BIM技術在復雜能源站房中的應用

張 陽 馬金星 張小剛 馮思舟 浮爾立 程 劍

(1.中國電子系統工程第二建設有限公司,無錫 214000；2.中國建筑西北設計研究院有限公司,西安 710016；3.西安建科軟件科技有限公司,西安 710016)

引言

BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling)是近年來被廣泛應用于工程建設領域的重要技術，對于優化設計方案、施工指導過程、提高運營效率有重要意義。我國在軌道交通工程、商業建筑、工業建筑等領域已全方位對其展開應用。《住房和城鄉建設部工程質量安全監管司2020年工作要點》中指出，要大力推動綠色建造發展，推動BIM技術在工程建設全過程的集成應用，開展建筑業信息化發展綱要和建筑機器人發展研究工作，提升建筑業信息化水平[1]。

當下，BIM的應用從建模、翻模階段轉向方案比選、功能優化以及建筑數字化應用階段。為凸顯BIM的多角度應用，本文以2020年陜西省BIM大賽參賽作品為例，就BIM技術針對復雜工程應用多樣性作探討，為今后的應用及發展提供新的見解與思路。

1 項目基本信息

本次賽會所給題目為“某地機場能源動力站房深化設計”，要求在原有土建條件不變、確保原有站房功能可實現的前提下，完成后續工作。

本站房為三層建筑，其中地上兩層，總層高為20m，地下為一層，高7m。各層功能及主要建筑面積如下：一層為動力站區域，面積2 053m2(圖1～圖2)； 二層水處理間，面積265m2； 地下一層蓄冰槽區域面積為498m2。

圖1 一層動力站平面圖

本項目涵蓋供熱和供冷兩部分動力系統，涉及到的冷熱源類型較多且工況繁多，工程量較大。經統計，機房中的冷熱源形式及各種工況共7種。其中，供熱系統包含市政集中換熱、地熱水直接換熱、地熱尾水+熱泵梯級利用的供熱系統； 供冷系統包含蓄冰、融冰供冷、冷機供冷等5種工況。

2 實施計劃

2.1 組織計劃

目前，用于三維建模的主要軟件平臺包括：Revit、Bently、Magicad等。結合項目機電系統復雜的難點，同時競賽時間較短，經過綜合比選，確定采用Rebro作為本次三維設計的平臺軟件，其主要優勢在于：

(1)友好的操作界面，便于設計人員在短時間內完成復雜精細的工作；

(2)較低的學習成本，軟件自帶的設備、管線、閥門模塊能完整體現設備本身的特點，并能準確快速定位到機電及管路系統中去，不需要借助于第三方插件。

基于此，應用Rebro軟件實現對本站房建筑機電工程的三維深化設計，完成機電建模、碰撞檢查、管線綜合、工程量統計的工作，為后續深化施工圖、設備及零件預制加工、動畫漫游、可視化交底等機電全過程應用，以達到指導機電施工、配合裝修開展工作的目的，并使得機電系統功能性、空間應用合理性以及運行效果的優良兼備。[2]

2.2 人員安排與分工計劃

參賽團隊共10人，其中方案設計師5人，BIM工程師5人。如圖2，前期，由方案設計師制訂站房基礎設計方案，BIM工程師完成各設備初始模塊、管線類別設定； 后期，配合完成最終成果交付。

圖2 分工計劃

3 BIM設計過程

3.1 設計原則

方案設計與建模的原則是希望過通BIM工具實現：

(1)對建筑空間(面積、凈高或層高)的合理使用；

(2)設備布置與管道敷設整潔、美觀；

(3)設備與管道施工和運營維護方便合理；

(4)最大程度節約土建、機電物料及施工成本；

(5)盡可能多的應用新技術。

3.2 重點與難點

根據所提供的能源站房系統圖，設計過程中需重點考慮以下幾個問題：

(1)本項目采用雙工況制冷機組(1800RT/臺)，與循環水泵采用一一對應(先串后并)的連接方式。機組間相互獨立，因此，需合理規劃利用機房空間，避免接管復雜破壞現有的水利特性。

