机械工业第六设计研究院借助BIM快速提升项目协同能力

2012-09-07◎

中国建设信息化 2012年16期

◎

一、关于恒温车间的改造

项目介绍

陕西秦川机械发展股份有限公司绿色恒温车间改造项目，位于陕西省宝鸡市姜谭路，总建筑面积为9583.43平方米，总投资13735万元，是目前国内机床行业规模最大的恒温车间改造项目。

项目围绕“精密加工、精密装配、精密检测”的设计目标，利用Revit系列软件以仿真模式进行设计优化，使车间温度得到精确控制，同时集成工厂MES系统，实现了生产作业与环境控制的随动。在业内首次全面地将BIM技术与虚拟现实技术、绿色模拟分析技术融合到项目的设计过程中，为国内机械工厂恒温车间工业化与信息化融合的典范，被业界认为是国内真正的绿色恒温机械制造车间。

以BIM做核心，协同设计

图1 陕西秦川机械发展股份有限公司恒温车间改造项目鸟瞰

图2 改扩建车间公用专业管线

作为一个大型的机械工厂节能环保改扩建项目，该项目涉及专业复杂、限制因素较多，由于扩建制冷间预留空间狭小、需设管线复杂，传统设计手段极难精确定位并表达各管线空间位置，同时施工过程还不能影响原有车间日常生产。

对此，设计师用Revit MEP进行车间管线综合设计，方案调整便捷、高效，管线位置及相互关系表达直观，各类管线在狭小的空间内得到最优化布置；利用BIM技术，对施工工序和进度进行严格控制，显著降低了返工率，大幅提升了施工精度，使改造过程对原有车间生产的影响降到最低。

针对设计中易出现的“错漏碰缺”现象，设计师在Revit MEP和Navisworks进行多方冲突检测，方便快捷，在施工前有效预防各类碰撞的发生。

图3 利用Revit MEP进行车间管线综合设计

图4 利用Revit和Navisworks同时进行碰撞检测

该项目公用专业管线排布方案复杂，而客户对方案的实时展示又有着较高要求。设计师利用Revit直接进行设计，并通过Navisworks将设计方案直观展示，这种模式对工期、空间等有着严格限制，较之传统设计模式具有无可替代的优越性和便捷性。

图5 制冷间管线排布最终方案展示

对于设计方案中的专业设备、管路附件等材料的统计，设计师采用Revit的工程量统计功能，与传统人工统计相比，所得数据的准确性和工作效率均显著提高。

图6 利用Revit进行工程量统计

后期CAD出图阶段，设计师按照内部制定的Revit专业构件图层设置规则，使三维模型构件能够按照内部专业图层标准转换成二维图纸图层。

协同——“杂”而有序

图7 利用Revit进行平面出图

设计软件多样化、专业软件深入化、多种软件规范化，Revit、Navisworks、Inventor等软件各取所长、充分挖掘、统一标准、密切协同。

采用Revit工作集的协同设计模式，实现项目内各专业的设计数据同步、共享，在设计过程中可主动地减少甚至消除各专业间的碰撞问题。

绿色为宗旨，各显神通

考虑采光通风要求，厂房侧墙设高低窗、屋顶设采光天窗，开窗数量及位置通过Revit设计定位，将三维模型导入Ecotect、CFdesign和Airpak中分别进行采光及气流组织模拟分析，在不影响车间通风要求的基础上最大限度地利用自然光源。同时，考虑到恒温车间的特点，从建筑保温性能出发，采取经济合理的保温措施，通过Ecotect 进行能耗分析，在不增加预算的前提下择取最优方案，提高能源的利用效率，减少生产运营能耗，实现绿色生产。

图8 Revit工作集的协同设计模式

图9 最大限度地利用自然光源

图10 利用Ecotect对Revit模型进行日照分析

根据广泛的市场调研发现，国内机床行业已建恒温车间均存在机组造型过大，冷热抵消现象普遍的问题。设计师在BIM模型设计数据基础上采用Autodesk Ecotect和Energplus能耗模拟分析软件，对建筑性能进行模拟分析优化，在建模的基础上进行动态负荷技术，取得了较好的节能效果。

