BIM技術(shù)在中建三局北京總部基地項目機電工程的綜合應(yīng)用

侯鵬飛 張皓天 李 直 陳炬元 干杰軍 管 濱

(中建三局安裝工程有限公司，北京 100097)

引言

現(xiàn)今大部分施工企業(yè)的BIM應(yīng)用程度介于推廣期與應(yīng)用期，在這一階段，BIM技術(shù)的基礎(chǔ)功能開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，在市政道路、公共建筑、工廠廠房等所有的施工行業(yè)BIM都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在機電安裝行業(yè)，BIM技術(shù)更具實際的指導(dǎo)意義[1]。隨著設(shè)計規(guī)范的日趨完善、人們對于建筑功能的需求更加多樣、暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯越加細化，導(dǎo)致現(xiàn)在公共建筑的機電管線越來越多、越來越繁復(fù)，而BIM正向設(shè)計又進展緩慢，制約因素較多，短期難以普遍實現(xiàn)，在這種情況下，依靠傳統(tǒng)的CAD二維深化結(jié)合現(xiàn)場拆改來消除碰撞的方式已不再現(xiàn)實，會造成無法估量的拆改，且拆改后無法保證管線的順利安裝、系統(tǒng)的功能實現(xiàn)、正常的運行維護維修以及視覺的整齊美觀[2]。這一切，都要依靠基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計來實現(xiàn)，通過BIM技術(shù)進行各系統(tǒng)管線深化設(shè)計，才能保障各系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與現(xiàn)場順利安裝施工[3]。

本文根據(jù)多年BIM應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合中建三局北京總部基地項目實際應(yīng)用的BIM技術(shù)，介紹了綜合支吊架設(shè)計與預(yù)制、應(yīng)用Solidworks探索豎向大高差管井內(nèi)風(fēng)管倒裝技術(shù)、通過BIM平臺探索“CFD+調(diào)試”的新思路、3D PDF實現(xiàn)模型輕量化等一系列BIM創(chuàng)新應(yīng)用，并介紹了這些BIM創(chuàng)新應(yīng)用的現(xiàn)場落地與后續(xù)的探索方向[4]。

1 項目概況

1.1 項目簡介

中建三局北京總部基地項目總建筑面積12萬m2，是集酒店、公寓、附屬商業(yè)于一身的辦公綜合體。項目包含強弱電系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水、采暖、消防系統(tǒng)。

項目搭建了完整的BIM組織架構(gòu)，包括公司級的保證層、BIM中心的管理層、現(xiàn)場實施層以及分包配合層，并搭建了如圖1所示的BIM工作流程[5]。

圖1 BIM工作流程

1.2 項目BIM實施分析

本工程深化難度較大，地下一層夾層較多，機電管線發(fā)雜，機電系統(tǒng)齊全，機電管線密集區(qū)超過十層。項目作業(yè)交叉面廣，工序穿插困難，施工過程設(shè)計變更多，管理難度大，我司采用BIM技術(shù)提升管理能力，提升施工管理效率。

本項目風(fēng)管豎井狹小，并排風(fēng)管安裝操作困難，導(dǎo)致目前出現(xiàn)風(fēng)管立管垂直度偏差、密封不嚴、施工效率低等問題。對共計9個風(fēng)管豎井、735m風(fēng)管，進行BIM模擬計算，實行風(fēng)管倒裝施工。

2 BIM基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用

2.1 BIM精確建模

項目對機電管線、閥門、機組、保溫、綜合支架等按實物進行精確設(shè)計建模，基于項目走廊區(qū)域管線復(fù)雜、管井空間狹小、業(yè)主對吊頂要求高等因素，項目BIM團隊為合理利用走廊及吊頂空間，進行保溫層計算，避免后期因管道保溫產(chǎn)生圖紙錯誤、返工等，建立精細模型，使模型與現(xiàn)場實際做到一致，如圖2～3所示。