(2)冷凍水供水采用二級泵變流量系統。

(3)系統管道尺寸較大(DN800)，需在現有條件下優化管線排布。

(4)水泵為臥式雙吸泵，體積較大(2800×1400/臺)且雙側接管，采用集成化泵組并不具優勢。。

(5)本系統涉及多個冷源、多種運行模式，設計方案需滿足工況切換的便捷性。

3.3 方案設計與比選：

根據設計原則及重點難點的剖析，提出A、B兩種方案(設計平面圖如圖3及圖4)進行對比分析。

圖3 設計方案A設備布置平面圖

(1)設計方案A—“母管制”系統機房

本設計方案可實現制冷機組、水泵、換熱機組等分區域布置，機組檢修空間充足，同時機房內各設備整齊美觀，便于模塊化施工。

機組布置效果較好的情況下，本方案在管線布置上存在較多缺陷。首先，冷卻水立管、冷卻水泵、制冷機組之間距離太遠，因此管徑較大的管道在機房內布置交叉嚴重，變工況機組接管亦存在這種情況。其次，制冷機組在未靠近變配電箱布置時，需耗費較多電纜。最后，水箱、水處理裝置布置于二層，結構荷載大，日常加藥不便。

(2)設計方案B—大型能源站

本方案采用大型工業廠房綜合動力站房常用的冷機與水泵一一對應的連接方式。這種方案在空間利用與檢修、管道布置順暢、節約管材等方面均具優勢。

圖4 設計方案B設備布置平面圖

首先，本方案管道短直、彎頭少、阻力低，各閥門也便于維護調試。機房內主要管道均在統一標高內敷設，房間凈高利用優勢明顯； 其次，水泵集中布置，便于管理，也可避免水管交錯； 最后，冷卻水立管、冷卻水泵靠近制冷機，可減少大管徑水管使用，達到“節材”的目的。

相較于方案A，本方案水泵錯位布置，整齊性、美觀度略遜。

綜上所述，方案B在提高站房能效水平，節省初投資成本和運行成本、管線排布等方面優勢明顯。

3.4 BIM優化設計成果

根據設計方案開展設計，經過設計優化后，達到了設備布置模塊化、建筑凈高、空間利用充分合理化、系統運行高效、節材的預期，主要如下：

(1)獨立的功能單元

雙工況冷機+冷凍水泵+乙二醇循環泵+冷卻水泵作為統一整體(圖5)，從而形成“獨立的功能單元”，便于系統運行控制、運營、維護管理。

(2)建筑層高應用合理化

設計中主要管道均在同一標高(圖6)，從而增加了機房內有效凈空高度，可減少1m的建筑層高，因此降低了土建造價成本。

圖5 雙工況冷機+冷凍水泵+乙二醇循環泵+冷卻水泵形成的“獨立功能單元”

圖6 動力站管線布置剖面圖

(3)機房空間利用合理化

設計結果在滿足功能要求的前提下，節約有效面積共計712m2，占總面積的比例為31%。

優化后，一層形成獨立完整且靠外的靈活區域(446m2)，為后期機房擴建提供便利。同時，在現有的設備布置空間內，也可保證充足的檢修、運輸通道。

二層原水處理間內的設備較重，且經常需要加藥、檢修。現將其移至一層站房，這樣，既有效減少了二層結構荷載，又方便管理人員加藥、檢修。節約的空間(266m2)可用作管理用房。

(4)節約電纜橋架用量

根據原站房用電負荷分布情況，對設備、管線、橋架進行排布，如圖7所示，高壓用電設備與變電所距離較遠，所需電纜橋架較長，成本較高。

圖7 原電纜橋架設計方案

經優化設計后，主要用電設備與變配電室距離較近，從而縮短了電纜橋架的敷設長度(圖8)。經計算，相較于原方案，節約成本39%，如表1所示。

圖8 優化后電纜橋架設計方案

表1 橋架優化比統計表

(5)節約冷卻水系統管材

在設備位置及接管確定的情況下，根據規范[3-7]確定的依據及原則，對站房內大型管道管徑進行水利計算校核。

表2 冷卻水水力計算結果

表3 冷凍水水力計算結果

由計算結果(如表2～3所示)，原冷卻循環水管管徑偏大，流速偏小，低于規范要求的限值。但考慮到二次側冷凍水輸送距離長，須控制其比摩阻不大于60Pa/m，故維持二次側冷凍水原管徑不變(DN800)。