图11 Revit MEP生产车间空调及采暖负荷计算

图12 利用Ecotect对Revit模型进行能耗分析

图13 利用Energyplus对恒温车间进行动态负荷计算

该项目对车间温度控制精度、空调控制系统随负荷的联动均有很高要求，传统设计控制策略单一，且未作节能优化，部分尚存在气流组织不理想的问题。对此，设计师在暖通及自控设计过程中，利用多种模拟分析软件，对传统空调设计与分层空调方案进行CFD模拟、对比、分析及优化，选择最优化方案，提高通风效率，提高空调控制系统与生产作业和环境变化的随动性，降低空调运行能耗，采用节能设计方案。

图14 两种送风方案比选

图15 送风方案对比优化

设计师在Revit设计方案基础上，采用TrnSys软件进行模拟优化，结合Matlab仿真出新的算法，提高了空调自控系统的随动性和精确度，实现节能运行。

图16 Trnsys对恒温车间空调系统进行控制模拟

实际应用过程发现Revit与 Ecotect、CFdesign、Radiance、Winair4、Airpak、Energyplus、Design builder、Trnsys、 Canda/A等建筑性能及气流组织模拟分析软件均可良好兼容，利用分析软件对Revit模型进行光环境、热环境、造价、CFD等模拟分析，从厂区规划到建筑材料的选用，从建筑节能环保到暖通方案分析，采用分层空调等技术，实现节能30%，将绿色工厂的理念贯穿整个设计过程。

图17 利用Trnsys对空调风系统重要控制参数温度模拟

用开发寻捷径，省时节力

随着项目的进行，设计师所建族构件越来越多，各专业模型构件的存储管理及构件参数查看逐渐成为制约设计效率提升的瓶颈。

Revit二次开发团队在Revit软件中嵌入自主开发的“三维构件库”系统，充分解决了以上问题，同时有效避免了重复性的构件制作工作，为以后项目设计提供构件积累，大大提高设计效率。

“三维构件库”包含了Revit软件专业族构件和Inventor软件设备构件。

图18 自主开发的“三维构件库”系统

为保障项目施工现场和设计院之间的信息实时沟通，在项目施工现场和设计团队统一部署了自主开发的“三维综合交付系统”、“二维设计成品交付系统”二套软件系统，建立起项目施工现场和设计院之间的信息传递通道，项目的BIM设计模型、二维设计图纸及其他相关资料，能够及时通过网络传递到设计院。

图19 BIM技术在施工阶段的应用

图20 三维综合交付系统

图21 二维图纸交付系统

自主研发的三维、二维设计成品交付系统，方便了与业主、施工方的沟通，将更新的图纸、模型实时推送到施工现场的计算机中，图纸、模型经过加密，相关人员经过业主授权可在线或离线使用，一旦离开施工现场的运行平台，即无法使用，可满足业主的信息安全需要。同时在模型中可与施工方进行可视化交底，提高沟通效率，保证施工配合的顺利进展。

二、关于高端液压支架生产基地的建设

项目介绍

郑州煤矿机械集团有限公司是我国规模最大、技术实力最强的煤矿综采支护装备生产企业，其液压支架的总产能、总产量以及支架工作的阻力、最大支护高度均位于世界第一。

郑煤机高端液压支架生产基地建设项目，规划占地约1100亩，建设投资15亿元。其中一期占地560亩，总建筑面积24万平方米，设计年产各类高端液压支架15000架。

图22 郑州煤矿机械集团有限责任公司高端液压支架生产基地建设项目鸟瞰图

项目建成实施后，郑州煤矿机械集团有限责任公司将更加巩固其在国内煤机行业的领先地位，成为国家高端矿井成套综采设备技术中心，进而形成国际有较强竞争力的高端液压支架研发、设计、生产基地。