圖2 建筑BIM模型

圖3 機電BIM模型

2.2 BIM輔助正向設(shè)計

項目地下一層層高6.9m，局部有夾層，經(jīng)管線初排，最低區(qū)域凈高只有1.6m，不符合消防規(guī)范要求。

圖4 B1局部原設(shè)計方案

圖5 B1局部深化設(shè)計方案

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計而做的深化工作已不能解決管線排布問題(圖4)，需進行BIM深化反向改變原有的設(shè)計方案[6]，將D軸以南全部夾層區(qū)域改為機電管廊，將橋架，排水管、空調(diào)水管，送回風(fēng)管、排油煙管全部上移至夾層。取消一部電梯，原電梯位置變更為強電井，其余管井均按照機電深化設(shè)計進行配合調(diào)整，如圖5所示。

2.3 BIM現(xiàn)場實施

項目通過定期的BIM培訓(xùn)，打造全員BIM團隊，項目全體管理人員及勞務(wù)班組均具備了BIM操作能力，提高了項目各參與方協(xié)同工作的效率。在施工過程中使用BIM模型進行三維可視化交底、移動終端搭載Navisworks輕量化模型進行現(xiàn)場指導(dǎo)，應(yīng)用BIM模型進行可視化的進度管理[7]，如圖6所示。

圖6 BIM現(xiàn)場應(yīng)用

3 BIM創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

3.1 多層復(fù)雜綜合支吊架

(1)綜合支吊架設(shè)計

目前機電安裝行業(yè)管線支吊架多為單管線、單專業(yè)布設(shè)，且單專業(yè)多管支吊架的參考圖集內(nèi)容過于局限，如03S402《室內(nèi)管道支架及吊架》無DN300以上管道支吊架、05R417-1《室內(nèi)管道支吊架》對于水管最多給出3根管道的參考選型，而現(xiàn)場動輒十幾根管道需共用支吊架，雙榀支吊架亦無圖集可供參考，對于此種情況以往多由現(xiàn)場工程師根據(jù)經(jīng)驗粗略對支吊架型鋼進行選型，存在較大安全風(fēng)險。對此，在此項目進行綜合支吊架設(shè)計、計算、校核與預(yù)制，保障安全的同時，提高管線安裝效率。

BIM模型管線綜合調(diào)整后，對多層復(fù)雜走廊管線進行綜合支吊架可視化設(shè)計[8]，并對受力情況進行分析，保證支吊架結(jié)構(gòu)安全，用量最少，美觀大方，如圖7～8所示。

圖7 綜合支吊架效果圖

圖8 綜合支吊架剖面圖

(2)綜合支吊架受力設(shè)置與計算

綜合吊架多生根于側(cè)梁，梁間距過大者生根于上層樓板，保障吊架穩(wěn)定性。

因綜合吊架上管線過多，無相關(guān)規(guī)范可供查詢，故對每一類型的吊架均需進行受力分析，確保安全可靠。

項目利用BIM軟件直接對其進行受力模擬，讀取吊架所承載的管道材質(zhì)、介質(zhì)種類、管線長度、保溫層、受力點等信息，設(shè)置固定形式，加載水平荷載，便可自動建立受力狀態(tài)，模擬受力分析，生成驗算結(jié)果。當結(jié)果顯示所選型鋼不滿足要求或承載能力遠超過管線荷載時時，可通過“規(guī)格優(yōu)選”自動修正為滿足要求的型鋼型號，如圖9～10所示。為保證支架可靠性，項目使用SolidWorks軟件進行支架受力計算復(fù)核，經(jīng)復(fù)核無誤后，如圖11所示，出具加工圖進行制作安裝[9]。

圖9 綜合支吊架受力分析圖

圖10 彎矩、剪力、撓度、軸力圖

圖11 綜合支吊架受力校核

3.2 大高差風(fēng)管倒裝技術(shù)

(1)大高差倒裝技術(shù)介紹

豎井內(nèi)風(fēng)管傳統(tǒng)安裝方式為逐層、逐節(jié)風(fēng)管順序安裝，此施工方式掣肘頗多，首先需在二次結(jié)構(gòu)墻體砌筑之前搶先完成豎井內(nèi)的風(fēng)管安裝，否則需要后續(xù)在墻體開洞才可施工； 其次，很多豎井四周皆為結(jié)構(gòu)墻體，無法開洞，施工不便，安裝質(zhì)量難以保證； 再次，傳統(tǒng)安裝方式需逐層運送材料、設(shè)置施工區(qū)域，效率極低。綜合考慮后，擬采用大高差風(fēng)管倒裝的方式進行施工。

