基于BIM的軌道交通HBAS技術探索與實踐

郭 偉

蘇州市軌道交通集團有限公司 江蘇 蘇州 215004

1 研究現狀

車站通風空調系統作為軌道交通系統的一個組成部分，通常采用全空氣一次回風系統，由空調箱、回排風機、新風機、風管、各類閥門等組成。由于系統內設備和管線體量較大，且受到土建方案及規模限制，使得本系統的管路設計、施工與調試成為一項既重要又繁瑣的難點工作。在設計過程中，需對管路進行水力計算，以便確定管道尺寸及動力設備型號和能耗，是流體輸配管網設計的基本手段，也是管網設計質量的基本保證。

雖然在設計深化過程中已經進行了相關計算修正，但在施工安裝過程中，仍存在未及時對調整的管路進行系統阻力校驗、現場管線走向與設計圖紙存在差異、零部件多樣化導致各環路阻力與理論計算有偏差、管路漏風量較大等不確定性因素。在調試過程中，各線系統調試時間緊任務重，現場調試工作缺乏科學的指導依據，通常是憑借工人經驗進行反復迭代，調試周期長、效率低。綜合一系列不利因素的疊加與影響，使得在運營過程中，系統運行偏離設計狀態點，部分車站風口實際風量與設計值偏差較大，這一直是困擾各方的難題。

HBAS（Hydraulic Balance Analysis and Simulation），風系統風量平衡分析計算與仿真。目前常用的水力計算軟件有鴻業、天正、華電源等，這些軟件可以自動生成水力計算結果，但存在一些局限性，比如是基于二維圖紙，必須在對應平臺上建模、無法指導現場調試、輸配管網中各環路閥門開度值未知等。

BIM技術能有效的解決二維圖紙中風管路由不明確，翻彎數量不確定造成的風量損失無法估算等問題，但是現階段基于BIM技術的三維正向設計以確定管線空間定位為主，缺乏成熟的結合BIM模型的自動校驗、分析計算與仿真功能軟件，極大地制約了三維正向設計的生產力。

近年來建筑信息模型（BIM）是繼CAD（計算機輔助設計）技術后出現的建筑業又一項重要的計算機應用技術，它在建筑全生命期的應用大大提高了項目的建設效率和信息集成化程度，能夠給建筑業帶來巨大的效益。

蘇州軌道交通從2014年3、5號線建設開始，逐步開啟了BIM技術的研究和應用。經過幾年的努力，BIM在蘇州城市軌道交通中的實踐應用，經歷了從“原始簡單”的管線碰撞檢測到嘗試“高大全”建筑全生命周期BIM應用的“進化”。蘇州市軌道交通集團近年來致力于BIM技術的探索與實踐，一方面遵循國際BIM技術發展的客觀規律，另一方面確立適應自身特點的各類建設標準，在具備了一定的BIM技術應用經驗以及相應的BIM應用標準、BIM設計協同與建設管理平臺后，基于6、7、8、S1線，全面深入推進蘇州市軌道交通BIM技術應用，使其切實服務于蘇州市軌道交通的規劃、勘察、設計及工程建設和運維等業務領域，提高建設與運維質量和管理水平，具備開展基于BIM的軌道交通車站HBAS技術探索與實踐的基礎條件。

2 研究目的與意義

基于BIM的軌道交通車站HBAS的軟件開發，充分發揮BIM模型價值，通過計算機開展BIM模型自動校驗、分析計算與模擬仿真，為軌道交通通風空調風系統的設計、實施及調試提供依據，打通設計到施工安裝、調試的全過程，填補國內該領域的空白[1]。

基于BIM的軌道交通車站HBAS的研究，綜合設計水力計算與模型自動校驗功能開展地鐵車站風系統三維正向設計，大大提高了設計人員的生產效率。

基于BIM的軌道交通車站HBAS軟件的應用與實施，將大大促進軌道交通BIM模型數據在項目全生命期各階段的有效傳遞，為軌道交通工程規劃設計、施工、運維提供可靠的數據參考與支撐，科學的指導施工安裝，降低由于設計的不合理性或施工的復雜性、誤差性導致的成本浪費和潛在返工誤工風險，具有顯著的經濟效益。通過提高風系統的平衡率，可大大提高系統利用效率，有效降低軌道交通站空調系統能耗。

3 實施方案及研究過程

3.1 需求

隨著BIM應用的不斷成熟，參與蘇州軌道交通建設的設計單位廣泛的在探索并開展基于BIM的三維正向設計，通過應用軟件的系統實現BIM模型自動校驗，判斷設計BIM模型系統以及數據的完整性、準確性，縮短人工審核的周期。

