浅析BIM技术在暖通空调设计应用中的现状如何?

2021年4月1日
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引言

国家住建部《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》将“加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用”作为总体目标列入“发展纲要”中,国内高校、软件公司、设计院、施工企业都在积极响应国家号召,在建设行业BIM技术应用方面多了大量的理论与实际工程项目应用研究,也取得了相对多的研究成果。2013年,福建省建筑设计研究院以《建设行业信息一体化软件核心技术研发及应用》为专题研究,向福建省科技厅申报2013年度福建省科技重大专项,获得了政府相关领导及专家的高度重视并成功立项。笔者以本专题的部分研究内容即“BIM技术在暖通空调设计中的应用”为研究对象进行分析,希望能与业内专家共同探讨。

1 现阶段的应用程度

目前暖通专业BIM建模深度为:基本实现空调、通风及防排烟系统中风系统的建模,部分实现空调冷冻水系统、冷媒系统、冷凝水系统建模(冷却水系统由给排水专业完成)及膨胀水管建模。负荷计算、系统阻力计算、水力平衡计算等应用基本还处于探索研究阶段,只有少数设计院的部分工程或工程的局部用到。究其原因是,现有的BIM实施平台软件功能不足现行行业标准、规范、法律法规的要求。

1.1风管系统区分

BIM与CAD不同之一在于,无法通过定义图层来区分系统,但可通过“系统族:风管系统”来创建不同的风系统,并设置不同的线样式、颜色、线宽来区分风系统,在三维视图中,通过为不同的风系统定义过滤器并指定颜色来区分。通过定义风系统,除了直观、便于区分外,还有利于风管的编辑与修改,极大提高制图的工作效率。

此方法是较为通用的方法,但由于没有统一的标准,导致不同设计院系统颜色设置均不一样;甚至设计院内部,不同的暖通设计师或不同的项目,均有可能系统颜色设置不一样。正所谓“无规则不成方圆”,这种五花八门的系统颜色,不但不能带来便利,还减低了可读性,给校对、审核人员带来不便。图1是某工程风系统管道颜色设定。

浅析BIM技术在暖通空调设计应用中的现状如何?

1.2狭小空间的管线优化布置

不同视图间相互关联性的特点正是BIM技术的主要优势之一。在内走道或管线复杂、对净高有严格要求的狭小空间,应用BIM技术进行管线优化布置,平面、立面、剖面、三维视图之间相互关联,便于暖通设计师多角度确认管道的空间位置,有效避免管线碰撞,满足净高要求。目前国产BIM平台软件已实现净高自动检查功能,如图2某工程内走道自动净高检查所示,左侧三维视图为右侧红线框标注的对应视图。软件按设定值可自动检查建筑不同区域内的最低净高值,并填充不同颜色。

浅析BIM技术在暖通空调设计应用中的现状如何?

狭小空间的管线优化布置,对建模的精度要求甚高,不仅要考虑管道自身截面大小,还需考虑管道的保温层厚度、管道附件的曲率半径、法兰的大小、管道安装检测空间等,这些在传统二维设计中难以实现,但BIM技术的虚拟可视化优势却能轻松解决。采用BIM技术进行狭小空间的管线优化布置,虽然在设计阶段增加了设计师的工作量,但为后期施工安装节省了大量的人力、物力,有效减少施工的返工量,避免浪费、节约成本。

1.3机房布置

在公民建设计中,建筑专业往往为暖通空调设备用房预留的空间相对紧张,如何合理的布置设备成为暖通空调设计中的关键及难点问题,不同品牌的设备尺寸存在差异,暖通空调设计阶段不能指定品牌,这也成为机房布置的不确定因素。

应用BIM技术的参数设计优势,设计阶段为机器设备创建参数体块族,便于修改设备的实体尺寸。设计过程通过可视化的多方案比较设备摆放位置,从三维空间角度考虑设备的安装空间,接口位置,消声静压箱大小,待甲方确定品牌后,通过参数修改,重新验证机房布置的合理性,模拟设备安装过程,为甲方提供设计优化方案。图3~图6所示是某工程采用BIM技术进行机房布置的实际案例。

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1.4管线综合碰撞检测

应用BIM技术进行管线综合碰撞检测,提高施工图设计质量,这是BIM技术的巨大优势,也是BIM技术的一个基础应用,国内众多掌握BIM技术的设计院,在设计过程中,基本都会应用此优势。

暖通专业设计师在管线综合碰撞检测的应用方向主要为:1)检测风系统与结构梁、结构柱、楼梯、坡道等构件的碰撞情况;2)检测水系统与结构梁、结构柱等构件的碰撞情况;3)检测暖通专业内部管道相互碰撞情况;4)管道安装空间、预留检修空间检测。针对机电专业之间(即暖通专业与给排水专业、暖通专业与机电专业)之间的碰撞检测可由专门的BIM协调人完成。

“管线综合碰撞检测”的结果只是发现问题,如何解决问题?才是最为关键的,即管线优化设计。基于BIM模型的管线优化设计应注意下述情况:

(1)尽量少改动,三维管线优化设计只对非改动不可的管线进行优化设计,比如:管线穿梁、碰柱、穿吊顶等情况,属于硬碰撞,非改不可;阀门等附件穿梁、碰柱,只需调整安装方向即可避免碰撞的,属于软碰撞,可以不修改,以减少设计人员的工作量。