根據(jù)豎井的位置，將單節(jié)風(fēng)管運至豎井底部及中部，集中進行風(fēng)管組裝。第一節(jié)風(fēng)管由固定裝置固定后，通過上部的提升裝置沿豎井內(nèi)提升，提升一個風(fēng)管的高度后，連接第二節(jié)風(fēng)管，再提升一個風(fēng)管高度，依次連接安裝，使風(fēng)管的拼裝始終在低樓層的固定位置，有效提升施工速度與質(zhì)量。

(2)受力過程分析

1)風(fēng)管在豎井內(nèi)主要受力為自身重力，最上面的一節(jié)風(fēng)管需要承受下面所有風(fēng)管的重力，即所承擔(dān)荷載最大，此荷載不超過風(fēng)管自身強度，即可保證豎向風(fēng)管整體的穩(wěn)定性與安全性。

2)本工程豎井內(nèi)采用角鋼法蘭風(fēng)管。法蘭和風(fēng)管間通過鉚釘鉚合。最后一節(jié)風(fēng)管的重力通過法蘭螺栓加載在上一節(jié)風(fēng)管法蘭上，法蘭將力傳遞至鉚釘，鉚釘再將力傳遞給風(fēng)管……法蘭、風(fēng)管、鉚釘間依靠摩擦力和鉚釘所受剪力連結(jié)，如圖12所示。

3)受力分析主要對象為：風(fēng)管抗拉強度、鉚釘受剪強度、螺栓抗拉強度、法蘭變形屈服強度。

圖12 風(fēng)管倒裝受力模型

(3)材質(zhì)選型

風(fēng)管制作加工所用材料嚴格遵守GB 50738-2011《通風(fēng)與空調(diào)工程施工規(guī)范》，同時，為了加強風(fēng)管連接強度，在國家規(guī)范的基礎(chǔ)上，設(shè)置更近的鉚釘間距、螺栓間距，以便提高風(fēng)管承載能力。

(4)模型構(gòu)建

1)為精確模擬計算風(fēng)管受力，通過Solidworks按實物進行精確仿真建模，將風(fēng)管、角鋼、螺栓、鉚釘?shù)炔考凑諏嶋H制作工藝與尺寸在軟件中繪制成零件，最后進行裝配組合。

2)考慮到第一節(jié)風(fēng)管法蘭處受力變形，建模時繪制兩節(jié)風(fēng)管，通過兩節(jié)風(fēng)管法蘭連接處的兩副法蘭來減少變形，犧牲模擬計算速度來提升模擬的準確性。

(5)有限元仿真計算

1)模型建立后，通過SolidWorks Simulation功能，對模型進行有限元模擬仿真計算。

2)為簡化計算過程，建立兩節(jié)風(fēng)管模型后，忽略其重力，將所有風(fēng)管的重力以力的形式直接加載在此模型上。

3)以現(xiàn)場一根長1 250mm，800mm×500mm的風(fēng)管為例，賦予風(fēng)管各零部件相應(yīng)的材質(zhì)與屬性，設(shè)定螺栓與鉚釘?shù)念A(yù)緊力，固定其上部角鋼，于下部法蘭螺栓上施加豎直向下荷載。

4)經(jīng)計算單節(jié)風(fēng)管重力為262N，施加60節(jié)風(fēng)管共計15 720N的荷載進行受力計算。

(6)有限元仿真計算結(jié)果

經(jīng)計算，此800mm×500mm風(fēng)管位移為0.51mm，應(yīng)變可控，整體應(yīng)力分布小于各部件屈服極限，如圖13所示。

圖13 有限元仿真分析結(jié)果

表1 “倒裝法”風(fēng)管井安裝質(zhì)量檢查表

為確保SolidWorks有限云仿真計算結(jié)果準確，采用ABAQUS軟件對此800mm×500mm的風(fēng)管進行受力模擬計算校核，所得結(jié)果SolidWorks計算結(jié)果相符，并計算得出此風(fēng)管承受荷載極限為3t。

