機械工業第六設計研究院借助BIM快速提升項目協同能力

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一、關于恒溫車間的改造

項目介紹

陜西秦川機械發展股份有限公司綠色恒溫車間改造項目，位于陜西省寶雞市姜譚路，總建筑面積為9583.43平方米，總投資13735萬元，是目前國內機床行業規模最大的恒溫車間改造項目。

項目圍繞“精密加工、精密裝配、精密檢測”的設計目標，利用Revit系列軟件以仿真模式進行設計優化，使車間溫度得到精確控制，同時集成工廠MES系統，實現了生產作業與環境控制的隨動。在業內首次全面地將BIM技術與虛擬現實技術、綠色模擬分析技術融合到項目的設計過程中，為國內機械工廠恒溫車間工業化與信息化融合的典范，被業界認為是國內真正的綠色恒溫機械制造車間。

以BIM做核心，協同設計

圖1 陜西秦川機械發展股份有限公司恒溫車間改造項目鳥瞰

圖2 改擴建車間公用專業管線

作為一個大型的機械工廠節能環保改擴建項目，該項目涉及專業復雜、限制因素較多，由于擴建制冷間預留空間狹小、需設管線復雜，傳統設計手段極難精確定位并表達各管線空間位置，同時施工過程還不能影響原有車間日常生產。

對此，設計師用Revit MEP進行車間管線綜合設計，方案調整便捷、高效，管線位置及相互關系表達直觀，各類管線在狹小的空間內得到最優化布置；利用BIM技術，對施工工序和進度進行嚴格控制，顯著降低了返工率，大幅提升了施工精度，使改造過程對原有車間生產的影響降到最低。

針對設計中易出現的“錯漏碰缺”現象，設計師在Revit MEP和Navisworks進行多方沖突檢測，方便快捷，在施工前有效預防各類碰撞的發生。

圖3 利用Revit MEP進行車間管線綜合設計

圖4 利用Revit和Navisworks同時進行碰撞檢測

該項目公用專業管線排布方案復雜，而客戶對方案的實時展示又有著較高要求。設計師利用Revit直接進行設計，并通過Navisworks將設計方案直觀展示，這種模式對工期、空間等有著嚴格限制，較之傳統設計模式具有無可替代的優越性和便捷性。

圖5 制冷間管線排布最終方案展示

對于設計方案中的專業設備、管路附件等材料的統計，設計師采用Revit的工程量統計功能，與傳統人工統計相比，所得數據的準確性和工作效率均顯著提高。

圖6 利用Revit進行工程量統計

后期CAD出圖階段，設計師按照內部制定的Revit專業構件圖層設置規則，使三維模型構件能夠按照內部專業圖層標準轉換成二維圖紙圖層。

協同——“雜”而有序

圖7 利用Revit進行平面出圖

設計軟件多樣化、專業軟件深入化、多種軟件規范化，Revit、Navisworks、Inventor等軟件各取所長、充分挖掘、統一標準、密切協同。

采用Revit工作集的協同設計模式，實現項目內各專業的設計數據同步、共享，在設計過程中可主動地減少甚至消除各專業間的碰撞問題。

綠色為宗旨，各顯神通

考慮采光通風要求，廠房側墻設高低窗、屋頂設采光天窗，開窗數量及位置通過Revit設計定位，將三維模型導入Ecotect、CFdesign和Airpak中分別進行采光及氣流組織模擬分析，在不影響車間通風要求的基礎上最大限度地利用自然光源。同時，考慮到恒溫車間的特點，從建筑保溫性能出發，采取經濟合理的保溫措施，通過Ecotect 進行能耗分析，在不增加預算的前提下擇取最優方案，提高能源的利用效率，減少生產運營能耗，實現綠色生產。

圖8 Revit工作集的協同設計模式

圖9 最大限度地利用自然光源

圖10 利用Ecotect對Revit模型進行日照分析

根據廣泛的市場調研發現，國內機床行業已建恒溫車間均存在機組造型過大，冷熱抵消現象普遍的問題。設計師在BIM模型設計數據基礎上采用Autodesk Ecotect和Energplus能耗模擬分析軟件，對建筑性能進行模擬分析優化，在建模的基礎上進行動態負荷技術，取得了較好的節能效果。

