，避免在施工过程中的管线碰撞问题，为10 天完成整个项目建设提供了保障。

BIM 技术在火神山案例的成功应用，再次引发了BIM 技术在医药厂房工程设计领域应用的热烈讨论。本文通过介绍医药厂房设计难点和BIM 技术的优势，结合案例分析BIM 技术可快速高效地解决医药厂房工程设计中的难点，最后对BIM 技术在医药厂房工程设计中的应用提出建议，展望BIM 技术未来的发展趋势，供同行参考。

医药工程设计是一门运用药学理论和工程设计理论，结合企业的生产工艺来筹划设计，实现药品工业化生产、药品质量可控等一系列理论与实践结合的综合性学科。

在设计过程中，不同的生产工艺需要把生产车间细分成多个工艺生产模块，各个模块又有不同的设备（如反应罐、冻干机等），这些设备的大小不一造成吊顶空间高度多变，同时各个生产设备需要的公用工程介质复杂多样，这使得整个吊顶空间内管线布局非常复杂，需要工艺管道、暖通、自控、电气等专业协同设计满足工艺需求。

面对如此复杂的空间关系，传统的二维设计很容易出现碰撞、干涉、空间规划不合理等问题，所以迫切地需要一种快速高效的设计工具帮助我们解决问题。

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的简称，是建筑及其设施的物理和功能特性的数字化表达，在建筑工程全寿命期内提供共享的信息资源，并为各种决策提供基础信息[1-2]。BIM 技术有着可视化、相互协作、碰撞检查等优点，不仅可以解决二维设计的缺陷，还可以模拟施工、统计材料，使得这类复杂的医药工程设计更加高效。

为了对比BIM 技术和Autodesk-Autocad 技术在医药工程设计中的优劣情况，选择同一个案例分成两个设计小组（A、B 组），用这两种不同的方法来完成项目的设计，A 组使用BIM 技术，B 组使用Autodesk-Autocad 技术，每组的人员配置相同，工作时间相同。

该案例是在已建成的空厂房内建设流感病毒裂解疫苗车间，原建筑性质为丙类工业厂房，车间共分为三层，案例建筑信息如表1 所示。根据建设内容确定整个功能布局：第一层布置动力站、生物废水处理站等，第二层和第三层均布置疫苗生产车间和配套的空调机房。整个厂房已经建好，需要尽量利用原厂房的风井、管井，节约施工成本。

表1 案例建筑信息表Tab.1 Case building information sheet

以第二层为例进行案例分析，车间第二层层高7.5 m，其中梁高0.8 m，工艺方案的吊顶高度2.7 m，局部吊顶高度5.2 m，空调机房和水站无吊顶，首先对空间初步规划，各专业根据规划的空间。规划结果如表2 所示。

表2 空间初步规划表Tab.2 Preliminary space plan sheet

本案例需要解决三个问题：

（1）管道、风管、排水管、消防管、电缆桥架等多达几十种管线，管线极其复杂，应规划各自的标高，避免专业间的碰撞；

（2）建筑的管井、风井不能够满足现在的需求。为了节约成本，应尽可能地利用现有条件，减少新增洞 口；

（3）管线综合检查，满足现场施工需求。

基于以上情况，A 组用BIM 技术，设计精度为LOD300（LOD：Level of Development，模型精度），B 组用Autodesk-Autocad 设计，最终，各专业需合理规划管线，尽量利用现有的预留洞口，并提出新的预留洞口，出管道平面布置图，流程图、材料统计表等。

2.1 建模准备对比

A 组基于BIM 技术建模，使用了欧特克公司的Autodesk-Revit 软件。机电专业的BIM 工程师需要工艺交流建设单位提供的主要设备清单，建立该案例的机电族模型数据库（如图1 所示），为下一步的BIM工作做好准备。而这个过程B组的成员并不需要，Autodesk-Autocad 只需要图块即可，各专业可以直接开始设计工作。从建模准备这一点看，B 组更灵活，在时间上领先A 组。