(7)風(fēng)管倒裝受力試驗

為保證施工安全，在受力仿真模擬的基礎(chǔ)上，對此施工方案進行實驗測試。

于現(xiàn)場取用制作好的800mm×500mm風(fēng)管，豎向吊于梁底，下面一節(jié)風(fēng)管底部安裝承重托欄，托欄內(nèi)添加DN70鋼管，單根鋼管重50kg，共添加33根鋼管，總重1.65t，大于實際風(fēng)管總重1.572t。靜置1小時后檢查，風(fēng)管、角鋼、鉚釘皆無可見變形，如圖14所示。卸掉水管，檢查風(fēng)管內(nèi)部，鉚釘連接處無可見變形。

圖14 風(fēng)管倒裝受力試驗

實驗驗證有限元計算準確，此風(fēng)管倒裝施工方式安全可行。

(8)安裝質(zhì)量情況調(diào)查對比

按照《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50243-2016)對采取倒裝法的風(fēng)管井風(fēng)管安裝質(zhì)量檢查圖標表如表1所示，通過不合格頻數(shù)對比分析得出，采用倒裝法安裝風(fēng)管，“風(fēng)管垂直度偏差”和“支架固定歪斜”已不是主要癥結(jié)，如圖15～16所示。

圖15 正裝法不合格頻數(shù)分布圖

圖16 倒裝法不合格頻數(shù)分布

(9)經(jīng)濟效益分析

倒裝法與正裝法相比，安裝尺寸為800mm×500mm，每節(jié)長度為1.25m的角鋼法蘭風(fēng)管，使用人工節(jié)省(T1-T2)/T1=14.6%

經(jīng)預(yù)算定額計算，與業(yè)主方合同內(nèi)相應(yīng)規(guī)格的風(fēng)管安裝綜合單價中人工成本為14.132(元/m2)。

倒裝法風(fēng)管安裝合格率明顯提升，由正裝法的85%提升至95%，如表2所示。

表2 “倒裝法”風(fēng)管井安裝質(zhì)量檢查表

3.3 CFD氣流組織模擬

(1)房間內(nèi)氣流模擬

通過設(shè)備選型，確定風(fēng)盤及空調(diào)機組參數(shù)，使用CFD對項目標準層電梯前室和樣板層辦公區(qū)的風(fēng)盤進行氣流及溫度場模擬復(fù)核風(fēng)盤型號，如圖17～18所示。

圖17 前室送風(fēng)等值面

圖18 前室送風(fēng)溫度場

(2)CFD風(fēng)管內(nèi)部風(fēng)平衡模擬

空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)安裝完畢后，需對系統(tǒng)進行風(fēng)量平衡調(diào)試，保證各個空調(diào)送風(fēng)口都能按設(shè)計要求均勻送風(fēng)。傳統(tǒng)調(diào)試方式多為從最不利支路風(fēng)口開始依次調(diào)節(jié)風(fēng)管閥門，邊調(diào)節(jié)邊測量，弊端在于更改后續(xù)閥門開度后，會引起已經(jīng)調(diào)好的風(fēng)口風(fēng)量變化，導(dǎo)致需反復(fù)多次調(diào)節(jié)，效率極低。

本項目使用SolidWorks Flow Simulation 功能對重要風(fēng)管系統(tǒng)進行風(fēng)量模擬計算，對風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)空氣流動、壓降、風(fēng)速等進行仿真模擬。應(yīng)用Revit、SolidWorks結(jié)合，對風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)氣流進行模擬。以帶箭頭的線顯示氣流的流動狀態(tài)，以顏色顯示不同部位氣流的靜壓。根據(jù)模擬結(jié)果，主風(fēng)管入口處壓力最大，為161Pa。使用流動跡線功能，可查看不同部位的氣流狀態(tài)，通過表面參數(shù)的顯示設(shè)置，可以查看各部位靜壓、速度、相對壓力與溫度等狀態(tài)參數(shù)，如圖19所示。

圖19 風(fēng)管內(nèi)氣流模擬

氣流模擬計算結(jié)束后，輸出該系統(tǒng)結(jié)果報告。使用SolidWorks Flow Simulation 功能對風(fēng)管系統(tǒng)進行風(fēng)量模擬計算后，根據(jù)模擬結(jié)果，由系統(tǒng)內(nèi)壓力變化，可以確定風(fēng)閥阻力值。為項目開展探索基于Solidworks中有限元分析功能對全過程調(diào)試項目技術(shù)研究提供支撐。

