BIM技術(shù)在復(fù)雜能源站房中的應(yīng)用

張 陽 馬金星 張小剛 馮思舟 浮爾立 程 劍

(1.中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司,無錫 214000；2.中國建筑西北設(shè)計(jì)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(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域的重要技術(shù)，對于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、施工指導(dǎo)過程、提高運(yùn)營效率有重要意義。我國在軌道交通工程、商業(yè)建筑、工業(yè)建筑等領(lǐng)域已全方位對其展開應(yīng)用?！蹲》亢统青l(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司2020年工作要點(diǎn)》中指出，要大力推動綠色建造發(fā)展，推動BIM技術(shù)在工程建設(shè)全過程的集成應(yīng)用，開展建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要和建筑機(jī)器人發(fā)展研究工作，提升建筑業(yè)信息化水平[1]。

當(dāng)下，BIM的應(yīng)用從建模、翻模階段轉(zhuǎn)向方案比選、功能優(yōu)化以及建筑數(shù)字化應(yīng)用階段。為凸顯BIM的多角度應(yīng)用，本文以2020年陜西省BIM大賽參賽作品為例，就BIM技術(shù)針對復(fù)雜工程應(yīng)用多樣性作探討，為今后的應(yīng)用及發(fā)展提供新的見解與思路。

1 項(xiàng)目基本信息

本次賽會所給題目為“某地機(jī)場能源動力站房深化設(shè)計(jì)”，要求在原有土建條件不變、確保原有站房功能可實(shí)現(xiàn)的前提下，完成后續(xù)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(qū)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(qū)域面積為498m2。

圖1 一層動力站平面圖

本項(xiàng)目涵蓋供熱和供冷兩部分動力系統(tǒng)，涉及到的冷熱源類型較多且工況繁多，工程量較大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)房中的冷熱源形式及各種工況共7種。其中，供熱系統(tǒng)包含市政集中換熱、地?zé)崴苯訐Q熱、地?zé)嵛菜?熱泵梯級利用的供熱系統(tǒng)； 供冷系統(tǒng)包含蓄冰、融冰供冷、冷機(jī)供冷等5種工況。

2 實(shí)施計(jì)劃

2.1 組織計(jì)劃

目前，用于三維建模的主要軟件平臺包括：Revit、Bently、Magicad等。結(jié)合項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜的難點(diǎn)，同時競賽時間較短，經(jīng)過綜合比選，確定采用Rebro作為本次三維設(shè)計(jì)的平臺軟件，其主要優(yōu)勢在于：

(1)友好的操作界面，便于設(shè)計(jì)人員在短時間內(nèi)完成復(fù)雜精細(xì)的工作；

(2)較低的學(xué)習(xí)成本，軟件自帶的設(shè)備、管線、閥門模塊能完整體現(xiàn)設(shè)備本身的特點(diǎn)，并能準(zhǔn)確快速定位到機(jī)電及管路系統(tǒng)中去，不需要借助于第三方插件。

基于此，應(yīng)用Rebro軟件實(shí)現(xiàn)對本站房建筑機(jī)電工程的三維深化設(shè)計(jì)，完成機(jī)電建模、碰撞檢查、管線綜合、工程量統(tǒng)計(jì)的工作，為后續(xù)深化施工圖、設(shè)備及零件預(yù)制加工、動畫漫游、可視化交底等機(jī)電全過程應(yīng)用，以達(dá)到指導(dǎo)機(jī)電施工、配合裝修開展工作的目的，并使得機(jī)電系統(tǒng)功能性、空間應(yīng)用合理性以及運(yùn)行效果的優(yōu)良兼?zhèn)?。[2]

2.2 人員安排與分工計(jì)劃

參賽團(tuán)隊(duì)共10人，其中方案設(shè)計(jì)師5人，BIM工程師5人。如圖2，前期，由方案設(shè)計(jì)師制訂站房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，BIM工程師完成各設(shè)備初始模塊、管線類別設(shè)定； 后期，配合完成最終成果交付。

圖2 分工計(jì)劃

3 BIM設(shè)計(jì)過程

3.1 設(shè)計(jì)原則

方案設(shè)計(jì)與建模的原則是希望過通BIM工具實(shí)現(xiàn)：

(1)對建筑空間(面積、凈高或?qū)痈?的合理使用；

(2)設(shè)備布置與管道敷設(shè)整潔、美觀；

(3)設(shè)備與管道施工和運(yùn)營維護(hù)方便合理；

(4)最大程度節(jié)約土建、機(jī)電物料及施工成本；

(5)盡可能多的應(yīng)用新技術(shù)。

3.2 重點(diǎn)與難點(diǎn)

