暖通空調(diào)設(shè)計中BIM技術(shù)的運用分析

陸鵬本

（甘肅省建設(shè)設(shè)計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著建筑暖通行業(yè)及空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，暖通空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成越來越復(fù)雜，而功能越來越完善。在暖通空調(diào)設(shè)計工作中需綜合考慮采暖、通風(fēng)及空氣循環(huán)等問題，傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)及設(shè)計理念已無法滿足暖通空調(diào)的發(fā)展要求，急需采用先進的技術(shù)提高暖通空調(diào)設(shè)計水平[1]。而BIM技術(shù)這種建筑設(shè)計方法的出現(xiàn)及應(yīng)用對暖通空調(diào)設(shè)計有著極大的積極影響，不僅可以通過三維建模彌補傳統(tǒng)二維圖紙的不足，使設(shè)計過程更加直觀、立體、可視，而且也使暖通空調(diào)專業(yè)與土建等其他專業(yè)的溝通更密切，避免了結(jié)構(gòu)碰撞問題，減少了設(shè)計變更，有助于提高整個項目的效益[2]。因此，針對BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計中的運用進行研究有著重要的現(xiàn)實意義。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)屬于一種建筑信息模型技術(shù)，其作為一種新興的建筑設(shè)計方法很快在建筑行業(yè)得到了推廣及應(yīng)用，是繼CAD后的第二次設(shè)計改革。與傳統(tǒng)的二維設(shè)計圖紙相比，BIM不僅可以實現(xiàn)三維，還可以實現(xiàn)四維（空間+時間），甚至更多維度的設(shè)計目標(biāo)。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員只要將所需的建筑信息全部導(dǎo)入BIM系統(tǒng)中，BIM系統(tǒng)便會自動生成相對應(yīng)的立體模型，以供相關(guān)人員清楚了解項目各環(huán)節(jié)的情況，便于及時發(fā)現(xiàn)潛在問題及風(fēng)險，從而提前進行整改，使設(shè)計方案達到最優(yōu)[3-5]。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高工程設(shè)計信息及設(shè)計過程的集成化水平，對工程設(shè)計實現(xiàn)信息化發(fā)展有著深遠的影響。

2 暖通空調(diào)設(shè)計中BIM技術(shù)的特點

2.1 可視化特點

可視化特點即通過BIM技術(shù)可以直觀看到暖通空調(diào)設(shè)計過程的每個細節(jié)，從而可以更好地把控暖通空調(diào)設(shè)計質(zhì)量。而傳統(tǒng)的暖通空調(diào)圖紙設(shè)計時，均是采用二維圖紙設(shè)計法把所有構(gòu)件信息和數(shù)據(jù)都標(biāo)到圖紙上，這樣很難直觀地看出暖通空調(diào)的三維效果或者安裝效果，基本都是憑經(jīng)驗去想象最終的效果，這樣不僅難以及時發(fā)現(xiàn)問題，而且無形中也增加了后續(xù)施工的難度。而通過BIM技術(shù)平臺，設(shè)計人員可以將暖通空調(diào)的各構(gòu)件信息錄入到平臺中構(gòu)建出對應(yīng)的仿真模型，直觀地展現(xiàn)出設(shè)計效果，同時，也可以標(biāo)注構(gòu)件尺寸，并根據(jù)需要對不同構(gòu)件標(biāo)上不同顏色，使人們可以清楚地看到各構(gòu)件間位置關(guān)系[6]。此外，BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在設(shè)計效果的展示和自動生成報表方面，更重要的是也可以保證暖通空調(diào)設(shè)計和施工及運營溝通、討論及決策均在可視化的狀態(tài)下進行，極大地提高了暖通空調(diào)項目整體的工作效率。

2.2 數(shù)據(jù)共享特點

BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計中的另一重要特點就是數(shù)據(jù)共享。因為暖通空調(diào)不僅內(nèi)部元器件多，構(gòu)成復(fù)雜，而且所涉及的施工環(huán)節(jié)也比較多，所以如果哪個細節(jié)出現(xiàn)問題必然會影響整個暖通空調(diào)項目的質(zhì)量及進度。因此需要做好暖通空調(diào)的整體規(guī)劃并與其他專業(yè)密切配合及溝通。傳統(tǒng)暖通空調(diào)設(shè)計中，時常會出現(xiàn)信息孤島、各專業(yè)溝通不及時等問題。而引入BIM技術(shù)平臺則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，加強暖通空調(diào)專業(yè)與其他專業(yè)之間的溝通，協(xié)同工作，提高暖通空調(diào)設(shè)計的科學(xué)性及合理性，減小后期設(shè)計變更風(fēng)險，保證項目建設(shè)進度及質(zhì)量。同時，通過BIM的數(shù)據(jù)共享，相關(guān)技術(shù)人員能夠?qū)崟r掌握土建結(jié)構(gòu)及水電設(shè)備等數(shù)據(jù)及信息，從而為暖通空調(diào)的安全高效安裝奠定了基礎(chǔ)[7]。