圖11 Revit MEP生產車間空調及采暖負荷計算

圖12 利用Ecotect對Revit模型進行能耗分析

圖13 利用Energyplus對恒溫車間進行動態負荷計算

該項目對車間溫度控制精度、空調控制系統隨負荷的聯動均有很高要求，傳統設計控制策略單一，且未作節能優化，部分尚存在氣流組織不理想的問題。對此，設計師在暖通及自控設計過程中，利用多種模擬分析軟件，對傳統空調設計與分層空調方案進行CFD模擬、對比、分析及優化，選擇最優化方案，提高通風效率，提高空調控制系統與生產作業和環境變化的隨動性，降低空調運行能耗，采用節能設計方案。

圖14 兩種送風方案比選

圖15 送風方案對比優化

設計師在Revit設計方案基礎上，采用TrnSys軟件進行模擬優化，結合Matlab仿真出新的算法，提高了空調自控系統的隨動性和精確度，實現節能運行。

圖16 Trnsys對恒溫車間空調系統進行控制模擬

實際應用過程發現Revit與 Ecotect、CFdesign、Radiance、Winair4、Airpak、Energyplus、Design builder、Trnsys、 Canda/A等建筑性能及氣流組織模擬分析軟件均可良好兼容，利用分析軟件對Revit模型進行光環境、熱環境、造價、CFD等模擬分析，從廠區規劃到建筑材料的選用，從建筑節能環保到暖通方案分析，采用分層空調等技術，實現節能30%，將綠色工廠的理念貫穿整個設計過程。

圖17 利用Trnsys對空調風系統重要控制參數溫度模擬

用開發尋捷徑，省時節力

隨著項目的進行，設計師所建族構件越來越多，各專業模型構件的存儲管理及構件參數查看逐漸成為制約設計效率提升的瓶頸。

Revit二次開發團隊在Revit軟件中嵌入自主開發的“三維構件庫”系統，充分解決了以上問題，同時有效避免了重復性的構件制作工作，為以后項目設計提供構件積累，大大提高設計效率。

“三維構件庫”包含了Revit軟件專業族構件和Inventor軟件設備構件。

圖18 自主開發的“三維構件庫”系統

為保障項目施工現場和設計院之間的信息實時溝通，在項目施工現場和設計團隊統一部署了自主開發的“三維綜合交付系統”、“二維設計成品交付系統”二套軟件系統，建立起項目施工現場和設計院之間的信息傳遞通道，項目的BIM設計模型、二維設計圖紙及其他相關資料，能夠及時通過網絡傳遞到設計院。

圖19 BIM技術在施工階段的應用

圖20 三維綜合交付系統

圖21 二維圖紙交付系統

自主研發的三維、二維設計成品交付系統，方便了與業主、施工方的溝通，將更新的圖紙、模型實時推送到施工現場的計算機中，圖紙、模型經過加密，相關人員經過業主授權可在線或離線使用，一旦離開施工現場的運行平臺，即無法使用，可滿足業主的信息安全需要。同時在模型中可與施工方進行可視化交底，提高溝通效率，保證施工配合的順利進展。

二、關于高端液壓支架生產基地的建設

項目介紹

鄭州煤礦機械集團有限公司是我國規模最大、技術實力最強的煤礦綜采支護裝備生產企業，其液壓支架的總產能、總產量以及支架工作的阻力、最大支護高度均位于世界第一。

鄭煤機高端液壓支架生產基地建設項目，規劃占地約1100畝，建設投資15億元。其中一期占地560畝，總建筑面積24萬平方米，設計年產各類高端液壓支架15000架。

圖22 鄭州煤礦機械集團有限責任公司高端液壓支架生產基地建設項目鳥瞰圖

項目建成實施后，鄭州煤礦機械集團有限責任公司將更加鞏固其在國內煤機行業的領先地位，成為國家高端礦井成套綜采設備技術中心，進而形成國際有較強競爭力的高端液壓支架研發、設計、生產基地。

BIM作為一種新技術，引領工程建設領域走向更高的層次。BIM技術是基礎和必備，應用好BIM才能把設計產品做的更好，從而提升服務品質和客戶滿意度。

在鄭煤機高端液壓支架生產基地建設項目中，業內首次將BIM技術、物流仿真分析技術、建筑性能分析技術與設計融合，實現了精益設計，并且將計算機網絡、機床聯網、RFID、AGV、看板管理及MES系統有效集成，使工廠運營實現數字化、智能化。在打造數字化綠色工廠的同時，將其建設成為制造行業工業化、信息化、智能化三化融合的示范企業。

