基于BIM技術(shù)的暖通系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)方法研究

楊春磊

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710000）

1 引言

建筑行業(yè)是傳統(tǒng)的高耗能產(chǎn)業(yè)，為達(dá)到節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的，盡快轉(zhuǎn)變建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方式迫在眉睫[1]。建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）將工程的圖形、參數(shù)、信息通過立體模型直觀地表現(xiàn)出來，在建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程中已經(jīng)取得了良好的效益，成為建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化轉(zhuǎn)型的主要途徑之一[2，3]。但是，在BIM技術(shù)的應(yīng)用過程中，尤其是在暖通、電氣等機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)和施工模型出現(xiàn)信息模型斷層等問題[4]。

工程實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)集成化是提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的有效途徑，該行業(yè)近十幾年工程經(jīng)驗(yàn)的積累已經(jīng)形成大量的機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)圖集和規(guī)則，為暖通系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)[5]。本文基于暖通專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)圖集，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，利用Revit軟件將暖通系統(tǒng)進(jìn)行模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，合理劃分系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，為科學(xué)和高效利用BIM技術(shù)進(jìn)行暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新的途徑。

2 暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊

暖通系統(tǒng)由水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)組成。將“模塊”理念引入暖通的設(shè)計(jì)中，是將系統(tǒng)中功能相同的設(shè)備、管線、管線部件等看作不同的半自律型子系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)模塊。

將暖通系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可以將相同功能的設(shè)備、管線、連接部件看作不同的模塊，暖通系統(tǒng)的主要模塊見表1。

表1 暖通系統(tǒng)的主要模塊

2.1 水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模塊

在空調(diào)水系統(tǒng)中，由多臺(tái)并聯(lián)設(shè)備協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能時(shí)，如水泵、冷水機(jī)組等，應(yīng)在核心設(shè)備的管路上劃分邊界；對于1臺(tái)設(shè)備承擔(dān)一類功能的情況，如集水器和分水器、軟化水水箱等，應(yīng)在其與系統(tǒng)接口處劃分標(biāo)準(zhǔn)化模塊。

2.1.1 冷源設(shè)備

常用的冷源設(shè)備類型有多種，以冷水水能機(jī)組模塊為例，主要包括冷凍水供水管和回水管、冷卻水供水管和回水管4條管線。水冷機(jī)組設(shè)備和管道之間需要安裝橡膠軟接頭，用于補(bǔ)償管道的伸縮變化、減少振動(dòng)對設(shè)備的影響。另外，還需要安裝過濾器、壓力表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫度計(jì)等附屬器件。

2.1.2 水泵

水泵模塊包括：水泵的進(jìn)水管和出水管以及連接管道與水泵的軟接頭。進(jìn)水管的管道中需要安裝Y形過濾器及兩端的壓力表、手動(dòng)閥等。出水管道需要安裝止回閥、壓力表、手動(dòng)閥等。對于多臺(tái)水泵并聯(lián)的情況，還需要2條并聯(lián)的管線。

2.1.3 冷卻塔

冷卻塔主要包括：冷卻塔的水箱以及相應(yīng)的供水管、回水管、補(bǔ)水管、排水管、溢流管。管道上均需要安裝閥門以控制水流速度，通過軟連接相連。

2.1.4 分水器和集水器

分水器和集水器中管線的數(shù)量等于接口的數(shù)量，模塊上應(yīng)該包括通管和排污管的接口，管線上需要安裝手動(dòng)閥和溫度表，根據(jù)項(xiàng)目的需要確定是否安裝溫度感應(yīng)器和相應(yīng)的電動(dòng)控制閥。

2.2 風(fēng)系統(tǒng)的模塊

2.2.1 風(fēng)機(jī)盤管

風(fēng)機(jī)盤管主要包括：表冷器、供水管、回水管、冷凝水管，連接處的軟接頭，冷凝水水管和風(fēng)機(jī)盤管之間需要采用透明塑料軟管連接，以便于觀察冷凝水情況和后期清理管道的污垢。供水管道上需要安裝Y形過濾器和水閥門，回水管道上安裝電動(dòng)的兩通閥和手動(dòng)閥門用于風(fēng)機(jī)盤管的檢修。

2.2.2 空調(diào)機(jī)組模塊

一般的空調(diào)機(jī)組包括送風(fēng)管、新風(fēng)管、回風(fēng)管3條管線，熱回收式的空調(diào)機(jī)組還包括排風(fēng)管。在標(biāo)準(zhǔn)化的模塊中，由于風(fēng)管和建筑的關(guān)系較為密切，需要重點(diǎn)考慮風(fēng)管的排布與墻體之間的距離。

3 暖通系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)體

3.1 工程結(jié)構(gòu)體

暖通系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)體相對復(fù)雜，在創(chuàng)建工程結(jié)構(gòu)體之前需要?jiǎng)澐纸Y(jié)構(gòu)體的各個(gè)層級(jí)，一般遵循的原則為：（1）層次內(nèi)的信息模型要保持功能的獨(dú)立性和完整性，同一功能的構(gòu)件應(yīng)位于同一個(gè)層級(jí)；（2）層級(jí)的劃分要便于理解，以滿足工程的實(shí)際需要；（3）盡量減少不同層次之間的構(gòu)件關(guān)聯(lián)性，簡化信息模型的負(fù)載程度以及設(shè)計(jì)人員的工作量。