图1 机电族库模型Fig.1 Electromechanical family library model

2.2 机电综合的对比

A 组在建筑和结构BIM 完成后，其他专业以建筑模型和结构模型为基准，完成各管线模型的设计，然后将各个专业的模型导入到Autodesk-Navisworks软件，合并后的整个模型如图2 所示，为了便于观察，建筑和结构模型为半透明显示。

图2 管线碰撞前的模型Fig.2 The model before the collision

利用Navisworks 软件开始进行管线综合和检查碰撞。图3 是暖通与给排水碰撞检查后的模型图片，其中绿色高亮是暖通有碰撞的管线，红色高亮是给排水有碰撞的管线。图4 是碰撞检查的结果，显示检查异常的管线的位置和种类，指导设计师调整设计模型，调整结束后再进行检测，重复上述过程，直到检测无管线碰撞为止。

图3 碰撞检查后的模型Fig.3 The model after the collision

图4 碰撞检查结果Fig.4 Collision inspection result

碰撞检查前的马道模型图片（如图5）和碰撞检查后相同位置的马道模型图片（如图6），可以明显看出：BIM 技术可以帮助设计师检查各种难以发现的碰撞，优化管道走向，提高设计质量，避免施工现场因为碰撞引起的返工和浪费。

图5 碰撞检查前的马道模型Fig.5 The model before the collision in the overhaul space

图6 碰撞检查后前的马道模型Fig.6 The model after the collision in the overhaul space

B 各专业互相提出设计条件完成各自的设计图纸，各专业的图纸已经很复杂。不同介质的管道分成了不同的图纸，不同类型的风管也分成了不同的图纸，如图7 所示。

图7 排风系统局部截图Fig.7 Partial shot of the exhaust system

如果对单一专业，以暖通为例，将二楼的所有风管都放在同一张图上，在不关闭图层的情况下，管线就已经非常密，很难保证不同管线之间不碰撞，如图8 所示。

图8 暖通二层风管局部截图Fig.8 Partial screenshot of HVAC air duct on the second floor

综上所述，A 组运用BIM 技术很轻松地完成了本专业和其他专业的碰撞检查。B 组用Autodesk-Autocad 设计，不能直接利用软件找到各管线相应的碰撞点，只能靠设计师的设计经验和对管线高度计算去找问题，在医药厂房复杂的管线空间里，很难完全找到所有的碰撞点，如果要保证图纸质量，人工校核管线碰撞问题需要花大量的时间完成。在机电综合的对比中，A 组在设计质量和工作效率上都优于B 组。

2.3 预留洞口应用的对比

A 组在做碰撞检测和优化电机模型时，在Navisworks 软件里可以第一视觉看见管线通过现有的管井、预留洞口是否合理，也可以通过碰撞检测发现肉眼难以观察的碰撞，做到充分利用现有的管道井。建筑和结构专业在引用电机模型时，确定需要新增开洞的管线通过的适合尺寸，几乎无偏差，预留洞口如图9。

图9 预留洞口图Fig.9 The reserved hole

B 组在不关闭图层的情况下，各专业重叠在一起后图面非常复杂，如图10。在机电综合时，由于没法保证管线所有碰撞问题都能解决，在利用现有的管道井和预留洞口以及新开的预留洞口时，不能保证完全正确，可能造成二次返工。

图10 二层综合局部截图Fig.10 Layer 2 comprehensive partial screenshot

综上所述，A 组利用BIM 技术对预留洞口应用无论是效率还是准确性都优于B 组的设计。

2.4 生成施工图的对比

A 组利用Autodesk-Revit 软件将管线综合后的模型导出成二维平面图，再一键输出成dwg、PDF 等常用格式，交付施工单位指导施工，如果方案需要修改，只需修改模型，平面图也会随之修改。立面剖视图、大样图可以通过模型直接生成，但系统原理图、流程图、文字说明等非模型生成的图Revit 绘制效率就不够高。B 组设计过程中已经完成了平面施工图，Autodesk-Autocad 设计绘制系统原理图、流程图、文字的处理非常方便，但对剖面图、立面图等绘制相比Revit 效率不够高。综上所述，在出图方面A 组和B 组各有优势，我们在设计过程中不同的应用可以选择更优的方案，提高设计效率。