在深化應用階段，通過識別Revit模型中的風系統管道與設備，自動分析識別各構件的承繼關系、管道尺寸、材質等，并結合風機性能曲線、風閥阻力曲線、管道部件阻力等，自動計算各支路的阻力，進行校核計算與分析。通過計算結果，判斷深化方案的可行性，同時可以指導風機選型優化和風閥開度選型[2]。

在實施階段，結合風量平衡計算后的BIM模型，導出數據分析表，用于指導風系統的施工安裝，科學的指導現場實施，提高施工效率，壓縮調試周期，降低整體安裝成本。

3.2 關鍵技術

3.2.1 模型校驗（validation）

與風系統設計溝通風系統BIM模型校驗需求，對接風系統類型、組成、功能，確定模型系統完整性校驗庫；對風系統BIM模型構件進行分類，針對性梳理不同構件的數據要求，確定模型構件數據校驗庫。

將模型系統完整性校驗庫與模型構建數據校驗庫以計算機的語言寫入程序。軟件自動提取設計BIM模型，基于校驗庫對風系統模型開展分析，針對構件中特定屬性進行布爾檢查及非零檢查，判斷模型系統的完整性與數據的準確性。

將模型校驗成果形成BIM模型校驗分析表，自動列舉出存在差異的位置，進行不同顏色標記，并通過點擊報表中某項，模型將自動跳轉至該處，輔助設計完成模型修改工作。

1) 存在風管未連接到風機上；

2) 存在風機/組合式空調機組未連接系統風管；

3) 存在風系統風道末端缺少封堵；

4) 存在風系統無風口；

5) 存在一個風系統中有多種系統風管；

6) 存在風系統風口風量流向不正確；

7) 存在風口、風機、風管、組合式空調機組無風量屬性或風量為零；

8) 存在風口未通過接頭正確連接到風管上；

9) 存在管件缺少各接口的尺寸信息；

10) 存在調節風閥屬性不完整。

3.2.2 分析計算（analysis）

當用戶完成風系統的繪制后，需要對風系統進行設計計算或者校核計算以確認風系統各風管的管徑是否符合設計要求。計算完成后，會得到風系統的各管網的管徑以及阻力，最不利環路，不平衡率等數據。根據不平衡率和最不利環路的阻力，需要對風管管網進行調節，以避免因為不平衡導致的窩風等情況的出現。根據調節后的最不利環路的阻力對風機進行選型。

關于分析計算的具體步驟如下：

獲取系統所有分支：對BIM模型中目標風系統進行分支分析，以系統靠近風機系統管道為起端編號為1。按照風管的前后承繼關系依次類推，將獲取到的各風系統構件分成若干個分支。

計算分支阻力：通過獲取BIM模型中風系統連接各風道末端的風量，得出各個風管管道的供風量。結合風管的規格尺寸獲得風管的水力半徑及風速。同時風管管件如彎頭、三通、四通、靜壓箱等通過依照《實用供熱空調設計手冊》（暖通紅寶書）進行局阻系數選取。最后將分支中若干風管沿程阻力及管件的局部阻力進行整合得出該分支的阻力值。

風管沿程阻力公式計算：

△Pm——計算管段的沿程水頭損失（Pa）

L=計算管段長度（m）

λ——關斷的摩擦阻力系數；

de——風道當量直徑（m），對于圓形風管de=d，對于矩形風管de=2ab/(a+b)，d為圓形風管直徑（m），a、b為矩形風管寬、高（m）；

ρ——流體的密度（kg/m3），空氣的密度標注狀態時為1.2Kg/m3；

v——流體在管內的流速，根據風量、管徑計算確定（m/s）。

局部阻力計算公式（本次計算選型需要用到的公式）：

△Pj——計算管段的沿程水頭損失（Pa）；

ξ——局部阻力系數（通過紅寶書等指導書籍可查出，調節風閥該系數需要結合風閥的阻力曲線）；

ρ——流體的密度（kg/m3），空氣的密度標注狀態時為1.2Kg/m3；

v——流體在管內的流速，根據風量、管徑計算確定（m/s）。

分支平衡計算與調節：在獲得到各分支阻力后，找出阻力最大的分支為最不利分支，其余分支與最不利分支的差值，該差值與最不利分支阻力值的比，成為此分支的不平衡率。通過調節風閥的開度，達到調整風閥阻力值的變換，最終抵消掉這部分差值引起的分支不平衡，進而達到分支平衡的效果。