項目設計組織方式

鄭煤機高端液壓支架生產基地建設項目設計過程中，以生產工藝技術方案為主，確定各專業的設計。但由于工藝繁瑣，交叉點多，傳統流程組織設計方案在處理此類問題時存在缺陷。廠區管線縱橫交錯，重力管道沿程標高難以精確確定，極易發生碰撞，且廠區工程耗時耗資巨大，返工代價難以估量。廠房內移動設備比較多，靜態沖突檢測方法無法對工藝設備移動線路中的沖突碰撞問題進行檢測。生產工藝技術方案如何優化等等諸多問題需要設計團隊制定一種合理的項目設計組織方式。

為很好地解決上述問題，在項目中采用BIM技術，使用Autodesk Revit系列軟件進行各專業的三維模型創建。通過基于BIM的Revit軟件平臺建立的三維模型具有區別于傳統二維圖形的特點。它的信息量更多，數據的傳遞也更準確、更廣泛，當然也可以從中提取傳遞系統的數據文件，以供其他分析軟件使用。

項目內各專業通過共享Revit中心文件，以工作集的形式進行設計，在設計過程中數據實現同步和共享，在設計環境中可以主動地消除各專業間的沖突干涉問題。可見，BIM技術在提升設計效率上發揮著極大的優勢。

項目設計及軟件應用

1、初設分析

廠區布局以Revit體量模型為載體，采用eM-Plant物流仿真分析，在滿足生產工藝流程的前提下，力求管線短捷、能耗最低、方案最優。

工廠環境設計強調以人為本，注重除塵、降噪，借助Airpak和Ecotect對廠房氣流組織、污染控制、建筑聲光熱等性能進行模擬分析及優化，努力營造綠色、節能、舒適的生產環境。

設計思路與成果通過Navisworks直觀展現，加深各參與方對布局方案的理解。

圖23 廠區布局——體量方案

Revit模型導入到Autodesk Ecotect分析軟件對廠區總體布局進行太陽輻射分析，根據模擬分析結果在廠區輻射較大的區域可多種植常綠喬木，在各個季節可以提供遮陽。在輻射相對較小的區域，可種植落葉喬木，既可以在夏季提供蔭涼，在冬季也不會對陽光產生較大的遮擋。

Revit模型導入到CFD軟件進行風環境分析，可以得到廠區周邊區域的風速場，為暖通設計中冷卻塔位置的確定、新風口位置的選取以及自然通風的方式提供參考。廠區規劃方面，為有污染氣體排放車間擺放提供合理化建議。

圖24 利用Autodesk Ecotect分析軟件對廠區總體布局進行太陽輻射分析

BIM技術的應用可以在設計初期進行此類分析，有助于對廠區更好更合理的規劃，同時也使得各種綠色技術手段得以在項目中更加高效、順暢的實施，對節約資源、降低損耗起著重要作用。

2、工業仿真

在項目設計時采用BIM模型結合工業仿真分析軟件對工藝流程和物流進行模擬，通過對設備效率分析、瓶頸分析、生產計劃安排等仿真結果的分析，進行工藝流程和廠區物流優化，延伸項目設計的手段，是現有項目設計模式的突破。

圖25 BIM模型結合工業仿真分析軟件對工藝流程和物流進行模擬

3、工藝布局方案比選及優化

車間工藝設備利用Autodesk Inventor軟件設計完成，模型細致且高度仿真。

圖26 利用Autodesk Inventor軟件設計完成的車間工藝設備模型細致且高度仿真

工藝布局應用Revit設計選項，方便展示各方案布局及技術特點。

圖27 工藝布局模型對比

4、建筑和結構設計

按照生產工藝流程及各個廠房的Revit體量和高度，采用Ecotect對建筑設計方案進行日照、熱環境、光環境分析，通過分析數據優化設計方案，在廠房建筑設計中采取以水平線條為主配以豎向構件的處理手法，充分體現聯合廠房的恢弘氣勢，并使整體效果充滿韻律感。

圖28 通過分析數據優化設計的廠房建筑整體效果充滿韻律感

2條580 米長的內庭院式參觀走廊貫穿1～6號廠房和7～11號廠房，創造舒適宜人的工作環境和人文景觀。

圖29 廠房內采用內庭院式參觀走廊設計

1～12號生產廠房均采用了輕鋼門式鋼架結構，在設計過程中，使用Revit創建各種鋼結構構件族，準確的將二維圖紙很難表達的結構部分細節在三維環境中進行直觀的表現。并且通過視圖雙向聯動功能，減少設計人員重復性的建模和繪圖工作，確保了設計數據的一致性。