根據(jù)所提供的能源站房系統(tǒng)圖，設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮以下幾個問題：

(1)本項(xiàng)目采用雙工況制冷機(jī)組(1800RT/臺)，與循環(huán)水泵采用一一對應(yīng)(先串后并)的連接方式。機(jī)組間相互獨(dú)立，因此，需合理規(guī)劃利用機(jī)房空間，避免接管復(fù)雜破壞現(xiàn)有的水利特性。

(2)冷凍水供水采用二級泵變流量系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)管道尺寸較大(DN800)，需在現(xiàn)有條件下優(yōu)化管線排布。

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

(5)本系統(tǒng)涉及多個冷源、多種運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)方案需滿足工況切換的便捷性。

3.3 方案設(shè)計(jì)與比選：

根據(jù)設(shè)計(jì)原則及重點(diǎn)難點(diǎn)的剖析，提出A、B兩種方案(設(shè)計(jì)平面圖如圖3及圖4)進(jìn)行對比分析。

圖3 設(shè)計(jì)方案A設(shè)備布置平面圖

(1)設(shè)計(jì)方案A—“母管制”系統(tǒng)機(jī)房

本設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組、水泵、換熱機(jī)組等分區(qū)域布置，機(jī)組檢修空間充足，同時機(jī)房內(nèi)各設(shè)備整齊美觀，便于模塊化施工。

機(jī)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(jī)組之間距離太遠(yuǎn)，因此管徑較大的管道在機(jī)房內(nèi)布置交叉嚴(yán)重，變工況機(jī)組接管亦存在這種情況。其次，制冷機(jī)組在未靠近變配電箱布置時，需耗費(fèi)較多電纜。最后，水箱、水處理裝置布置于二層，結(jié)構(gòu)荷載大，日常加藥不便。

(2)設(shè)計(jì)方案B—大型能源站

本方案采用大型工業(yè)廠房綜合動力站房常用的冷機(jī)與水泵一一對應(yīng)的連接方式。這種方案在空間利用與檢修、管道布置順暢、節(jié)約管材等方面均具優(yōu)勢。

圖4 設(shè)計(jì)方案B設(shè)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(hù)調(diào)試。機(jī)房內(nèi)主要管道均在統(tǒng)一標(biāo)高內(nèi)敷設(shè)，房間凈高利用優(yōu)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(jī)，可減少大管徑水管使用，達(dá)到“節(jié)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(jié)省初投資成本和運(yùn)行成本、管線排布等方面優(yōu)勢明顯。

3.4 BIM優(yōu)化設(shè)計(jì)成果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案開展設(shè)計(jì)，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后，達(dá)到了設(shè)備布置模塊化、建筑凈高、空間利用充分合理化、系統(tǒng)運(yùn)行高效、節(jié)材的預(yù)期，主要如下：

(1)獨(dú)立的功能單元

雙工況冷機(jī)+冷凍水泵+乙二醇循環(huán)泵+冷卻水泵作為統(tǒng)一整體(圖5)，從而形成“獨(dú)立的功能單元”，便于系統(tǒng)運(yùn)行控制、運(yùn)營、維護(hù)管理。

(2)建筑層高應(yīng)用合理化

設(shè)計(jì)中主要管道均在同一標(biāo)高(圖6)，從而增加了機(jī)房內(nèi)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(jī)+冷凍水泵+乙二醇循環(huán)泵+冷卻水泵形成的“獨(dú)立功能單元”

圖6 動力站管線布置剖面圖

(3)機(jī)房空間利用合理化

設(shè)計(jì)結(jié)果在滿足功能要求的前提下，節(jié)約有效面積共計(jì)712m2，占總面積的比例為31%。

優(yōu)化后，一層形成獨(dú)立完整且靠外的靈活區(qū)域(446m2)，為后期機(jī)房擴(kuò)建提供便利。同時，在現(xiàn)有的設(shè)備布置空間內(nèi)，也可保證充足的檢修、運(yùn)輸通道。

二層原水處理間內(nèi)的設(shè)備較重，且經(jīng)常需要加藥、檢修。現(xiàn)將其移至一層站房，這樣，既有效減少了二層結(jié)構(gòu)荷載，又方便管理人員加藥、檢修。節(jié)約的空間(266m2)可用作管理用房。

(4)節(jié)約電纜橋架用量

根據(jù)原站房用電負(fù)荷分布情況，對設(shè)備、管線、橋架進(jìn)行排布，如圖7所示，高壓用電設(shè)備與變電所距離較遠(yuǎn)，所需電纜橋架較長，成本較高。

