BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)下的暖通空調(diào)系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)體集成化設(shè)計(jì)方法

文｜民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司東北分公司 張為

近幾年，BIM 設(shè)計(jì)在暖通、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，業(yè)內(nèi)研究的重心也逐漸轉(zhuǎn)向能耗模擬、BIM 建模和自動(dòng)設(shè)計(jì)。考慮到BIM 平臺(tái)要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化處理，在獲得項(xiàng)目圖形后，設(shè)計(jì)人員需要處理大量參數(shù)，工作量及工作強(qiáng)度有目共睹，本文便以此為切入點(diǎn)，首先對(duì)BIM 設(shè)計(jì)所存在不足進(jìn)行分析，并指出要想使BIM 在智能化、參數(shù)化等方面所具有優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要變更設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)人員可將重心放在優(yōu)化方案上。鑒于此，本文選擇以BIM 平臺(tái)為依托，對(duì)符合暖通空調(diào)特點(diǎn)與項(xiàng)目訴求的集成設(shè)計(jì)法進(jìn)行說明，供相關(guān)人員參考。

1.研究背景

暖通空調(diào)設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)繁瑣，主要涉及計(jì)算負(fù)荷與風(fēng)量、確定方案和選擇設(shè)備等方面，雖然運(yùn)用CAD 進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，可獲得規(guī)范且標(biāo)準(zhǔn)的圖紙，但由于CAD 強(qiáng)調(diào)用專業(yè)符號(hào)、圖例描述水泵及相關(guān)部件，因此，沒有經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的非專業(yè)人員往往無法快速理解圖紙內(nèi)容[1]。

作為以CAD 設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)所衍生出的設(shè)計(jì)形式，BIM 設(shè)計(jì)保留了逐項(xiàng)拼接的圖紙繪制方法，此外，還引入了正向設(shè)計(jì)、翻模等概念，雖然能夠?qū)Ω鲗I(yè)所提供設(shè)計(jì)成果進(jìn)行集成，但在智能化、參數(shù)化等方面的表現(xiàn)并不理想[2]。運(yùn)用BIM 建立水泵模型的步驟如下：第一步，確定水泵的型號(hào)與參數(shù)，繪制設(shè)備。第二步，確定附件的類型、參數(shù)及高度，繪制相應(yīng)部件。第三步，確定管道材質(zhì)、種類等參數(shù)，根據(jù)連接方法繪制相應(yīng)圖形。第四步，酌情添加管道標(biāo)高或其他后續(xù)工作所需標(biāo)注。由此可見，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法與BIM 平臺(tái)的適配度較低，難以使BIM 在智能化、參數(shù)化還有集成化方面的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，要想扭轉(zhuǎn)這一局面，關(guān)鍵是要以BIM 為落腳點(diǎn)，結(jié)合其特點(diǎn)開發(fā)全新設(shè)計(jì)方法，以BIM 獨(dú)有的API 為依托，優(yōu)化或升級(jí)現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件，達(dá)到自動(dòng)設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)的最終目的。下文將以某冷水機(jī)房為例，對(duì)暖通空調(diào)結(jié)構(gòu)體所采取集成化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說明，該冷水機(jī)房由冷水機(jī)組、冷卻水泵、分/集水器和冷水泵共同組成，如圖1所示。

圖1 冷水機(jī)房示意圖

2.暖通空調(diào)模塊和結(jié)構(gòu)體的介紹

作為公共建筑首選空調(diào)系統(tǒng)，集中空調(diào)往往需要從冷卻塔、水冷機(jī)組處獲取運(yùn)行所需冷源，再通過新風(fēng)機(jī)組、全空氣空調(diào)和風(fēng)機(jī)盤管等設(shè)備達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的效果。其水系統(tǒng)可被拆分成五個(gè)部分，分別是接管/末端設(shè)備/輸配系統(tǒng)/熱源/冷源，其中，末端設(shè)備可被細(xì)分為新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)和風(fēng)機(jī)盤管，輸配系統(tǒng)以分水/集水器、冷/熱水泵為主，熱源通常是市政熱網(wǎng)，冷源則是指冷卻塔、冷水機(jī)組。如果將連接設(shè)備的管線及其附件視為一個(gè)模塊，則可將上述系統(tǒng)視為由模塊構(gòu)成的系統(tǒng)，構(gòu)成模塊主要包括冷卻塔模塊、機(jī)組模塊等。