BIM作为一种新技术，引领工程建设领域走向更高的层次。BIM技术是基础和必备，应用好BIM才能把设计产品做的更好，从而提升服务品质和客户满意度。

在郑煤机高端液压支架生产基地建设项目中，业内首次将BIM技术、物流仿真分析技术、建筑性能分析技术与设计融合，实现了精益设计，并且将计算机网络、机床联网、RFID、AGV、看板管理及MES系统有效集成，使工厂运营实现数字化、智能化。在打造数字化绿色工厂的同时，将其建设成为制造行业工业化、信息化、智能化三化融合的示范企业。

项目设计组织方式

郑煤机高端液压支架生产基地建设项目设计过程中，以生产工艺技术方案为主，确定各专业的设计。但由于工艺繁琐，交叉点多，传统流程组织设计方案在处理此类问题时存在缺陷。厂区管线纵横交错，重力管道沿程标高难以精确确定，极易发生碰撞，且厂区工程耗时耗资巨大，返工代价难以估量。厂房内移动设备比较多，静态冲突检测方法无法对工艺设备移动线路中的冲突碰撞问题进行检测。生产工艺技术方案如何优化等等诸多问题需要设计团队制定一种合理的项目设计组织方式。

为很好地解决上述问题，在项目中采用BIM技术，使用Autodesk Revit系列软件进行各专业的三维模型创建。通过基于BIM的Revit软件平台建立的三维模型具有区别于传统二维图形的特点。它的信息量更多，数据的传递也更准确、更广泛，当然也可以从中提取传递系统的数据文件，以供其他分析软件使用。

项目内各专业通过共享Revit中心文件，以工作集的形式进行设计，在设计过程中数据实现同步和共享，在设计环境中可以主动地消除各专业间的冲突干涉问题。可见，BIM技术在提升设计效率上发挥着极大的优势。

项目设计及软件应用

1、初设分析

厂区布局以Revit体量模型为载体，采用eM-Plant物流仿真分析，在满足生产工艺流程的前提下，力求管线短捷、能耗最低、方案最优。

工厂环境设计强调以人为本，注重除尘、降噪，借助Airpak和Ecotect对厂房气流组织、污染控制、建筑声光热等性能进行模拟分析及优化，努力营造绿色、节能、舒适的生产环境。

设计思路与成果通过Navisworks直观展现，加深各参与方对布局方案的理解。

图23 厂区布局——体量方案

Revit模型导入到Autodesk Ecotect分析软件对厂区总体布局进行太阳辐射分析，根据模拟分析结果在厂区辐射较大的区域可多种植常绿乔木，在各个季节可以提供遮阳。在辐射相对较小的区域，可种植落叶乔木，既可以在夏季提供荫凉，在冬季也不会对阳光产生较大的遮挡。

Revit模型导入到CFD软件进行风环境分析，可以得到厂区周边区域的风速场，为暖通设计中冷却塔位置的确定、新风口位置的选取以及自然通风的方式提供参考。厂区规划方面，为有污染气体排放车间摆放提供合理化建议。

图24 利用Autodesk Ecotect分析软件对厂区总体布局进行太阳辐射分析

BIM技术的应用可以在设计初期进行此类分析，有助于对厂区更好更合理的规划，同时也使得各种绿色技术手段得以在项目中更加高效、顺畅的实施，对节约资源、降低损耗起着重要作用。

2、工业仿真

在项目设计时采用BIM模型结合工业仿真分析软件对工艺流程和物流进行模拟，通过对设备效率分析、瓶颈分析、生产计划安排等仿真结果的分析，进行工艺流程和厂区物流优化，延伸项目设计的手段，是现有项目设计模式的突破。