按照上述原則，劃分工程結(jié)構(gòu)層次的過程為：第一層級(jí)為工程的結(jié)構(gòu)體；第二層級(jí)為工程結(jié)構(gòu)體中可以獨(dú)立承擔(dān)某一功能的子模塊；第三層級(jí)為對子模塊的細(xì)化和分類。最后按照以上的層級(jí)再進(jìn)行劃分，直至子模塊無法劃分出完整的模塊。

根據(jù)層次劃分的步驟，可以將暖通空調(diào)系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)體劃分為3層樹形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 工程結(jié)構(gòu)體的層級(jí)

圖1中，第一層級(jí)為暖通系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)體；第二層級(jí)為系統(tǒng)的設(shè)備，接管為管道及其附件按照設(shè)計(jì)要求形成的一個(gè)組合體；第三層級(jí)為系統(tǒng)管路的附件。完成層次的劃分后，即可以將層級(jí)劃分關(guān)系映射至BIM Revit設(shè)計(jì)平臺(tái)上，形成兩級(jí)的嵌套關(guān)系：以冷水機(jī)組和水泵等為核心設(shè)備，與接管同時(shí)為一級(jí)嵌套；管路的附件為工程結(jié)構(gòu)體的二級(jí)嵌套。

對于用于設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)體，暖通系統(tǒng)的設(shè)備模型與實(shí)際設(shè)備的大小可以不同，保證期與實(shí)際情況等比例的縮小或放大即可。但當(dāng)工程結(jié)構(gòu)體用于實(shí)際施工時(shí)，幾何模型需要和實(shí)際設(shè)備尺寸一致，且管道的接口和主要的附件需要有精確的定位。

3.2 工程結(jié)構(gòu)體的參數(shù)信息模型

參數(shù)信息模型是發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢的重要組成部分，也是三維立體模型區(qū)別于二維模型的關(guān)鍵。將參數(shù)信息注入暖通系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)體中可以支撐其在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期內(nèi)發(fā)揮積極作用。

對于設(shè)計(jì)階段，暖通系統(tǒng)具有完備的屬性參數(shù)時(shí)，意味著系統(tǒng)可以完整地表達(dá)設(shè)備和管件的功能，在進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算、選型、模擬分析時(shí)，得到趨近于真實(shí)值的結(jié)果。另外，設(shè)計(jì)過程中還需要提供準(zhǔn)確的幾何參數(shù)，如設(shè)備的尺寸、管道直徑、設(shè)備的間距等。

對于面向施工的暖通系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)體，要求對系統(tǒng)的信息表達(dá)更為詳細(xì)和具體，應(yīng)包括管道之間的連接形式、材質(zhì)、加工屬性參數(shù)、安裝位置坐標(biāo)、設(shè)備重量等，以便于設(shè)備的安裝和調(diào)試。

4 案例分析

4.1 項(xiàng)目概況

某綜合醫(yī)療樓的空調(diào)制冷機(jī)房位于地下1層，面積為1 100 m2。制冷系統(tǒng)包括3臺(tái)離心制冷機(jī)組、3臺(tái)冷凍泵、2臺(tái)分集水器、3臺(tái)冷卻水泵。機(jī)房的平面布置圖如圖2所示。

圖2 機(jī)房平面布置圖

4.2 BIM模型的創(chuàng)建步驟

基于Revit平臺(tái)創(chuàng)建該制冷機(jī)房的BIM模型，具體過程為：

1）明確構(gòu)建模型的目標(biāo)，構(gòu)建冷凍機(jī)房中主要的暖通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體，如冷凍機(jī)組、水泵、水處理器。

2）基于建筑和結(jié)構(gòu)模型，創(chuàng)建冷凍機(jī)房的項(xiàng)目文件。

3）通過Revit平臺(tái)下載步驟1中羅列的主要工程結(jié)構(gòu)體，載入至本項(xiàng)目中，如圖3所示。

圖3 暖通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程體

4）將步驟3中得到的工程體，布置于空調(diào)機(jī)房的基礎(chǔ)之上。

5）根據(jù)施工的具體要求和項(xiàng)目的實(shí)際情況，修改工程結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)。

6）布置附屬設(shè)施：分水器、水處理器、集水器。

7）排布水管道連接工程結(jié)構(gòu)體，并確定管路部件的位置。

8）優(yōu)化管線的排布，得到項(xiàng)目的最終完成效果圖（見圖4）。同時(shí)，利用Revit導(dǎo)出整個(gè)工程的工程量，便于管件的加工和結(jié)算。

圖4 機(jī)房設(shè)計(jì)BIM平面圖

4.3 設(shè)計(jì)工效分析

對比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用工程結(jié)構(gòu)體集成化的設(shè)計(jì)方法后，暖通系統(tǒng)的構(gòu)件數(shù)量減少了70%；構(gòu)建數(shù)量的減少大幅減少了設(shè)計(jì)過程中的操作次數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可以減少61%的操作次數(shù)，圖紙繪制的總體時(shí)間也減少了60%。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)的應(yīng)用是未來建筑行業(yè)發(fā)展的必然方向之一，可以明顯提高設(shè)計(jì)效率和精度，便于組織和開展施工以及投入使用后的運(yùn)維。本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，以暖通系統(tǒng)的BIM集成化設(shè)計(jì)為主要研究對象，對設(shè)計(jì)模塊的劃分和設(shè)計(jì)流程以及產(chǎn)生的工效進(jìn)行研究，結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方式可以明顯提高設(shè)計(jì)效率。