在過去的數(shù)十年間，國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域已積累了極為豐富的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所編寫標(biāo)準(zhǔn)圖集的內(nèi)容也已趨于完善。現(xiàn)階段，社會(huì)各界已就暖通空調(diào)模塊構(gòu)成達(dá)成共識(shí)，各模塊所涉及部件、設(shè)備和接管均已明確，這也為建立標(biāo)準(zhǔn)化模塊奠定了良好基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)化過程是指以項(xiàng)目需求、廠家要求和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)圖集為依據(jù)，對(duì)各單元內(nèi)外構(gòu)件所具有結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系加以統(tǒng)一，從而使相關(guān)構(gòu)件成為一個(gè)整體的過程[3]。基于標(biāo)準(zhǔn)化過程所得出的、符合重復(fù)調(diào)用條件且功能相對(duì)單一的基本單元，通常可被視為標(biāo)準(zhǔn)化模塊（下文統(tǒng)稱為“工程結(jié)構(gòu)體”）。

本文將設(shè)備數(shù)量作為劃分標(biāo)準(zhǔn)模塊的根本依據(jù)，如果模塊內(nèi)核心設(shè)備的數(shù)量為1個(gè)，則應(yīng)將該設(shè)備所連接管路附件劃入該模塊邊界。暖通空調(diào)往往會(huì)在連接各設(shè)備的管路上增設(shè)兩通閥、調(diào)節(jié)閥，同時(shí)在閥門前安裝相應(yīng)附件，因此，在劃分模塊邊界時(shí)，應(yīng)將兩通閥、調(diào)節(jié)閥納入考慮范圍。如果模塊內(nèi)存在數(shù)個(gè)核心設(shè)備，且各設(shè)備的關(guān)系為并聯(lián)，則需要將并聯(lián)管道劃入模塊范圍。

3.建立結(jié)構(gòu)體的方法與注意事項(xiàng)

3.1 建立原則

在建立結(jié)構(gòu)體時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)嚴(yán)格遵循以下原則：其一，結(jié)構(gòu)體能夠準(zhǔn)確描述信息模型、圖形模型相關(guān)內(nèi)容，具有完整性。其二，結(jié)構(gòu)體功能和需求高度一致，可使不同需求對(duì)結(jié)構(gòu)體功能所提出要求得到充分滿足。其三，信息模型、圖形模型與實(shí)體情況相符。其四，以符合建立要求為前提，盡量避免過多約束結(jié)構(gòu)體。其五，無論是結(jié)構(gòu)體分類、命名，還是所建立模型均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 建立方法

作為按照施工順序?qū)Ω黝惞こ虡?gòu)件進(jìn)行集成所得集合，工程結(jié)構(gòu)體往往包含信息及圖形模型，二者間存在著極為緊密的聯(lián)系。下文將結(jié)合Revit 對(duì)建立暖通空調(diào)結(jié)構(gòu)體的方法進(jìn)行說明：該結(jié)構(gòu)體所涉及各構(gòu)件的關(guān)系均為嵌套關(guān)系（如圖2所示），核心設(shè)備指的是水泵、冷水機(jī)組及其他機(jī)械設(shè)備，而接管指的是核心設(shè)備所連接附件管道，其中，接管是結(jié)構(gòu)體的一級(jí)嵌套，附件是接管的一級(jí)嵌套、結(jié)構(gòu)體的二級(jí)嵌套。相關(guān)人員以上述嵌套關(guān)系為依據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)流程對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了建立。需要注意的是，建模期間往往會(huì)形成一定量的輔助信息，但此類信息并不具有物理意義，而是通過關(guān)聯(lián)構(gòu)件形體的方式，確保其幾何性能能夠隨著參數(shù)變化發(fā)生更改。

