基于BIM模型的某便民行政服務(wù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化分析

【摘要】

采用BIM技術(shù)輔助暖通空調(diào)工程施工建設(shè)，可以極大提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計、施工和運營管理水平，以達(dá)到最佳效能和節(jié)能效果。此外，BIM技術(shù)還可以與其他軟件配合使用，進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提高暖通空調(diào)系統(tǒng)在實際運行中的性能和節(jié)能效率。采用BIM模型相關(guān)技術(shù)方法對某便民行政服務(wù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對暖通空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)備、風(fēng)管、水管等布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為系統(tǒng)實際安裝運行提供參考。

【關(guān)鍵詞】BIM； 暖通； 優(yōu)化

【中圖分類號】TU83【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-06-19

［基金項目］湛江市科技項目（項目編號：2021E05004）

［作者簡介］劉佳杰（2001—），男，在讀本科，研究方向為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程；劉建呈（2002—），男，在讀本科，研究方向為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程；劉子曦（2002—），男，在讀本科，研究方向為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。

［通信作者］楊藝（1981—），男，博士，副教授，研究方向為室內(nèi)人居環(huán)境健康、建筑能耗分析。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某市大型智能行政服務(wù)中心辦公樓，其占地面積13.72 hm2、建筑總面積為12 794 m2、建筑高度36.9 m，地上8層，其建筑功能為市民辦事大廳配套辦公用房，其中包括通訊機房、排煙機房、新風(fēng)機房、水泵房和空調(diào)機房等，該建筑結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樁基采用鋼筋混凝土鉆孔澆灌注樁。其暖通空調(diào)系統(tǒng)的室外和室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表1和表2。

1.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)

該建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷熱泵為冷源，每層辦事大廳采用全空氣低速送風(fēng)系統(tǒng)、氣流組織為上送下側(cè)回，過渡季節(jié)全新風(fēng)運行。各個辦公室采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，每層設(shè)獨立新風(fēng)機組。辦事大廳分為兩個防煙分區(qū)，一側(cè)設(shè)置排煙豎井進(jìn)行排煙同時兼作空調(diào)季節(jié)整棟大樓的排風(fēng)，另一側(cè)設(shè)置排煙機房進(jìn)行排煙，兼做過渡季節(jié)每層全新風(fēng)的排風(fēng)。該建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)平面見圖1。

暖通空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備有2臺風(fēng)冷熱泵機組、3臺水泵、7臺組合式空調(diào)箱和1個膨脹水箱等。各設(shè)備的屬性參數(shù)如表3所示。

1.3 項目技術(shù)難點

該大型服務(wù)型建筑包含空調(diào)系統(tǒng)較多且安裝空間相對狹窄，因此其暖通空調(diào)設(shè)備管道及管線分布相當(dāng)復(fù)雜。使用傳統(tǒng)CAD二維圖紙難以全面展示各種管線之間的關(guān)系，因此

采用BIM技術(shù)能有效輔助完善建筑的暖通管道工程設(shè)計，同時還可以在BIM基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計、管路綜合優(yōu)化以及設(shè)計優(yōu)化。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可以更加全面地展示暖通空調(diào)系統(tǒng)管道的分布情況和各部分之間的交叉關(guān)系，保證系統(tǒng)的施工質(zhì)量和可靠性，有效解決空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與施工方面可能存在的沖突［3］。

2 工程項目BIM模型構(gòu)建

運用REVIT軟件基于暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計二維CAD平面圖，構(gòu)建對應(yīng)的BIM模型，并以此BIM模型對暖通空調(diào)系統(tǒng)的管道進(jìn)行碰撞檢查，最終完成管綜優(yōu)化及設(shè)計優(yōu)化。

2.1 構(gòu)建項目樣板

在Autodesk Revit軟件里，根據(jù)CAD圖暖通系統(tǒng)組成，將風(fēng)管管件、閥件和暖通設(shè)備類別等設(shè)定在樣板中，為后續(xù)建模作準(zhǔn)備。這些設(shè)定可以為后續(xù)的設(shè)計提供基礎(chǔ)，并且能夠在設(shè)計過程中被復(fù)用，提高設(shè)計效率和精度。

把AutoCAD平面設(shè)計圖紙導(dǎo)入Autodesk Revit軟件，依據(jù)平面圖標(biāo)高和軸線等信息，標(biāo)定BIM模型暖通系統(tǒng)中的水管道、送風(fēng)管道、閥件和設(shè)備等安裝位置。

2.2 BIM模型建立

2.2.1 建立暖通風(fēng)、水管道

在項目瀏覽器中找到暖通設(shè)備，以等風(fēng)量空調(diào)箱進(jìn)行暖通風(fēng)管系統(tǒng)建模，以風(fēng)機盤管進(jìn)行暖通水管系統(tǒng)建模，滿足支吊架的凈高要求建立暖通管道模型。暖通風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)三維示意見圖2和圖3。