3 案例分析

3.1 案例項目概況

某中學(xué)校區(qū)建設(shè)項目，建筑總面積為67 930 m2，主要工程包括教學(xué)樓，辦公樓、宿舍樓和其他相配套的設(shè)施。建筑類型采用的是多層公共建筑形式，高度為24 m，地上建筑以5層為主，主要包括教學(xué)樓、辦公樓、禮堂及宿舍等，個別樓配有地下一層，主要是用于停車場及機電設(shè)備用房等。

3.2 暖通空調(diào)設(shè)計概述

3.2.1 負荷計算

該項目中選用DeST能耗計算軟件對暖通空調(diào)的全年冷熱負荷情況進行了全面細致的計算，具體計算結(jié)果見表1。

表1 暖通空調(diào)系統(tǒng)全年冷熱負荷計算結(jié)果

3.2.2 冷熱源設(shè)計

（1）禮堂、門廳、餐廳

該項目中空調(diào)冷熱源選用的是地源熱泵系統(tǒng)，即在負一層的冷熱源機房內(nèi)裝配2組地源熱泵，每組地源熱泵的額定制冷量及制熱量分別是289 kW、288 kW。制冷過程中，冷水的供水溫度及回水溫度分別為7℃、12℃，水源端的溫度是29℃/34℃。制熱過程中，熱水供水溫度及回水溫度分別為45℃、40℃，水源端的溫度是9℃/5℃。地埋管的換熱孔為豎直雙U型設(shè)計，共計有144個，均埋設(shè)在操場下面，間距為5 m，孔深為120 m。全年累計可以釋放133 535 kW·h的冷量及134 524 kW·h的熱量，土壤的冷熱平衡比以0.99為準(zhǔn)。

（2）教室、辦公室、宿舍等區(qū)域

在冬季進行供暖時，一次熱水主要是校區(qū)的鍋爐房提供，熱水的供水溫度及回水溫度分別為95℃、70℃，并且可以經(jīng)換熱器換熱之后可實現(xiàn)二次供熱，供熱的供水溫度及回水溫度分別為85℃、60℃。在夏天需要供冷時，供冷設(shè)備主要以多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)為主。此外，也在宿舍樓的樓頂上安有太陽能熱水器，保障洗澡熱水供應(yīng)。

3.2.3 空調(diào)供暖方案

該項目中，根據(jù)實際需求針對不同的建筑設(shè)計了相適應(yīng)的空調(diào)供暖方案：對于辦公樓和教學(xué)樓等，擬定選擇多聯(lián)機空調(diào)+散熱器的方式進行供暖；對于宿舍樓，擬定以散熱器供暖為主，并且為了方便以后有需要安裝分體空調(diào)，也預(yù)留的相應(yīng)安裝位置；對于禮堂，擬定選擇定風(fēng)量全空氣熱回收空調(diào)系統(tǒng)進行供暖，這樣可以確保在過渡季或者啟動公共衛(wèi)生應(yīng)急方案時依然可以實現(xiàn)70%新風(fēng)運行；對于風(fēng)雨操場、小報告廳及室內(nèi)活動空間，擬定采取散熱器供暖；對于禮堂門廳，擬定采取定風(fēng)量全空氣熱回收空調(diào)系統(tǒng)+地板輻射供暖，其中定風(fēng)量全空氣熱回收空調(diào)系統(tǒng)可以在過渡季或啟動公共衛(wèi)生方案時可以實現(xiàn)全新風(fēng)運行；對于食堂，擬定采取風(fēng)機盤管+循環(huán)風(fēng)空調(diào)+新風(fēng)系統(tǒng)供暖。

3.3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.3.1 BIM軟件選擇

MagiCAD軟件分為兩種，一種是基于Revit平臺研發(fā)的，一種是基于CAD平臺研發(fā)的，且這兩種MagiCAD軟件在工程設(shè)計領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，特別是在機電領(lǐng)域是常用的建筑信息模型軟件。因為該項目設(shè)計中設(shè)計人員均會熟練使用CAD，所以最終選擇使用MagiCAD軟件進行設(shè)計。

3.3.2 BIM工作范圍選擇

該項目中，主要是用BIM軟件對教室、餐廳和負一層機電集中區(qū)等區(qū)域的暖通空調(diào)系統(tǒng)進行設(shè)計，主要包括空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)、散熱器供暖系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)及換熱站等內(nèi)容。

3.3.3 BIM實踐內(nèi)容及成果

該項目中應(yīng)用BIM的實踐內(nèi)容及成果見表2。

表2 BIM實踐內(nèi)容及成果

3.3.4 BIM設(shè)計與二維設(shè)計的區(qū)別

通過在該項目中應(yīng)用BIM技術(shù)進行設(shè)計實踐發(fā)現(xiàn)，BIM設(shè)計和二維設(shè)計有著明顯的不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）表達方式

二維設(shè)計法的主體是線。簡而言之就是利用線條疊加或者組合在二維圖紙中表達暖通空調(diào)、管線及閥門等構(gòu)件的外形及位置，并且也需配有文字說明構(gòu)件的高度、尺寸等。

