BIM設計平臺下的暖通空調系統工程結構體集成化設計方法

文｜民航機場規劃設計研究總院有限公司東北分公司 張為

近幾年，BIM 設計在暖通、建筑等領域得到了廣泛運用，業內研究的重心也逐漸轉向能耗模擬、BIM 建模和自動設計?？紤]到BIM 平臺要求對設計進行參數化處理，在獲得項目圖形后，設計人員需要處理大量參數，工作量及工作強度有目共睹，本文便以此為切入點，首先對BIM 設計所存在不足進行分析，并指出要想使BIM 在智能化、參數化等方面所具有優勢得到充分發揮，關鍵是要變更設計方法，確保設計人員可將重心放在優化方案上。鑒于此，本文選擇以BIM 平臺為依托，對符合暖通空調特點與項目訴求的集成設計法進行說明，供相關人員參考。

1.研究背景

暖通空調設計內容相對繁瑣，主要涉及計算負荷與風量、確定方案和選擇設備等方面，雖然運用CAD 進行項目設計，可獲得規范且標準的圖紙，但由于CAD 強調用專業符號、圖例描述水泵及相關部件，因此，沒有經過系統培訓的非專業人員往往無法快速理解圖紙內容[1]。

作為以CAD 設計為基礎所衍生出的設計形式，BIM 設計保留了逐項拼接的圖紙繪制方法，此外，還引入了正向設計、翻模等概念，雖然能夠對各專業所提供設計成果進行集成，但在智能化、參數化等方面的表現并不理想[2]。運用BIM 建立水泵模型的步驟如下：第一步，確定水泵的型號與參數，繪制設備。第二步，確定附件的類型、參數及高度，繪制相應部件。第三步，確定管道材質、種類等參數，根據連接方法繪制相應圖形。第四步，酌情添加管道標高或其他后續工作所需標注。由此可見，現有設計方法與BIM 平臺的適配度較低，難以使BIM 在智能化、參數化還有集成化方面的優勢得到充分發揮，要想扭轉這一局面，關鍵是要以BIM 為落腳點，結合其特點開發全新設計方法，以BIM 獨有的API 為依托，優化或升級現有設計軟件，達到自動設計、智能設計的最終目的。下文將以某冷水機房為例，對暖通空調結構體所采取集成化設計方法進行說明，該冷水機房由冷水機組、冷卻水泵、分/集水器和冷水泵共同組成，如圖1所示。

圖1 冷水機房示意圖

2.暖通空調模塊和結構體的介紹

作為公共建筑首選空調系統，集中空調往往需要從冷卻塔、水冷機組處獲取運行所需冷源，再通過新風機組、全空氣空調和風機盤管等設備達到調節溫度的效果。其水系統可被拆分成五個部分，分別是接管/末端設備/輸配系統/熱源/冷源，其中，末端設備可被細分為新風機組、空調和風機盤管，輸配系統以分水/集水器、冷/熱水泵為主，熱源通常是市政熱網，冷源則是指冷卻塔、冷水機組。如果將連接設備的管線及其附件視為一個模塊，則可將上述系統視為由模塊構成的系統，構成模塊主要包括冷卻塔模塊、機組模塊等。

在過去的數十年間，國內建筑領域已積累了極為豐富的經驗，結合實踐經驗所編寫標準圖集的內容也已趨于完善?，F階段，社會各界已就暖通空調模塊構成達成共識，各模塊所涉及部件、設備和接管均已明確，這也為建立標準化模塊奠定了良好基礎。標準化過程是指以項目需求、廠家要求和現有標準圖集為依據，對各單元內外構件所具有結構及連接關系加以統一，從而使相關構件成為一個整體的過程[3]?；跇藴驶^程所得出的、符合重復調用條件且功能相對單一的基本單元，通?？杀灰暈闃藴驶K（下文統稱為“工程結構體”）。

本文將設備數量作為劃分標準模塊的根本依據，如果模塊內核心設備的數量為1個，則應將該設備所連接管路附件劃入該模塊邊界。暖通空調往往會在連接各設備的管路上增設兩通閥、調節閥，同時在閥門前安裝相應附件，因此，在劃分模塊邊界時，應將兩通閥、調節閥納入考慮范圍。如果模塊內存在數個核心設備，且各設備的關系為并聯，則需要將并聯管道劃入模塊范圍。

3.建立結構體的方法與注意事項

3.1 建立原則

在建立結構體時，相關人員應嚴格遵循以下原則：其一，結構體能夠準確描述信息模型、圖形模型相關內容，具有完整性。其二，結構體功能和需求高度一致，可使不同需求對結構體功能所提出要求得到充分滿足。其三，信息模型、圖形模型與實體情況相符。其四，以符合建立要求為前提，盡量避免過多約束結構體。其五，無論是結構體分類、命名，還是所建立模型均符合標準要求。

3.2 建立方法

作為按照施工順序對各類工程構件進行集成所得集合，工程結構體往往包含信息及圖形模型，二者間存在著極為緊密的聯系。下文將結合Revit 對建立暖通空調結構體的方法進行說明：該結構體所涉及各構件的關系均為嵌套關系（如圖2所示），核心設備指的是水泵、冷水機組及其他機械設備，而接管指的是核心設備所連接附件管道，其中，接管是結構體的一級嵌套，附件是接管的一級嵌套、結構體的二級嵌套。相關人員以上述嵌套關系為依據，按照標準流程對結構體進行了建立。需要注意的是，建模期間往往會形成一定量的輔助信息，但此類信息并不具有物理意義，而是通過關聯構件形體的方式，確保其幾何性能能夠隨著參數變化發生更改。