暖通風(fēng)系統(tǒng)見圖2，全空氣系統(tǒng)用于大空間的房間，室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)在空調(diào)箱混合，經(jīng)過濾和表冷等功能段處理后，由送風(fēng)機加壓通過送風(fēng)管道經(jīng)散流器或側(cè)送風(fēng)口送入房間。風(fēng)機盤管加獨立新風(fēng)系統(tǒng)室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機處理后，由新風(fēng)管經(jīng)散流器送入房間，室內(nèi)回風(fēng)由風(fēng)機盤管處理后送入房間［4］。

暖通水系統(tǒng)見圖3，空調(diào)水系統(tǒng)采用二管制，對于夏季工況，空調(diào)冷供水管由水泵送至組合式空調(diào)箱、新風(fēng)機和風(fēng)機盤管，經(jīng)空調(diào)回水管送回風(fēng)冷熱泵蒸發(fā)器，空調(diào)供回水管一供一回形成水循環(huán)。

2.2.2 暖通系統(tǒng)添設(shè)空調(diào)設(shè)備

在空調(diào)風(fēng)、水管道構(gòu)建完成后，對暖通系統(tǒng)進(jìn)行制冷機房BIM模型構(gòu)建，通過編輯系統(tǒng)，將需要的空調(diào)設(shè)備安置于空調(diào)系統(tǒng)中，建立邏輯連接，形成暖通系統(tǒng)。制冷機房布局（局部）見圖4。

圖4空調(diào)機房設(shè)備由2臺AHU-1和AHU-2組合式空調(diào)箱以及OHU-1新風(fēng)機組成， AHU-1和AHU-2組合式空調(diào)箱為全空氣系統(tǒng)設(shè)備之一，室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)在空調(diào)箱混合，經(jīng)過處理后，由送風(fēng)機加壓通過送風(fēng)管道經(jīng)散流器或側(cè)送風(fēng)口送入房間。OHU-1新風(fēng)機為風(fēng)機盤管加獨立新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備之一，室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機處理后，由新風(fēng)管經(jīng)散流器送入房間。

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 碰撞檢查

通過各專業(yè)管道的碰撞檢查，可在項目施工實施前，了解判斷管道存在交叉碰撞的可能，從而進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整避，降低實際施工難度，提高項目實施的可行性，節(jié)約管材和成本。

在暖通系統(tǒng)及其他系統(tǒng)建模完成之后，將各個系統(tǒng)進(jìn)行整合并統(tǒng)一進(jìn)行碰撞檢查。用Autodesk Revit中的Magicad插件進(jìn)行碰撞檢查后發(fā)現(xiàn)模型存在1 042個碰撞點，并輸出碰撞報告。

如圖5所示，在查閱碰撞報告后總結(jié)得出幾個典型的碰撞，分別為管道與管道見圖5（a）、風(fēng)管與水管見圖5（b）、橋架與管道見圖5（c）、設(shè)備與管道之間的碰撞見圖5（d）。

3.2 管綜優(yōu)化

根據(jù)碰撞檢查報告，對行政辦公樓暖通空調(diào)系統(tǒng)管道進(jìn)行優(yōu)化，管綜優(yōu)化的具體內(nèi)容：

（1）管線避讓原則。在進(jìn)行管道規(guī)劃時，需要遵循“有壓讓無壓，小管讓大管，簡單讓復(fù)雜”的原則，即在管道之間有沖突時要優(yōu)先讓與之相交的管道具有更高的優(yōu)先級，并盡量避免在高度復(fù)雜的區(qū)域或者重要的設(shè)施設(shè)備附近進(jìn)行管道布置，以減小管道之間的干擾，提高管道運行效率。

（2）管線布置次序。為了使管道布局更加緊湊和合理，需要按照特定的次序進(jìn)行管線布置：橋架應(yīng)放置在最頂層，消防管道應(yīng)位于噴淋管下面，風(fēng)管應(yīng)位于噴淋管下方，而水管則應(yīng)在橋架和風(fēng)管之間進(jìn)行布置。這些次序的設(shè)立實際上可以有效地避免在管道布置時出現(xiàn)沖突和干擾的情況。

（3）空調(diào)水管布置標(biāo)高。在進(jìn)行空調(diào)水管布置時，需要結(jié)合管道的走向及施工需求，各管道底部應(yīng)該在同一標(biāo)高線上，以便于從底部進(jìn)行管道支撐。這也可以有助于審查和檢查管道的完整性和準(zhǔn)確性，并且在施工過程中更容易實現(xiàn)各種管道之間的連接。

