基于BIM技術的建筑機電系統虛擬仿真及受力研究

張盛楠，岳昊楠，陳文坤

(1. 天津大學仁愛學院 天津301636；2. 河北農業大學 河北保定071001)

BIM建筑信息模型(building information modeling)通過工具軟件，將建筑內全部構件、系統賦予相互關聯的參數信息，直觀地以三維可視化的形式進行設計、修改、分析，并形成可用于方案設計、建造施工、運營管理等建筑的全生命周期所參考的文件，是信息技術發展到一定階段對建筑業影響后的必然產物[1-2]。當前，BIM的應用價值已經得到政府的高度關注和行業的普遍認可，成為建設領域信息技術的研究和應用熱點[3]。目前國內外對BIM技術的研究與應用主要集中于探索其三維可視化、碰撞檢查以及管線綜合優化，以減少設計和施工過程中的失誤，且在這方面的研究已日漸成熟。隨著新型復雜結構在建筑業興起以及BIM技術在可視化輔助、系統化仿真等方面的發展，BIM在虛擬仿真受力分析的需求也應運而生。國內眾多學者結合BIM技術以及ANSYS等分析軟件對構件受力進行仿真分析，為構件穩定性分析及設計施工提供了可行性建議[4-5]。

某工業廠房新建項目因作業強度較大，需進行機電系統BIM虛擬仿真受力研究。采用Revit軟件對項目中給排水、消防、暖通空調等機電專業進行精細化三維建模；模型建立后采用Navisworks進行了機電系統的管線綜合，對碰撞檢測報告中出現的問題及時進行解決，以實現圖紙設計零沖突、零碰撞；隨后對項目BIM設計模型中的給水、消防、暖通空調等系統管線進行三維動態受力建模及分析，并運用互聯網技術設置BIM受力分析與模型的共享鏈接，實現數據實時共享。

1 項目使用的核心技術

1.1 可視化技術

可視化技術是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上以三維的形式顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。可視化技術使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進行操作，和計算機直接交流并傳遞信息，從而極大地提高了工作效率。

1.2 參數化建模技術

參數化模型構建了實體對象與幾何模型之間的關聯性，實體對象所包含的信息均是以參數的形式賦予幾何模型上。通過對參數化模型的分析，力求使幾何模型反映真實對象的實際狀態，從而得到實際工程中想要的各種結果[6]。

1.3 仿真模擬技術

仿真模擬技術是以建立的參數化模型為對象，模仿與真實環境一致時的受力狀態。仿真模擬技術會重點關注外部作用于模型時做出的反應，把外部的作用以定義指令的方式施加給模型，運用軟件中設定好的計算機分析方法進行計算，得出模型試驗的結果[6,7]。

2 工程應用案例

2.1 工程概況

某工業廠房建筑占地面積22255m2，總建筑面積約32544m2。廠房又分為3部分：1號廠房建筑面積為7445m2，2號廠房的建筑面積為20288m2(其中工作平臺面積3996m2)，3號廠房建筑面積為815m2。工業廠房耐火等級為一級，抗震設防烈度為7度，建筑物主體結構設計使用年限為50年。

2.2 BIM建模

該工業廠房機電系統包括給排水、消防、暖通空調、強弱電、樓宇自控等系統，本項目主要研究給排水、消防、暖通空調3個系統。由于本項目機電系統種類繁多，且各系統中還包含功能不一的子系統，為便于模型建立以及后期的管線綜合受力分析，在建模前按照種類、性質、功能特點等因素將該項目機電系統分為如下幾類：

①給排水系統。室外給排水系統、室內給水系統(飲用水給水系統、中水給水系統)、室內排水系統。

②消防系統。室外消防系統(高壓消防系統、低壓消防系統)、室內消防系統(遠控泡沫炮系統、濕式自動噴水滅火系統、消火栓系統等)。

③暖通空調系統。供暖系統、空調系統等。

采用Revit軟件構建該廠房機電系統三維幾何模型。由于該廠房機電系統中的設備種類多且市場上設備產品更新換代頻繁，平臺自帶的單元庫不能滿足項目實際需求，在建立該項目機電系統模型時，需要根據施工設計大樣圖進行一比一的構件重建，以便真實、完全反映項目模型，該模型對后期系統管道受力分析具有重要意義。根據施工設計圖紙建立的三維BIM模型如圖1所示。

圖1 機電系統BIM模型Fig.1 BIM Model of Mechanical and Electrical System

2.3 管線綜合及施工過程管理

將給排水、消防、通風空調等所有系統機電管線模型全部整合在一起，找出復雜的交叉位置，發現不同專業在設計上存在的矛盾，針對原工程管道的走向、位置有不合理或與其他工程發生沖突的現象，根據布管原則進行調整和優化，使各管線在建筑空間上合理布置，避免管線發生碰撞導致的施工階段的返工，提高整體布局的觀感質量。

將各專業三維建筑模型及進度計劃導入Navisworks軟件中，使時間進度和BIM模型進行匹配，從而得到更具可視化的基于三維模型的施工進度模擬，分析工程施工進度計劃的合理性。通過BIM三維模型系統，對各個專業可以進行可視化管理，實現虛擬現實，如圖2所示。

2.4 受力分析

本項目采用Bentley 軟件對系統管路進行受力分析。

圖2 機電系統可視化模擬Fig.2 Visual Simulation of Mechanical and Electrical System

2.4.1 給水專業

①室外給水系統。室外給水系統包括兩根DN250的市政給水引入管，分別從廠房東側和南側引入，經軟件受力分析，供水壓力不小于0.24MPa，最大供水能力約為230m3/h。

②室內給水系統。室內給水系統由廠區的飲用水給水管網供給，主要供給建筑物內洗手盆、淋浴及洗眼器用水，給水引入管處供水壓力不小于0.2MPa時，廠區飲用水可滿足本廠房供水要求。