5、綠色與低碳

圖30 利用Revit創建各種鋼結構構件族，準確表達鋼結構部分細節

通過Revit MEP軟件進行生產車間空調及采暖負荷計算，方便、快捷地為建筑設計師和設備工程師提供設計參考。

圖31 通過Revit MEP軟件進行生產車間空調及采暖負荷計算

將Revit空間模型數據導入到其他分析軟件，對生產車間污染氣體的擴散進行模擬分析。分析車間內氣流組織分布規律，及時準確地反應設計方案的可行性和可靠性，并根據結果提供合理化建議和意見，完善通風系統設計。

圖32 利用Revit空間模型數據，對生產車間污染氣體的擴散進行模擬分析

6、管線綜合與碰撞檢測

運用Revit MEP進行廠區管線綜合設計，同時使用Navisworks進行碰撞檢測分析，在滿足覆土厚度和管道坡度規范的前提下調整方案，在施工前解決所有碰撞，成本和工期得到精確控制。

圖33 運用Revit MEP進行廠區管線綜合設計

圖34 運用Navisworks對廠區管線進行碰撞檢測分析

運用Revit MEP和Navisworks軟件對公共專業進行靜態沖突檢測，還可以運用Navisworks仿真動畫功能，對車間內吊車的移動線路范圍，進行動態干涉沖突檢測。

圖35 運用Revit MEP和Navisworks軟件對公共專業進行靜態沖突檢測

圖36 運用Navisworks仿真動畫功能對車間內吊車的移動線路范圍進行動態干涉沖突檢測

BIM的二次開發

1、構件族庫的開發

在Revit軟件中嵌入自主開發的“三維構件庫”系統，實現了項目各專業模型構件的集中存儲和分類管理，以及構件參數查看。

2、BIM技術在施工階段的開發

在項目施工現場和設計團隊統一部署了自主開發的 “三維綜合交付系統”、“二維設計成品交付系統” 、“施工現場數據采集系統”三套軟件系統，建立起項目施工現場和設計院之間的信息傳遞通道。項目的BIM設計模型、二維設計圖紙及其他相關資料，能夠及時通過網絡傳遞到設計院和施工現場相關參與方。

BIM未來展望

BIM技術無疑已成為工程設計企業核心競爭力的要素之一，因為工程設計企業的客戶已經不滿足于簡單獲取設計結果，而是更關注設計對工程投資效益的影響和價值。

機械工業第六設計研究院借助諸如浙江中煙杭州卷煙廠、鄭州煤礦機械集團有限公司、陜西秦川機械發展股份有限公司綠色恒溫車間改造等項目所積累的豐富經驗，力求在BIM設計和BIM咨詢方面繼續提升自身的能力并拓展相關業務，為客戶提高更高效、更優質的設計產品和服務。隨著機械工業第六設計研究院BIM技術應用范圍的不斷擴大，更加要搭建好BIM技術平臺，實現在設計、施工以及運營維護過程中全面應用BIM解決方案的愿景，努力打造中國機械工業工程設計第一強院。

圖37 在Revit軟件中嵌入自主開發的“三維構件庫”系統

圖38 在項目施工不同階段對BIM技術進行開發

感言

利用Revit軟件良好的二次應用開發接口，我們方便、快捷的完成了“三維構件庫”模塊的開發，使項目中各專業的基礎構件、專用構件得到了集中的管理，很好解決了各類模型構件重復創建、構件參數標準不統一、組織管理困難的問題，提升了BIM項目的設計效率。

——機械工業第六設計研究院BIM設計負責人 毛璐陽

BIM三維設計價值體現在：建筑設計更快、更省、更精確，各專業密切配合，減少出錯風險，改善項目所有參與者對設計意圖的理解，提高設計乃至整個工程的質量和效率。可以說，設計者的思想有了BIM的翅膀，就可以在創新的天空自由翱翔。

——機械工業第六設計研究院BIM設計師 劉麗莎

“BIM技術給勘察設計行業帶來了一種新的理念和工作方式，融合了建筑能效評估模塊的BIM技術將引領綠色工廠的進程。

——機械工業第六設計研究院 建筑性能分析組負責人 張建飛

Autodesk Ecotect等建筑性能分析軟件可方便使用Revit模型，避免了在分析階段的重復性建模，設計師擁有了更多的時間和精力去模擬、優化設計方案。融合了綠色分析手段的BIM技術也使得設計更加鮮活、愈顯人性化。

——機械工業第六設計研究院 建筑性能分析組設計師 杜旭