本工程中存在風(fēng)管與空調(diào)供水管道碰撞如圖6（a）所示，根據(jù)管線優(yōu)化調(diào)整原則，在Revit軟件中觀察風(fēng)管周圍的空間選擇了將空調(diào)供水管道的模型彎曲向下避讓，其避讓結(jié)果圖6（b）。本項目存在空調(diào)供水管與污水管道碰撞圖6（c），根據(jù)管道優(yōu)化調(diào)整原則，在污水管道上方有合適得空間可將空調(diào)供水管道從上方經(jīng)過，避讓污水管道這種無壓流管道，其避讓結(jié)果圖6（d）。根據(jù)管線避讓原則，該工程暖通空調(diào)系統(tǒng)管綜優(yōu)化前后系統(tǒng)對比效果圖7。

3.3 管道與設(shè)備碰撞檢查及優(yōu)化

設(shè)計優(yōu)化主要解決設(shè)計圖紙中設(shè)備布置不合理的問題。冷凍水泵平面布置優(yōu)化前后對比如圖8所示，在原設(shè)計圖紙中，采用水泵與噴淋管道間隔布置的布置形式，由于水泵和管道系統(tǒng)產(chǎn)生碰撞見圖8（a），影響機房正常運行功能。因此，將水泵與噴淋系統(tǒng)管道位置優(yōu)化調(diào)整，將水泵機組模型移動到原本位置右端使得水泵設(shè)備布置合理見圖8（b），并使水泵與水管之間保持一定的距離保證機房正常運行［5］。

3.4 凈高分析

在碰撞優(yōu)化完成后利用Magicad對模型進(jìn)行凈高分析，經(jīng)分析顯示樓層凈高為2.2 m，與原先凈高相比多出0.5 m，樓層凈高極大提高了建筑空間舒適度。

3.5 孔洞預(yù)留

在管道優(yōu)化與凈高分析完成后，最后再進(jìn)行孔洞預(yù)留。孔洞預(yù)留需結(jié)合管道與建筑墻結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行配合，孔洞規(guī)范見表4。

3.6 設(shè)置支吊架

在管道復(fù)雜的情況下需要設(shè)置支吊架來承受管道帶來的重量負(fù)載，利用Magicad軟件自帶的綜合支吊架功能在管道上安置支吊架支持管道。設(shè)置完畢后進(jìn)行強度校核確保支吊架能夠承受管道的壓力，輸出荷載說明確保強度滿足要求。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)能更好、更直觀表現(xiàn)建筑本身細(xì)節(jié)，三維模型與二維的圖紙相比能更方便施工人員理解與安裝施工，經(jīng)過管道優(yōu)化后的模型也比原來更加的合理，減少管道與設(shè)備的碰撞，使管道設(shè)備布局更科學(xué)。這個項目的BIM技術(shù)使用也充分的體現(xiàn)BIM技術(shù)在機電暖通領(lǐng)域?qū)⒐艿揽梢暬瘏?shù)化等特性，使得管道碰撞檢查可以更加方便直觀進(jìn)行，高效的利用了建筑空間，有效提升設(shè)計效率與建筑設(shè)計質(zhì)量。本項目在優(yōu)化前其層高為4.5 m，經(jīng)過CAD建模完成后暖通管道及水管將其凈高壓縮剩1.5 m，在進(jìn)行管道優(yōu)化后將其原來的空間重新利用我們實現(xiàn)了凈高從1.5 m提高到2.2 m的效果，有效的利用了管道間的剩余空間，將空間利用最大化使

得辦公層的空間更加舒適。

通過案例說明BIM技術(shù)在暖通管道碰撞施工中的優(yōu)勢：

（1）參數(shù)化?？梢詫艿懒Ⅲw模型的控制更加的高效便捷，防碰撞優(yōu)化的精準(zhǔn)性更有保障。

（2）可協(xié)調(diào)性。在BIM技術(shù)中信息是共享、開放的形式存在于模型中，后期模型修改也可以通過上傳子系統(tǒng)來實現(xiàn)信息溝通、交互減少施工期間信息差造成的錯漏及誤差。

（3）可視性。3D虛擬建造模擬大大減少施工錯誤，大大提高施工質(zhì)量，BIM技術(shù)可視化功能的增強可以使他們能夠提升項目規(guī)劃和設(shè)計過程。

（4）可出圖性。BIM技術(shù)除了可以提供設(shè)計院常見的建筑設(shè)計圖紙及構(gòu)件加工圖紙，同時還可以通過在可視化、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化過程中幫助業(yè)主提供綜合管線圖、綜合結(jié)構(gòu)留洞圖、碰撞檢查報告和改進(jìn)等。

參考文獻(xiàn)

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［6］ 章夢晨.基于BIM的機電安裝工程深化設(shè)計應(yīng)用研究［D］.廣州：廣州大學(xué)，2016.