廠區中水給水系統由中水給水管網供給，室內設中水給水覆蓋使用面積為7852m2，給水引入管處供水壓力不小于0.2MPa時，廠區中水給水系統可滿足本廠房供水要求。

2.4.2 消防專業

①室外消防系統。高壓消防系統為臨時高壓系統，包括廠區內自動噴水滅火系統、泡沫-水雨淋系統、泡沫炮系統。高壓消防泵組Q總＝880L/s，H＝106m，單臺泵能力Q＝325L/s，H＝106m，三用一備。穩壓泵能力為Q＝0.6L/s，H＝145m，N＝2.2kW，一用一備，氣壓水罐容積為8m3。當管網壓力下降到1.132MPa時啟動穩壓泵，當管網壓力達到1.202MPa時停止穩壓泵，當管網壓力達到1.034MPa時啟動消防泵。

低壓消防系統為臨時加壓給水系統，即廠區內室外消火栓、室內消火栓及泡沫槍系統。低壓消防泵組Q總＝73.2L/s，H＝90m，單臺泵能力Q＝40.5L/s，H＝90m，二用一備。穩壓泵能力為Q＝0.6L/s，H＝114m，N＝2.2kW，一用一備，氣壓水罐容積為8m3。當管網壓力下降到0.975MPa時啟動穩壓泵，當管網壓力達到1.045MPa時停止穩壓泵，當管網壓力達到0.85MPa時啟動消防泵。

②室內消防系統。遠控泡沫炮系統采用低倍泡沫系統，保護面積為5000m2，設計供給強度為4.1L/min·m2，連續供給泡沫液時間為10min，連續供水時間為45min，泡沫液量為7.2m3，總泡沫液量為14.4m3(備用一倍)，總供水量為1047.6m3。

泡沫炮每門炮消防流量為100L/s，射程大于70m，炮口工作壓力為0.8MPa，消防炮采用高低位結合方式布置，高位炮安裝高度為8m，低位炮安裝高度約1.5m(3m)，要求引入管供水壓力不小于1.00MPa。

本系統大廳屋架設計濕式自動噴水滅火系統，噴水強度采用7L/min·m2，作用面積1400m2，連續噴水時間60min；本系統鋼結構柱子部分噴水強度為12L/min·m2，連續噴水時間為60min；輔助用房部分系統設計噴水強度為6.0L/min·m2，作用面積160m2，連續噴水時間60min。系統最不利點的噴頭壓力不小于0.05MPa，系統給水引入管處所需壓力為0.5MPa，經室外高壓消防給水管網減壓后，可滿足此工作壓力要求。平臺下方部分，12個噴頭同時工作，噴頭最大間距3.7m，最不利點的噴頭壓力為0.35MPa，系統設計用水量90L/s，連續噴水時間為60min，系統給水引入管所需壓力為0.65MPa，室外高壓消防給水管網減壓后可滿足此工作壓力。

室內消火栓系統水量11.4L/s，同時使用2支，每支用水量約為5.7L/s，充實水柱約為13m，連續供水時間為3h，本廠房設有兩個消火栓系統引入管，入口壓力不小于0.55MPa。

2.4.3 暖通空調專業

①1號廠房供加熱盤管(空氣處理機組內)及風機盤管使用的二次熱媒為70～50℃由混水系統獲得，系統最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.75MPa。

②2號廠房及附樓內散熱器及熱水吊頂輻射板使用的二次熱媒為70～50℃，由混水系統獲得，系統最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.75MPa，實驗壓力1.13MPa。

③3號廠房地板供暖使用二次熱媒為52～43℃，經換熱機換熱而成，根據室內外溫度變化改變供回水溫度，系統最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.6MPa，實驗壓力0.9MPa。

④空調系統一次冷媒采用7～14℃的冷凍水，在附樓混合而成二次冷媒8～14℃，系統最大壓力損失為160kPa，工作壓力為0.85MPa，實驗壓力1.3MPa。

2.5 集成平臺

集成平臺指通過使用互聯網技術將BIM受力分析結果與BIM模型進行共享鏈接，以實現信息數據的集成以及協同化的工作平臺。本項目選取Bentley的信息協同工作平臺，完成各構件受力分析結果與BIM模型相應構件的共享關聯，實現模型自帶受力分析，可進行模型與結果的動態關聯與實時查詢。

3 結語及展望

本研究將BIM技術、虛擬現實技術和數值模擬等計算機技術相結合，在此基礎上實現了對項目中給排水、消防、暖通空調等專業的精細化三維模型的建立，運用BIM模型進行了機電系統的管線綜合，提供了碰撞檢測報告，及時對碰撞問題進行解決，以實現圖紙設計零沖突、零碰撞，并通過BIM系統三維模型系統，對各個專業可以進行可視化管理，實現虛擬現實；隨后對項目BIM模型中的給水、消防、暖通空調等系統管線進行三維動態受力建模及分析，得到機電系統受力的動態結果，確定了各系統管網的工作壓力；最后運用互聯網技術實現BIM受力分析與模型的共享鏈接，便于數據的查詢以實現協同化工作。

本文提出了一種新型的模擬試驗方法——基于BIM 技術的機電系統受力分析及實驗方法，即采用受力分析軟件對BIM機電系統模型的管道、節點受力進行模擬，得出機電系統受力的動態結果。運用該種方法進行受力分析雖然可以獲得逐時的動態負荷，但因其建立在設備數、設備功率、管徑、管道材質、使用峰值等信息參數輸入的基礎上，在項目實施前這些參數中的部分參數難以獲取，所以限制了軟件模擬方法的運用，存在一定的不足和局限性，還有待進一步的研究和完善。