BIM設(shè)計法的主體是立體模型。簡而言之就是把既有的暖通空調(diào)信息及配件信息等錄入到BIM系統(tǒng)中便會得出相應(yīng)的模型，且通過模型可以清楚了解暖通空調(diào)及配件的高度關(guān)系和尺寸情況等。

（2）繪制方法

暖通空調(diào)的二維設(shè)計，是通過組合線條來表達暖通空調(diào)及其配件的投影關(guān)系，并添加數(shù)值及文字等來對設(shè)備、管線連接和位置情況加以說明。利用BIM技術(shù)設(shè)計暖通空調(diào)則是通過點和面的組合來表達設(shè)備、管線連接及位置情況。如圖1所示的空調(diào)水管支管登高連接，可以明確表示BIM設(shè)計與二維設(shè)計兩種繪制方法的區(qū)別。

圖1 管線登高

（3）產(chǎn)品（族）庫的應(yīng)用及完善

暖通空調(diào)二維設(shè)計過程中，基本都是以圖塊等來表示某一空調(diào)設(shè)備（比如制冷機、空調(diào)機組、風(fēng)機及水泵等）的投影輪廓線。

而利用BIM設(shè)計暖通空調(diào)的時候，則是在建立軟件的產(chǎn)品（族）庫內(nèi)直接找出合適的設(shè)備模型，并加入到整體模型中即可。由此可見，BIM設(shè)計時產(chǎn)品（族）庫中模型的豐富程度對暖通空調(diào)設(shè)計工作效率有著很大影響。同時，產(chǎn)品（族）庫內(nèi)存儲的模型也都配有產(chǎn)品外形尺寸及性能參數(shù)等，屬于是BIM模型不可缺少的一部分。另外，通過BIM軟件中產(chǎn)品制作功能，可根據(jù)實際需要修改構(gòu)件尺寸等參數(shù)，從而形成新的構(gòu)件。接著利用項目管理功能端口把做好的構(gòu)件連接到BIM系統(tǒng)中，便能夠自動生成新構(gòu)件模型。

（4）專業(yè)協(xié)作

暖通空調(diào)的二維設(shè)計，主要是由各專業(yè)間用平面圖及剖面圖等進行協(xié)作而實現(xiàn)的，這就要求設(shè)計人員必須有充足的專業(yè)知識作支撐才能想象出暖通空調(diào)系統(tǒng)各構(gòu)件的形狀、位置等，并設(shè)計出來，同時設(shè)計過程中也要充分考慮各構(gòu)件間不能出現(xiàn)沖突或影響，否則會給后期施工帶來很多麻煩。若設(shè)計人員經(jīng)驗不足、或?qū)I(yè)知識儲備不夠，或暖通空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，只通過平面圖、剖面圖等是難以充分表達出實際效果的，進而也會影響各專業(yè)間的協(xié)作。

利用BIM進行暖通空調(diào)設(shè)計時，各專業(yè)可通過立體、直觀的建筑信息模型來實現(xiàn)協(xié)作，同時，在模型中各專業(yè)人員可以清楚了解和掌握暖通空調(diào)系統(tǒng)各構(gòu)件的形狀及位置等信息，可有效避免因設(shè)計表達不清而導(dǎo)致專業(yè)間協(xié)作出現(xiàn)問題。另外，各專業(yè)也可在BIM模型中實時查找所需資料和進行信息共享，溝通更加密切，因此更利于協(xié)同工作[8]。

（5）管線綜合

綜合管線二維設(shè)計過程中，主要是通過繪制相應(yīng)位置的管線剖面圖來表達意圖，手工繪制圖紙工作量很大。

而利用BIM技術(shù)進行綜合管線設(shè)計，可以使所有區(qū)域的管線都能清晰可見，管線之間是否存在交叉或者碰撞也是一目了然，若需要添加或刪減內(nèi)容，直接在BIM系統(tǒng)中輸入或刪除相關(guān)數(shù)據(jù)即可，不用再額外繪制新模型，方便且實用。

（6）設(shè)計成果

二維設(shè)計的暖通空調(diào)系統(tǒng)方案主要包括二維設(shè)計圖紙及相關(guān)文字說明，需要相關(guān)人員具有比較豐富的經(jīng)驗及專業(yè)知識才可以讀懂及理解設(shè)計的內(nèi)容及意圖。

而BIM設(shè)計處理的暖通空調(diào)系統(tǒng)模型中既包括暖通空調(diào)設(shè)備，也含有管道材質(zhì)、熱工性能等信息，想要了解哪里就點開模型上的相應(yīng)位置，便可以看到該位置的設(shè)備及管線安裝情況。

4 結(jié)束語

綜上所述，在暖通空調(diào)設(shè)計中，BIM設(shè)計與二維設(shè)計有著非常大的區(qū)別，BIM設(shè)計不僅具有可視化、信息化等特點，可以提高暖通空調(diào)設(shè)計的效率、準(zhǔn)確性及完整性，而且也能夠加強各專業(yè)間的溝通，實現(xiàn)協(xié)同工作，減少設(shè)計變更及資源浪費，使施工成本得到合理降低，進而可以在確保暖通空調(diào)系統(tǒng)良好運行的基礎(chǔ)上，促使整個項目實現(xiàn)最大化的效益。