2.5 生成工程量清单的对比

每一个构件在BIM 模型里都拥有自己独有的信息，A 组利用BIM 技术通过Autodesk-Revit 软件将这些信息快速统计项目工程量清单，同时BIM 软件可以随着模型变化，施工图和工程量清单也会自动更新，施工现场可根据清单提前确定数量的采购材料，避免材料少买影响工期、多买影响库存等问题，如图11。B 组通过对图形中块的数量等手段也能统计出相应的数量，相比A 组，B 组需要更多的人工，耗费更多的时间。综上所述，在工程量清单统计方面，A组在工作效率和准确性上都优于B 组。

图11 管线统计表Fig.11 Pipeline statistics table

2.6 设计时间进度对比

A 组整个案例BIM 的设计进度如表3 所示。

表3 设计进度时间表Tab.3 Design schedule

B 组整个案例BIM 的设计进度如表4 所示。

表4 设计进度时间表Tab.4 Design schedule

设计进度上，A 组在前期准备上需要花时间做足，落后于B 组，但在碰撞检查阶段，修改的管线相对应的平面图也能同步更新，A 组则需要花更多时间检查问题、更新图纸。A 组最终用了38 天完成整个案例，B 组用了45 天完成整个案例，A 组在设计和进度上领先于B 组。

2.7 可视化漫游有助于设计和施工

此外，A 组还可以利用Autodesk-Navisworks 软件的漫游模式（如图12 所示）帮助设计师以第一视觉去感受管线设计是否合理、美观，同时帮助项目管理者在计算机上模拟现场的物料分区管理、施工方案、施工步骤、施工时间节点等，增强项目现场管理、施工计划、施工进度节点、施工的可行性和合理性，减少现场返工，提高施工效率，这是B 组不具备的。

图12 站房、走廊和吊顶上布局的局部截图Fig.12 Power station corridor and suspended ceiling of layout plan

通过两个小组不同设计过程的对比可以看出，BIM 技术相对于Autodesk-Autocad 设计在管线综合、可视化、智能检查碰撞、管线的平面出图、统计材料方面优势明显，提高设计质量。Autodesk-Autocad 设计在流程图、原理图方面效率高于BIM 技术。在设计项目时，可以将两者结合起来，扬长避短，将设计效率和质量都最大化。

在医药工程领域，管线错综复杂，BIM 技术把整个项目转化成一个可视化的数据模型，优化管线空间，避开管线碰撞，出平面施工图，统计材料用量，提升设计质量，提高了设计效率。

但还有一些不足的地方：不同的专业使用的BIM 软件可能不一样，数据之间相互转换还不够完善，运维软件和BIM 软件的数据交付也存在很多障 碍。

在未来的发展过程中，随着BIM 软件的升级，不同软件之间的数据互换将更加便捷，同一个项目由多个施工方利用BIM 技术在同一个平台上协作完成后，交付给业主达到LOD500 精度的模型和数据[3]，业主将模型和数据完美的导入运维软件，协助管理整个工厂。电脑硬件的升级以及5G 技术的成熟，一个项目开始，VR（Virtual Reality，虚拟现实）设备能让设计者在虚拟的空间身临其境的设计绘图，AI（Artificial Intelligence，人工智能）算法协助设计者分析选择最优化管道排布路径，业主利用AR（Augmented Reality，增强现实）技术在BIM 模型中培训新员工模拟操作流程。BIM 技术也将会在生物医药领域发挥更大的作用。