圖2 項(xiàng)目嵌套關(guān)系

3.2.1 信息模型

作為結(jié)構(gòu)體的“靈魂”，對(duì)信息模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，既能夠保證使用效率達(dá)到預(yù)期，又可以為后續(xù)計(jì)算和分析等工作的開展提供參考。在建立相關(guān)模型時(shí)，需要重點(diǎn)考慮三方面內(nèi)容，首先是以參數(shù)內(nèi)涵和功能為依據(jù)，對(duì)其類別進(jìn)行劃分，本項(xiàng)目所涉及參數(shù)主要包括五類，分別是可見性，屬性參數(shù)，幾何參數(shù)，輔助參數(shù)，標(biāo)識(shí)參數(shù)（表1）。

表1 參數(shù)類別與名稱

其次是對(duì)參數(shù)進(jìn)行命名時(shí)，應(yīng)考慮使用者訴求，在保證命名與實(shí)際相符的前提下，優(yōu)先選擇易于理解的參數(shù)名稱，例如，垂直長(zhǎng)度、安裝高度等。最后是定義接口，在本項(xiàng)目中，標(biāo)準(zhǔn)化接口具有極為重要的作用，例如，標(biāo)準(zhǔn)化接口可使模型系統(tǒng)類型更加規(guī)范，為后續(xù)的計(jì)算提供參考，確保自動(dòng)設(shè)計(jì)的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.2 圖形模型

作為展示設(shè)計(jì)成果的載體，對(duì)圖形模型做標(biāo)準(zhǔn)化處理的目的，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：其一，降低日常使用難度；其二，確保模型標(biāo)準(zhǔn)且規(guī)范，使其使用率達(dá)到預(yù)期；其三，在保證出圖質(zhì)量的前提下，對(duì)出圖速度進(jìn)行提高。在建立圖形模型前，先要對(duì)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)加以了解。圖形模型多以族樣板標(biāo)高作為工作平面，考慮到參照標(biāo)高會(huì)給結(jié)構(gòu)圖偏移量產(chǎn)生直接影響，為確保偏移量得到如實(shí)反映，相關(guān)人員應(yīng)保證圖形底邊、族樣板標(biāo)高處于相同平面。在將結(jié)構(gòu)體插入項(xiàng)目文件時(shí)，使用者所拖動(dòng)基準(zhǔn)點(diǎn)又被稱作插入點(diǎn)，對(duì)其定義加以明確，可使設(shè)計(jì)行為更加規(guī)范，一般情況下，若設(shè)備存在對(duì)稱關(guān)系，應(yīng)將參照標(biāo)高、對(duì)稱點(diǎn)相交處設(shè)為插入點(diǎn)，如果設(shè)備不存在對(duì)稱關(guān)系，則應(yīng)將參照標(biāo)高、左端面相交處設(shè)為插入點(diǎn)。除此之外，對(duì)可見性進(jìn)行設(shè)置同樣十分重要，本項(xiàng)目所使用Revit 可提供三種不同的視圖深度，分別是粗略/中等/詳細(xì)，使用者可通過可見性對(duì)不同深度視圖所顯示圖形加以控制，粗略/中等視圖所顯示內(nèi)容以圖例為主，詳細(xì)視圖所顯示內(nèi)容多為實(shí)體。

3.3 注意事項(xiàng)

3.3.1 建立結(jié)構(gòu)體

在建立工程結(jié)構(gòu)體時(shí)，有以下幾方面內(nèi)容需要引起重視：首先，保證建模標(biāo)高和模型標(biāo)高一致、結(jié)構(gòu)體和其他構(gòu)件所使用標(biāo)高體系相同。其次，確保模型完整且嵌套準(zhǔn)確。最后，幾何形體與輔助信息相關(guān)聯(lián)的情況下，應(yīng)避免信息形成閉環(huán)關(guān)聯(lián)。閉環(huán)關(guān)聯(lián)的定義如下：其一，平面閉環(huán)關(guān)聯(lián)。建立幾何模型時(shí)，通常需要先鎖定模型、對(duì)應(yīng)平面，再鎖定模型參數(shù)、對(duì)應(yīng)平面，如果任一參照平面均存在關(guān)聯(lián)參數(shù)并進(jìn)行了鎖定，便會(huì)形成閉環(huán)關(guān)聯(lián)。其二，公式閉環(huán)關(guān)聯(lián)。假設(shè)存在參數(shù)a/b/c，先在a 中輸入b=a-c，再在b 中輸入a=b+c，便可獲得閉環(huán)關(guān)聯(lián)。