圖7 原電纜橋架設(shè)計(jì)方案

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，主要用電設(shè)備與變配電室距離較近，從而縮短了電纜橋架的敷設(shè)長度(圖8)。經(jīng)計(jì)算，相較于原方案，節(jié)約成本39%，如表1所示。

圖8 優(yōu)化后電纜橋架設(shè)計(jì)方案

表1 橋架優(yōu)化比統(tǒng)計(jì)表

(5)節(jié)約冷卻水系統(tǒng)管材

在設(shè)備位置及接管確定的情況下，根據(jù)規(guī)范[3-7]確定的依據(jù)及原則，對站房內(nèi)大型管道管徑進(jìn)行水利計(jì)算校核。

表2 冷卻水水力計(jì)算結(jié)果

表3 冷凍水水力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果(如表2～3所示)，原冷卻循環(huán)水管管徑偏大，流速偏小，低于規(guī)范要求的限值。但考慮到二次側(cè)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(cè)冷凍水原管徑不變(DN800)。

根據(jù)流速限值及水利計(jì)算結(jié)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(yōu)化情況統(tǒng)計(jì)表

(6)“T型”減震基礎(chǔ)的應(yīng)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(chǔ)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(chǔ)

(7)輔助綜合支吊架設(shè)計(jì)

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

圖10 支吊架及管道預(yù)埋件布置圖

3.5 關(guān)于設(shè)備/模塊集成應(yīng)用的探討

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

圖11 板式(鈦板)換熱機(jī)組(地?zé)崴菁墤?yīng)用)模型

3.6 BIM優(yōu)化模型功能校驗(yàn)

如前所述，經(jīng)過BIM工具優(yōu)化設(shè)計(jì)后，節(jié)材和機(jī)房空間利用率高的目的均已達(dá)到。但本站房內(nèi)涉及的工況較多，冷源種類復(fù)雜，在達(dá)到上述目的的前提下，保證各工況得以實(shí)施才是關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)結(jié)束后，針對站房功能進(jìn)行校驗(yàn)。圖12-18為站房在不同工況下傳熱介質(zhì)流向。由此可見，站房內(nèi)的各種工況均能夠正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖12 工況模式1：蓄冰模式

圖13 工況模式2：基載+空調(diào)+融冰(常規(guī)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(qū))

圖18 可視化交底

4 出圖與應(yīng)用

表5 管材數(shù)量對比

利用Rebro軟件自帶功能，可導(dǎo)出符合國家標(biāo)準(zhǔn)[9-11]的施工圖，從而實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)相統(tǒng)一。除此之外，可生成裝配式配件下料圖，可精準(zhǔn)指導(dǎo)方案落實(shí)。

此外，軟件還可以詳細(xì)、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)工程量，從而提供詳盡的概算資料。如表5所示，經(jīng)對比分析，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)相對于原有方案，累積節(jié)約管材20%～35%。

5 結(jié)論與展望

本文通過介紹2020年陜西省BIM大賽作品的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)成果，展現(xiàn)了BIM技術(shù)在復(fù)雜能源站房設(shè)計(jì)項(xiàng)目中應(yīng)用的突出優(yōu)勢。經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后：

(1)各專業(yè)管線及橋架合理順暢，供冷、供熱以及供電系統(tǒng)運(yùn)行高效；

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

(3)節(jié)約初投資。土建及機(jī)電管材用料均有不同程度的節(jié)省，避免了施工現(xiàn)場不必要浪費(fèi)的產(chǎn)生。

(4)輔助施工效果明顯。較為準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)施工算量，設(shè)備招標(biāo)工作省時省力； 輔助土建專業(yè)完成計(jì)算荷載支吊架點(diǎn)位確定以及預(yù)留孔洞核對的工作； 生成的模塊化設(shè)備與實(shí)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(fù)雜、建設(shè)承包商眾多，經(jīng)BIM技術(shù)對其進(jìn)行整合優(yōu)化后各方面效果優(yōu)良。BIM技術(shù)的應(yīng)用，不僅充分響應(yīng)國家的號召，對于項(xiàng)目本身來說也是“一本萬利”?？梢灶A(yù)見，未來BIM技術(shù)不單限于建模、翻模狀態(tài)，其發(fā)展應(yīng)與復(fù)雜項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)施工方案深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以BIM為核心工具的設(shè)計(jì)、施工、預(yù)制采購一體化，最大程度地輔助施工，呈現(xiàn)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案達(dá)到最大限度的還原。