基于BIM技術的地源熱泵機房快速安裝研究

經乃東

【摘要】隨著國家2030年完成碳達峰、2060年實現碳中和目標的確立，新建建筑向綠色建筑、智慧建造、低能耗發展是大勢所趨。地源熱泵空調系統作為高效率、低能耗的綠色供能技術，越來越多地在各類綠色建筑中得到應用。地源熱泵機房作為整個空調系統的核心，設備及管道眾多，采用傳統CAD圖紙及施工經驗施工，工期長、材料浪費且很難保證美觀。基于此，文章主要分析了BIM技術應用于地源熱泵機房快速安裝的原理和特點，并研究了BIM技術在地源熱泵機房快速安裝的工藝及操作要點，對快速安裝的效益進行了分析與總結。

【關鍵詞】BIM技術;地源熱泵機房;快速安裝

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.075

目前，地源熱泵空調系統越來越多地應用到建筑行業當中，其機房作為整個系統的核心，采用傳統二維圖紙及施工經驗進行施工，影響機房整體排布的美觀性及施工質量，且施工速度慢，材料浪費嚴重。為改變當前施工現狀，本文研究和探討了BIM技術利用于機房的安裝。通過對設備及管道進行建模，通過3D掃描技術將掃描的土建數據，逆向建模導入機房設備及土建模型中，在三維模型中進行排布優化，并采用BIM中具有可視化模型及碰撞檢測的功能，對現有模型進行碰撞檢查，能直觀地發現問題，提升機房的使用空間，導出圖紙及材料表格。施工過程中，通過智能放樣機器人直接從模型上點擊放樣點進行測量和放樣，施工方便快捷，實現了機房的快速安裝施工。

1、利用BIM技術進行地源熱泵機房快速安裝的原理及特點

1.1工作原理

在地源熱泵空調機房施工中，先利用BIM技術采用Revit建模軟件，按照二維設計圖紙對機房設備及管道進行建模。在三維模型中進行排布優化，并采用BIM中具有可視化模型及碰撞檢測的功能，對現有模型進行碰撞檢查及優化;然后采用3D掃描技術對機房內墻、梁、柱、板、基礎機房內各預留預埋的孔洞及構件等進行掃描，確保后續預制管段和機房內機組及立管準確對接。將空調機房掃描數據逆向建模得到的機房建筑BIM模型鏈接至優化模型中，替換原機房建筑BIM模型，調整管線深化設計模型里預制管段接駁位置，準確繪制預制管段的支架及定位尺寸;并將模型合理劃分為多個模塊。導出圖紙及材料數據，并根據導出的材料數據進行管段和支架的加工制作，并將每個管線進行編號。最后將模型數據導入放樣機器人手薄，直接從模型上點擊放樣點進行測量和放樣，并根據放樣點進行支架及管接的安裝。

1.2 工作特點

（1）通過在三維BIM模型中對機房設備及管道進行建模，并利用3D掃描技術將空調機房掃描數據逆向建模得到的機房建筑BIM模型鏈接至優化模型中，替換原機房建筑BIM模型，并排布優化，可有效控制機房的施工，解決管道連接不合理、排布觀感差等質量通病，提高施工效率和質量。

（2）在完成管道優化布置后，可利用revit軟件進行管材用料統計，形成管材清單，為算量及以后期采購提供參考，避免了材料的浪費。

（3）通過將BIM模型中的測量數據導入智能放樣機器人，直接從模型上點擊放樣點進行測量放樣，無需讀圖計算目標點位，測量作業更加快捷，同時也避免了讀圖計算過程中可能出現的錯誤，測量準確性更高。

2、利用BIM技術進行地源熱泵機房快速安裝的工藝流程及操作要點

2.1工藝流程

施工操作流程：

施工準備→建立BIM模型→3D掃描及模型優化調整→導出數據→管道施工模擬→管道預制加工→測量放樣→設備及管道安裝。

2.2操作要點

2.2.1施工準備

（1）各專業及BIM技術人員、計算機、軟件等到位;

（2）收集機房內所有專業（包括建筑、結構、暖通、給排水等）的施工圖紙、會審記錄、技術變更、管道設備外形尺寸等資料并實時更新;

（3）在滿足規范的前提下，與甲方充分溝通，了解其對機房空間的要求，如管道最高多少、最低多少、最多有幾檔標高等;

（4）根據CAD圖紙先一步進行地源熱泵空調機房各圖紙的疊加與優化。

2.2.2建立BIM模型

根據建筑、結構施工圖建立地源熱泵機房建筑結構模型，并作為機電模型繪制的基礎;根據基礎、排水溝圖紙，在模型中繪制設備基礎及排水溝的模型;根據地源熱泵施工圖中的管線、設備外形尺寸等數據建立相應機電模型;整合建筑、結構、機電模型;模型搭建時各系統的命名須與圖紙保持一致，系統中的各類閥門、壓力表等須按圖紙中的位置加入;如圖2.2.2所示。

（1）機房建筑模型

（2）機房設備管道模型

2.2.3 3D掃描及模型優化調整

（1）現場準備為保證掃描所獲取的點云數據質量，應合理選擇掃描時機，以減少對掃描工作的干擾。在掃描前應對掃描現場進行必要的清理，對可能影響掃描實施的建筑垃圾、施工車輛、現場工人等加以清理，排除干擾。