3.3.2 審核結(jié)構(gòu)體

不同場(chǎng)景所適用信息、幾何模型往往存在一定區(qū)別，因此，在審核及評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體時(shí)，通常需要考慮三方面內(nèi)容：一是嵌套的關(guān)系是否準(zhǔn)確；二是信息、圖形模型是否準(zhǔn)確，還有內(nèi)容是否完整；三是圖形模式能否隨著信息的更改而發(fā)生相應(yīng)變化，以及是否會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件分離或是錯(cuò)位的問題。

4.關(guān)于集成化設(shè)計(jì)的說明及成果

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

研究表明，暖通空調(diào)系統(tǒng)可被拆分成結(jié)構(gòu)體、連接管線兩部分，提前對(duì)可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行建立，將結(jié)構(gòu)體保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并在實(shí)際施工中，通過插件等方式對(duì)其加以應(yīng)用，可促使設(shè)計(jì)人員將重心放在繪制管線上，工作難度隨之降低。

本文所討論集成設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)將結(jié)構(gòu)體作為基本單元，在對(duì)管路、設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算并選型的前提下，建立起相應(yīng)的圖形與信息模型。集成設(shè)計(jì)的內(nèi)涵可被概括如下：其一，對(duì)圖形模型進(jìn)行集成，為日后設(shè)計(jì)工作的開展提供便利；其二，集成信息模型，為BIM 技術(shù)提供所需信息，確保統(tǒng)計(jì)工程量等工作可得到有序開展。

4.2 設(shè)計(jì)成果

以某冷水機(jī)房項(xiàng)目為例，對(duì)該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)和效果進(jìn)行說明。常規(guī)BIM 法需要設(shè)計(jì)人員依次添加管路閥門、壓力表和溫度計(jì)等附件，集成設(shè)計(jì)則不需要對(duì)附件進(jìn)行繪制，操作流程如下：第一步，確定需要達(dá)到的目的。以項(xiàng)目需要為依據(jù)，對(duì)樣板文件進(jìn)行選擇并建模。第二步，運(yùn)用Revit 插件對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行下載。第三步，將結(jié)構(gòu)圖布置在對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目基礎(chǔ)上，酌情調(diào)整模型參數(shù)。第四步，對(duì)集、分水器和熱水機(jī)組進(jìn)行布置。第五步，通過繪制管線的方式連接各結(jié)構(gòu)體，將管路附件放置在指定位置。第六步，對(duì)管線進(jìn)行調(diào)整并導(dǎo)出算量（如圖3所示）。

圖3 集成化設(shè)計(jì)圖

以設(shè)備量、附件數(shù)量為依據(jù)，對(duì)BIM 法、集成設(shè)計(jì)的工作量進(jìn)行對(duì)比，最終結(jié)果如表2、表3所示。

表2 BIM 法工作量

表3 集成設(shè)計(jì)工作量

5.結(jié)束語

現(xiàn)將研究所得出結(jié)論歸納如下：其一，集成設(shè)計(jì)可最大程度滿足BIM 平臺(tái)所提出設(shè)計(jì)要求，在保證設(shè)計(jì)合理的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)效率進(jìn)行提高。其二，集成設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了調(diào)整，由初始的①計(jì)算②選型③安裝設(shè)備④連接管線⑤增設(shè)附件，簡(jiǎn)化成①計(jì)算②選型③布置結(jié)構(gòu)體/建立模型④連接管線，使自動(dòng)設(shè)計(jì)成為可能。未來，相關(guān)人員應(yīng)加大對(duì)集成設(shè)計(jì)的研究力度，根據(jù)實(shí)際需求、設(shè)備和系統(tǒng)情況，對(duì)結(jié)構(gòu)體及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行完善，使該設(shè)計(jì)方法擁有更加廣闊的發(fā)展空間，為建筑行業(yè)的發(fā)展提供動(dòng)力支持。