3.2.3 仿真（simulation）

結合風閥生產廠家提供的風閥阻力系數與風閥開度對應關系或者風閥阻力曲線，擬合出風閥的阻力與開度的關聯公式。并將公式嵌入到風閥構件中。在對目標系統進行風閥選型計算時，程序通過假定流速法對風系統運行情況進行模擬，產生的分支不平衡率所得到的差值即為風閥所需要提供的差值。通過風閥需要提供的阻力值結合風閥所處風管的風速，依照局部阻力公式進行計算，即可得出風閥的開度選型結果。

4 技術創新點

1.軟件架構基于Revit2018的開發，利用現有成熟BIM基礎軟件，短平快的快速開發，綜合開發基于BIM模型校驗、分析計算、模擬仿真功能，及時投入設計生產應用。

2.梳理風系統模型校驗規則庫與數據庫，為后續開展全專業模型校驗功能打下基礎。

3.基于revit模型開發設計階段模型計算功能，在計算過程中無數據丟失與失真，結合該軟件開展三維正向設計，解放設計生產力。

5 技術指標

設計模型校驗指標：結合校驗模塊，確定評判指標與評判系統，以此為依據確定模型通過率；結合項目實際安裝和調試結果進行比對，要求軟件計算的風閥開度偏差控制在15%以內。

6 技術路線

7 研究結果

7.1 基于BIM的的軌道交通HBAS軟件研發成果

通過針對性功能需求對接，制定符合實施需求技術路線，成功開發出一款基于BIM技術的HBAS專業軟件。

該軟件系統具備BIM模型校驗功能，并具備結合BIM模型開展風系統風量平衡分析計算、模擬仿真功能。實現對風系統模型進行系統完整性、數據準確性校驗，通過對風系統模型進行分析計算以及模擬仿真，進而得出風系統中風閥的開度選型結果，基于此計算結果可以指導風系統的施工安裝和調試工作。

7.2 基于五號線石城站BIM模型HBAS應用

7.2.1 應用過程說明

結合現有已運行的蘇州軌道交通5號線石城站模型進行模擬計算。石城站BIM模型經設計深化后移交機電施工單位，機電施工單位依據工藝需求，結合設計模型開展施工深化應用后出具BIM圖紙，現場按BIM圖紙施工。

針對石城站機電施工BIM模型，現場復核車站風系統管線走向，完善BIM模型中管線路由、尺寸、翻彎、風閥、風口布置等細節，確保模型與現場的一致性。

利用HBAS軟件中的模型自動校驗功能，對模型中的構件進行風系統完整性的檢查，形成校驗報告，通過提示功能，使用戶對問題構件進行預覽以及定位修改。通過反復迭代校驗，確保數據準確。此版BIM模型作為HBAS軟件計算的數據基礎。

圖1 HBAS軟件中的模型自動校驗數據表

啟動HBAS軟件中的計算與仿真功能，程序自動獲取用戶選定的風系統BIM模型，自動拾取風管以及風管附件參數，基于軟件程序的內置算法，自動對選定的風系統進行風閥的開度選型計算，生成帶有風管編號與風閥標注的鎖定視角單系統軸測圖以及風閥選型數據表。

7.2.2 計算結果說明

以石城站大系統送風為例，計算結果分析如下。

大系統送風自小軸端環控機房，分別向站廳層與站臺層送風，具體路由如圖2所示，該送風系統涉及三個調節閥，閥門定位如圖3所示。結合軌道交通地鐵車站HBAS軟件，該風系統計算結果如圖4所示。

圖2 大系統送風路由圖

圖3 大系統送風風閥定位圖

圖4 石城站環控大系統送風HBAS計算結果數據圖

8 結論與展望

1.本軟件計算結果與實際調試情況偏差在11%左右，可以用來指導安裝和調試，基本滿足軟件開發要求。

2.課題在開發過程中為了保證自動進行風系統提取，使用的風系統完整性檢查功能，不僅可以檢查風系統連接情況，還能檢查相關設備的信息。對于地鐵車站模型的整體檢查也有很大借鑒意義。

3.風系統模型校驗功能經實踐應用，能快速檢測模型問題，以風系統校驗功能為基礎，進一步開發全專業模型校驗功能。

4.嘗試基于BIM的軌道交通HBAS軟件與蘇州軌道交通集團BIM設計協同管理平臺結合，計算與自動校驗程序融合設計交付與施工深化管理流程。