(2)需满足建筑业态要求,对于不满足净高的空间,就算管线没有碰撞,也需要进行优化设计。

(3)管线优化设计时,应预留安装、检修空间。

2 存在问题

针对应用市场主流的BIM实施平台软件,在暖通建模过程中,关于模型的精确度、平面表达方式、建模效率等归纳提出如下问题:

(1)风管:风管三维尺寸准确,空间位置定位精确,可根据实际需要创建非标准风管尺寸,但风管风量、风速等设定不如二维方便。

(2)风管管件(弯头、三通、四通、变径等):鸿业开发的族立得产品中包含了常用的风管管件样式,但因此参数化设计,精度要求高,导致某些情况下自动连接困难,需手动连接,无形中降低了建模效率,同时,部分族文件制作有问题,平面中连接没问题,但三维模型中体块显示有问题。

(3)风管附件(阀门):风管附件样式偏少,绘制不够智能,添加阀门时,阀门尺寸是原有尺寸,并不会自动识别风管尺寸而自动改变,但会自动添加变径管。

(4)风道末端设备:软件自带的风口具有“风道末端安装到风管上”的功能,有效提高建模效率,但不同尺寸风口的创建比较麻烦,需要通过复制族文件并修改对相应参数来实现,与二维不同,智能程度不够,部分风口族文件风口连接方向不对,但可通过修改族文件来更正。

(5)机械设备:国外一些厂家已开始重视BIM技术的发展,为其产品制作了三维信息模型文件,但是国内的厂家还未提供此类服务,一般我们的都是根据工程需要自行建立满足设计需要的机械设备三维信息模型文件,制作过程比较耗时,只表达机械设备体块的实际尺寸、关键参数等信息,加之规范化程度不够,导致信息利用率不高。

(6)文字标注:国内众多软件开发公司在主流BIM平台软件上做了大量的二次开发工作,提供了文字快速标注插件,有效提高了建模效率,但其在字体修改、字号设置等方面还不够便捷。

(7)导出CAD:因众多条件限制,目前还未实施三维图纸审查,借助BIM技术辅助暖通设计,但最终还需将三维信息数据导出二维CAD图纸。现阶段,基本实现了“三维导二维”并保证暖通系统与CAD图层对应的技术手段,便于后期施工图的深化、修改;但还存在风管附件与CAD图层不匹配或只能部分匹配问题。

3 深度应用研究建议

3.1三维制图出图

(1)暖通专业项目样板:完善前期制定的样板文件,样板文件中应包含:不同系统管道的颜色设定、线型设定、显示方式设定,加载常用的风管管件族文件、风管附件族文件、风道末端族文件、机械设备族文件。

(2)族文件制作:规范常用的族文件制作流程,包括族文件命名规则、参数命名规则、平面表达深度等。

(3)出图:目前多数工程设计流程为:在BIM软件平台上完成建模后,导出平面、剖面,在CAD中完善后完成施工图制图,以保证出图时间;针对中、小型项目,在设计周期许可的条件下,尝试在BIM软件平台上完成施工图制图。

3.2三维模型扩展应用

(1)负荷计算:市场主流BIM平台软件自带的负荷计算其计算标准与国标不符,某软件公司开发的负荷计算功能只能在建筑模型文件中进行且操作繁琐,将建筑模型链接到暖通模型中,无法利用设置好的房间、空间属性进行负荷计算,并且无法在链接文件中创建房间、空间属性。

(2)风系统阻力计算:软件已实现风系统阻力计算分析,但由于先期暖通模型精确度不够,系统连接不完整,还无法应用此功能。除此之外,软件也存在弊端,相关参数设置繁琐。根据重大专题的需要,将选用一个合适的工程,完成这方面的研究工作。

(3)工程计量方面的应用:模型完整的情况下,模型计量数据与二维图纸的计量基本一致,差别在于计算风管管材时,三维模型扣除风管附件的长度,而实际计量规则的不扣除的,此问题的解决需和软件开发公司配合完成,并完善统计表格式。

(4)施工指导的应用:将暖通三维文件导出为DWF(DWFX)文件格式,以保证模型数据信息完整、数据量小,并通过云平台,将模型信息导入到iPad上,便于施工现场读取模型数据,并与施工现场信息进行比对,完成暖通模型在施工指导中的应用。

4结语

BIM技术的应用,其实是个工作模式的改变,如同早期的“甩图板”。它的成熟并不是一个部门、一家公司所能做到的,它需要政府相关部门、行业相关单位共同配合、共同推进。一些发达国家和地区已经建立了BIM的相关国家标准,我国也在研究BIM国家标准,北京市《民用建筑信息模型设计标准》(DB11/T1069-2014)已于2014年9月1日实施,相信随着时间的推移,BIM技术会越来越成熟,应用也越来越广泛。

随着相关国家标准的建立,软件的成熟,应用BIM技术实现暖通专业的施工图设计也是能实现的,但这个目标估计不是三年五年能实现的,笔者希望通过本文,与业内专家进行交流,共同推进BIM技术在暖通空调设计中的应用。

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