圖2 項目嵌套關系

3.2.1 信息模型

作為結構體的“靈魂”，對信息模型進行標準化處理，既能夠保證使用效率達到預期，又可以為后續計算和分析等工作的開展提供參考。在建立相關模型時，需要重點考慮三方面內容，首先是以參數內涵和功能為依據，對其類別進行劃分，本項目所涉及參數主要包括五類，分別是可見性，屬性參數，幾何參數，輔助參數，標識參數（表1）。

表1 參數類別與名稱

其次是對參數進行命名時，應考慮使用者訴求，在保證命名與實際相符的前提下，優先選擇易于理解的參數名稱，例如，垂直長度、安裝高度等。最后是定義接口，在本項目中，標準化接口具有極為重要的作用，例如，標準化接口可使模型系統類型更加規范，為后續的計算提供參考，確保自動設計的設想成為現實。

3.2.2 圖形模型

作為展示設計成果的載體，對圖形模型做標準化處理的目的，主要體現在三個方面：其一，降低日常使用難度；其二，確保模型標準且規范，使其使用率達到預期；其三，在保證出圖質量的前提下，對出圖速度進行提高。在建立圖形模型前，先要對創建標準加以了解。圖形模型多以族樣板標高作為工作平面，考慮到參照標高會給結構圖偏移量產生直接影響，為確保偏移量得到如實反映，相關人員應保證圖形底邊、族樣板標高處于相同平面。在將結構體插入項目文件時，使用者所拖動基準點又被稱作插入點，對其定義加以明確，可使設計行為更加規范，一般情況下，若設備存在對稱關系，應將參照標高、對稱點相交處設為插入點，如果設備不存在對稱關系，則應將參照標高、左端面相交處設為插入點。除此之外，對可見性進行設置同樣十分重要，本項目所使用Revit 可提供三種不同的視圖深度，分別是粗略/中等/詳細，使用者可通過可見性對不同深度視圖所顯示圖形加以控制，粗略/中等視圖所顯示內容以圖例為主，詳細視圖所顯示內容多為實體。

3.3 注意事項

3.3.1 建立結構體

在建立工程結構體時，有以下幾方面內容需要引起重視：首先，保證建模標高和模型標高一致、結構體和其他構件所使用標高體系相同。其次，確保模型完整且嵌套準確。最后，幾何形體與輔助信息相關聯的情況下，應避免信息形成閉環關聯。閉環關聯的定義如下：其一，平面閉環關聯。建立幾何模型時，通常需要先鎖定模型、對應平面，再鎖定模型參數、對應平面，如果任一參照平面均存在關聯參數并進行了鎖定，便會形成閉環關聯。其二，公式閉環關聯。假設存在參數a/b/c，先在a 中輸入b=a-c，再在b 中輸入a=b+c，便可獲得閉環關聯。

3.3.2 審核結構體

不同場景所適用信息、幾何模型往往存在一定區別，因此，在審核及評價結構體時，通常需要考慮三方面內容：一是嵌套的關系是否準確；二是信息、圖形模型是否準確，還有內容是否完整；三是圖形模式能否隨著信息的更改而發生相應變化，以及是否會出現構件分離或是錯位的問題。

4.關于集成化設計的說明及成果

4.1 設計要點

研究表明，暖通空調系統可被拆分成結構體、連接管線兩部分，提前對可自動調節參數的結構體進行建立，將結構體保存在數據庫內，并在實際施工中，通過插件等方式對其加以應用，可促使設計人員將重心放在繪制管線上，工作難度隨之降低。

本文所討論集成設計方法，強調將結構體作為基本單元，在對管路、設備相關參數進行準確計算并選型的前提下，建立起相應的圖形與信息模型。集成設計的內涵可被概括如下：其一，對圖形模型進行集成，為日后設計工作的開展提供便利；其二，集成信息模型，為BIM 技術提供所需信息，確保統計工程量等工作可得到有序開展。

4.2 設計成果

以某冷水機房項目為例，對該設計方法的優勢和效果進行說明。常規BIM 法需要設計人員依次添加管路閥門、壓力表和溫度計等附件，集成設計則不需要對附件進行繪制，操作流程如下：第一步，確定需要達到的目的。以項目需要為依據，對樣板文件進行選擇并建模。第二步，運用Revit 插件對結構體進行下載。第三步，將結構圖布置在對應的項目基礎上，酌情調整模型參數。第四步，對集、分水器和熱水機組進行布置。第五步，通過繪制管線的方式連接各結構體，將管路附件放置在指定位置。第六步，對管線進行調整并導出算量（如圖3所示）。

圖3 集成化設計圖

以設備量、附件數量為依據，對BIM 法、集成設計的工作量進行對比，最終結果如表2、表3所示。

表2 BIM 法工作量

表3 集成設計工作量

5.結束語

現將研究所得出結論歸納如下：其一，集成設計可最大程度滿足BIM 平臺所提出設計要求，在保證設計合理的前提下，對設計效率進行提高。其二，集成設計對設計流程進行了調整，由初始的①計算②選型③安裝設備④連接管線⑤增設附件，簡化成①計算②選型③布置結構體/建立模型④連接管線，使自動設計成為可能。未來，相關人員應加大對集成設計的研究力度，根據實際需求、設備和系統情況，對結構體及數據庫進行完善，使該設計方法擁有更加廣闊的發展空間，為建筑行業的發展提供動力支持。