（2）掃描設站規劃在掃描準備階段，應對掃描現場進行踏勘，圈出改造范圍，管線密集區域、掃描障礙物等，編制掃描設站平面規劃圖。

（3）三維激光掃描儀對整個掃描空間進行詳盡掃描，獲取掃描空間所有圖像信息的點云數據，包括各種的三維模型、坐標數據、像素及其他相關測量數據。

（4）點云數據處理及坐標轉換

通過RealWorks軟件新建工程、點云數據導入、有靶球配準、坐標轉換、去除噪點處理并校準三維激光掃描數據。

（5）BIM逆向建模及模型優化調整根據數據處理后的點云數據真實還原施工現場的大量空間點模型，并將該模型替換原建筑模型，并對模型進行優化，如圖2.2.3-1所示。依據規范及甲方對機房布置的要求，設定管線控制標高（最低、最高），確保模型中各系統的管線、設備在滿足要求。優化和調整模型時需遵循布局應參照施工圖紙結合機房現狀，合理布置美觀;閥門、法蘭等管件標高一致、朝向一致，均勻排布;設備臺座標高一致等原則，如圖2.2.3-2所示。然后通過Navisworks軟件碰撞功能快速檢查各專業設備管線與剪力墻、柱、梁及各專業設備管線之間是否有沖突，并生成沖突報告;管線優化人員應結合自身專業經驗或與施工技術人員配合，充分考慮管線施工中的安裝空間、各類橋架與其他管道的凈距要求、各類閥門的安裝位置等并進行相應的調整優化，如圖2.2.3-3所示。

2.2.4數據導出

所有模型數據均應準確無誤，模型與其相應的數據應保持一致，構件數據有變更時，模型應及時隨之更新;通過Revit軟件可以導出模型圖紙及管材、設備信息，可生成材料清單，通過內部審核后，提交給施工部門審核;模型導出的圖紙應當支管清晰表達優化后的機房的模型內容，滿足施工條件，并符合規范要求，如圖2.2.4所示。

2.2.5管道施工模擬

（1）收集施工方案的文件和資料，包括工程項目的施工進度和要求、施工現場的自然條件和技術經濟資料等;

（2）結合工程項目的施工工藝流程，對施工作業模型進行施工模擬、優化;

（3）針對局部復雜的施工區域，進行重難點施工方案模擬，生成方案模擬報告，并與施工部門、相關專業分包協調施工方案;

（4）出現設計變更和修改時，先在模型上進行模擬推演，尋找最佳解決方案。

2.2.6管道預制加工

根據三維模型導出的數據進行管道的預制加工，首先采用管道切割機或手持式砂輪磨光機進行切割，對需要切割的管材進行自檢和專檢，確保測量無誤后方可下料。最后將切割完成的短管在加工場地指定地點歸類擺放整齊。

2.2.7測量放樣

（1）BIM模型優化調整完成后將該文件拷貝至放樣機器人BIM移動手薄的BIM智能放樣軟件目錄。通過BIM移動手薄上運行的TrimbleFieldLink軟件實現打開、查看，即可開始現場放樣測量工作。

（2）應用放樣機器人進行放樣測量時，通常采用后方交會測站法、已知點側站法和使用上一測站法進行測站設定，現場根據情況自由選擇設站方式。

2.2.8設備及管道安裝

（1）設備安裝利用施工塔吊或汽車吊將設備吊至相應位置，再利用拖排將設備運輸就位安裝。

（2）管道支吊架制作及固定

管道支吊架制作前，確定管架標高、位置及支吊架形式。管道支架固定在磚墻位置采用預埋鋼板的方式固定，梁、柱、板部位采用膨脹螺栓法固定。

（3）閥門及法蘭安裝螺紋或法蘭連接的閥門，必須在關閉情況下進行安裝，同時根據介質流向確定閥門安裝方向。

（4）管道安裝

管道安裝時采用移動式手拉葫蘆進行吊裝，立管安裝先從最高端的一根開始，焊好一根，提升一根。施焊前必須按規定鏟好坡口，施焊時上部鋼管必須可靠固定，并有防滑措施和指派專人看守。

（5）管道的試壓及沖洗

水管安裝完畢后進行水壓試驗，水系統最低點試驗壓力為0.6MPa，水壓試驗以十分鐘內不超過20KPa為合格。然后將壓力降至工作壓力作嚴密性試驗，用1.5kg的小錘敲擊焊縫，焊縫及絲扣處無滲水等異樣為合格，試壓完成后進行管道清洗工作。

3、利用BIM技術進行地源熱泵機房快速安裝的效益分析

通過BIM技術對地源熱泵機房進行三維模擬安裝及優化，與傳統CAD二維平面優化布置相比，避免了材料浪費;并將模型中各坐標數據導入智能放樣機器人，直接從模型上點擊放樣點進行測量和放樣，保證了放樣工作快速準確的進行，減少在施工階段可能存在的修改和返工，合理地安排施工順序，提高了施工效率，減少了協調及返工時間，具有較高的經濟效益及社會效益。

結語：

綜上所述，隨著科學技術的進步以及綠色建筑、智慧建造等理念的不斷發展，地源熱泵空調系統施工中不斷出現新技術、新材料、新工藝。在實際施工中，合理地利用BIM技術模擬管道安裝，并結合3D掃描進行管道線路優化，可以提高線路的安裝精度和安裝質量，保證地源熱泵空調機房的安裝質量和布局觀感，也可以減少材料的浪費，讓地源熱泵空調系統在將來的運行中更加安全、穩定，發揮系統的節能減排作用，助力國家“碳中和、碳達峰”政策的推進，在類似項目施工中具有較高的推廣價值。

作者簡介：

經乃東（1984.10.18），男，碩士，中級機電工程師，一級機電建造師，從事建筑機電工程技術工作。