根據流速限值及水利計算結果重新選擇管徑(表4)，對比原有尺寸，冷卻水管道尺寸普遍減小一號，如此可有效降低初投資。

表4 冷卻水管道優化情況統計表

(6)“T型”減震基礎的應用

為保證水泵列間有充足的通行空間，將水泵兩端的軟接移至立管，接管彎頭一并固定在減震基礎上(圖9)，保證減震效果的同時縮短接管了長度。

圖9 T型水泵減震基礎

(7)輔助綜合支吊架設計

通過BIM建模，在對各管線精確定位的同時，還可通過管道應力計算確定荷載。這樣，便可在土建施工階段提供準確的管架預埋鋼板及牛腿的位置、尺寸、荷載信息等(圖10)，從而使結構梁柱鋼筋與支吊架形成整體，達到輔助綜合支吊架設計的目的。

圖10 支吊架及管道預埋件布置圖

3.5 關于設備/模塊集成應用的探討

除了上述設計成果外，還可應用BIM工具創建模塊化機組，其設備尺寸、功能性都與實際情況高度貼合，并且便于單獨招標。這樣，可有效提供現場施工效率及機電設備安裝精度[8]。本項目大型機組采用裝配式分段模塊，從而避免為追求裝配式設備占比，全部采用裝配式集成模塊影響安裝可行性。本次設計共選用3組裝配式模塊(圖11)，整合后對于施工安裝指導意義較為突出。

圖11 板式(鈦板)換熱機組(地熱水梯級應用)模型

3.6 BIM優化模型功能校驗

如前所述，經過BIM工具優化設計后，節材和機房空間利用率高的目的均已達到。但本站房內涉及的工況較多，冷源種類復雜，在達到上述目的的前提下，保證各工況得以實施才是關鍵，因此在設計結束后，針對站房功能進行校驗。圖12-18為站房在不同工況下傳熱介質流向。由此可見，站房內的各種工況均能夠正常高效運轉。

圖12 工況模式1：蓄冰模式

圖13 工況模式2：基載+空調+融冰(常規供冷模式)

圖14 工況模式3：基載+融冰(基載融冰供冷模式)

圖15 工況模式4：基載(基載供冷模式)

圖16 工況模式5：融冰(融冰供冷模式)

圖17 工況模式7：供熱模式(航食+南工作區)

圖18 可視化交底

4 出圖與應用

表5 管材數量對比

利用Rebro軟件自帶功能，可導出符合國家標準[9-11]的施工圖，從而實現方案設計、施工圖設計與深化設計相統一。除此之外，可生成裝配式配件下料圖，可精準指導方案落實。

此外，軟件還可以詳細、準確地統計工程量，從而提供詳盡的概算資料。如表5所示，經對比分析，本次優化設計相對于原有方案，累積節約管材20%～35%。

5 結論與展望

本文通過介紹2020年陜西省BIM大賽作品的設計思路、設計方案以及設計成果，展現了BIM技術在復雜能源站房設計項目中應用的突出優勢。經過設計優化后：

(1)各專業管線及橋架合理順暢，供冷、供熱以及供電系統運行高效；

(2)空間利用率高。無論是在高度上還是在長度上，優化后的站房既保證了充足的設備安裝及檢修空間，又給擴建改造以及土建施工帶來了諸多便利；

(3)節約初投資。土建及機電管材用料均有不同程度的節省，避免了施工現場不必要浪費的產生。

(4)輔助施工效果明顯。較為準確地統計施工算量，設備招標工作省時省力； 輔助土建專業完成計算荷載支吊架點位確定以及預留孔洞核對的工作； 生成的模塊化設備與實際貼合，提高施工安裝效率。

綜上所述，能源站作為建筑群的動力中樞，其工況復雜、建設承包商眾多，經BIM技術對其進行整合優化后各方面效果優良。BIM技術的應用，不僅充分響應國家的號召，對于項目本身來說也是“一本萬利”。可以預見，未來BIM技術不單限于建模、翻模狀態，其發展應與復雜項目工程設計施工方案深度結合，實現以BIM為核心工具的設計、施工、預制采購一體化，最大程度地輔助施工，呈現優秀的設計方案達到最大限度的還原。