3.4 “離散式”機房預(yù)制加工

冷凍機房作為機電施工重點、難點，需進行大型設(shè)備的吊裝、大尺寸管道焊接、減震降噪、保溫絕熱等施工。通過“離散式”預(yù)制加工，合理工序安排，有利于提高機房施工效率，使用工序動畫對工人進行交底，使工人更為立體的了解施工內(nèi)容，較少錯誤的發(fā)生[10]，如圖20所示。采用離散式預(yù)制加工，將各管段詳細分段，編號標注，發(fā)給預(yù)制工廠進行加工生產(chǎn)，如圖21所示。

圖20 制冷機房交底模型

圖21 預(yù)制機房分段出圖

4 BIM應(yīng)用總結(jié)

4.1 經(jīng)濟效益分析

通過BIM技術(shù)的運用，已提前協(xié)調(diào)消除機電專業(yè)內(nèi)部碰撞問題1 100余處，機電與主體結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、精裝、幕墻各專業(yè)間碰撞問題800余處，并提出優(yōu)化解決方案，形成零碰撞施工模型及深化設(shè)計圖紙，減少了返工和材料浪費情況的發(fā)生，并通過BIM技術(shù)進行施工推演、工序模擬、運輸路徑模擬、吊裝模擬等，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，取得了非?？捎^的經(jīng)濟效益，如表3所示。

表3 BIM實施經(jīng)濟效益分析

4.2 BIM技術(shù)總結(jié)

(1)平臺與軟件的合理使用

研究表明：對于BIM項目，業(yè)主是最大受益者，設(shè)計方是最大貢獻者，施工企業(yè)則是動力來源[11]，項目使用廣聯(lián)達協(xié)筑云平臺作為本項目的數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺，合理分配各參與方權(quán)限與角色，建立云端內(nèi)部數(shù)據(jù)共享，用于BIM實施過程中的各參與方協(xié)作過程。

所有圖紙通過協(xié)同平臺進行管理，提高了圖紙傳輸效率和管理效率，減少了圖紙共享過程中的錯誤及偏差，且加強了公司與項目結(jié)合度，緩解項目技術(shù)壓力。

通過專業(yè)軟件設(shè)計、校核聯(lián)合支架，在管線復(fù)雜區(qū)域最大限度提高凈空高度，提高美觀度和吊頂內(nèi)空間利用率。利用Magicad支吊架等相關(guān)BIM軟件，提高項目支吊架設(shè)計、選型、加工的效率。

應(yīng)用BIM 360 Glue、3D PDF等軟件，實現(xiàn)手機、平板等移動終端在現(xiàn)場實時查看模型，檢查現(xiàn)場安裝質(zhì)量，促進項目管理人員參與度，使項目重點部位施工質(zhì)量可控，提高管理效率[12]。

(2)精細化建模

將模型精細到族部件，尤其是關(guān)鍵走廊區(qū)域，按照實際施工考慮管線位置、保溫厚度、電氣穿線難度、閥門檢修難易程度、支吊架安裝等，最大化減少偏差率，保證模型與現(xiàn)場一致性，精準地指導(dǎo)項目施工。

(3)BIM指導(dǎo)現(xiàn)場施工

利用BIM技術(shù)對現(xiàn)場施工工序進行模擬，提高工人安裝效率，減少拆改量。

利用BIM技術(shù)對本項目制冷機房進行深化設(shè)計，將機房內(nèi)所有管道精確化分段、預(yù)制化拼裝，提高施工速度與安裝精度，降低了材料損耗。

(4)BIM創(chuàng)新應(yīng)用

在項目探索的風(fēng)管倒裝安裝方法，詳細地計算了風(fēng)管鉚釘、角鋼、風(fēng)管的應(yīng)力變形情況，通過實際試驗，驗證大高差風(fēng)管吊裝可行性，為公司積累寶貴的經(jīng)驗。

通過對項目全空氣系統(tǒng)進行風(fēng)量模擬，結(jié)合風(fēng)閥性能曲線，匹配系統(tǒng)內(nèi)壓力降，確定風(fēng)閥開度，為后續(xù)探索基于“CFD+調(diào)試”技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。