图25 BIM模型结合工业仿真分析软件对工艺流程和物流进行模拟

3、工艺布局方案比选及优化

车间工艺设备利用Autodesk Inventor软件设计完成，模型细致且高度仿真。

图26 利用Autodesk Inventor软件设计完成的车间工艺设备模型细致且高度仿真

工艺布局应用Revit设计选项，方便展示各方案布局及技术特点。

图27 工艺布局模型对比

4、建筑和结构设计

按照生产工艺流程及各个厂房的Revit体量和高度，采用Ecotect对建筑设计方案进行日照、热环境、光环境分析，通过分析数据优化设计方案，在厂房建筑设计中采取以水平线条为主配以竖向构件的处理手法，充分体现联合厂房的恢弘气势，并使整体效果充满韵律感。

图28 通过分析数据优化设计的厂房建筑整体效果充满韵律感

2条580 米长的内庭院式参观走廊贯穿1～6号厂房和7～11号厂房，创造舒适宜人的工作环境和人文景观。

图29 厂房内采用内庭院式参观走廊设计

1～12号生产厂房均采用了轻钢门式钢架结构，在设计过程中，使用Revit创建各种钢结构构件族，准确的将二维图纸很难表达的结构部分细节在三维环境中进行直观的表现。并且通过视图双向联动功能，减少设计人员重复性的建模和绘图工作，确保了设计数据的一致性。

5、绿色与低碳

图30 利用Revit创建各种钢结构构件族，准确表达钢结构部分细节

通过Revit MEP软件进行生产车间空调及采暖负荷计算，方便、快捷地为建筑设计师和设备工程师提供设计参考。

图31 通过Revit MEP软件进行生产车间空调及采暖负荷计算

将Revit空间模型数据导入到其他分析软件，对生产车间污染气体的扩散进行模拟分析。分析车间内气流组织分布规律，及时准确地反应设计方案的可行性和可靠性，并根据结果提供合理化建议和意见，完善通风系统设计。

图32 利用Revit空间模型数据，对生产车间污染气体的扩散进行模拟分析

6、管线综合与碰撞检测

运用Revit MEP进行厂区管线综合设计，同时使用Navisworks进行碰撞检测分析，在满足覆土厚度和管道坡度规范的前提下调整方案，在施工前解决所有碰撞，成本和工期得到精确控制。

图33 运用Revit MEP进行厂区管线综合设计

图34 运用Navisworks对厂区管线进行碰撞检测分析

运用Revit MEP和Navisworks软件对公共专业进行静态冲突检测，还可以运用Navisworks仿真动画功能，对车间内吊车的移动线路范围，进行动态干涉冲突检测。

图35 运用Revit MEP和Navisworks软件对公共专业进行静态冲突检测

图36 运用Navisworks仿真动画功能对车间内吊车的移动线路范围进行动态干涉冲突检测

BIM的二次开发

1、构件族库的开发

在Revit软件中嵌入自主开发的“三维构件库”系统，实现了项目各专业模型构件的集中存储和分类管理，以及构件参数查看。

2、BIM技术在施工阶段的开发

在项目施工现场和设计团队统一部署了自主开发的 “三维综合交付系统”、“二维设计成品交付系统” 、“施工现场数据采集系统”三套软件系统，建立起项目施工现场和设计院之间的信息传递通道。项目的BIM设计模型、二维设计图纸及其他相关资料，能够及时通过网络传递到设计院和施工现场相关参与方。

BIM未来展望

BIM技术无疑已成为工程设计企业核心竞争力的要素之一，因为工程设计企业的客户已经不满足于简单获取设计结果，而是更关注设计对工程投资效益的影响和价值。

机械工业第六设计研究院借助诸如浙江中烟杭州卷烟厂、郑州煤矿机械集团有限公司、陕西秦川机械发展股份有限公司绿色恒温车间改造等项目所积累的丰富经验，力求在BIM设计和BIM咨询方面继续提升自身的能力并拓展相关业务，为客户提高更高效、更优质的设计产品和服务。随着机械工业第六设计研究院BIM技术应用范围的不断扩大，更加要搭建好BIM技术平台，实现在设计、施工以及运营维护过程中全面应用BIM解决方案的愿景，努力打造中国机械工业工程设计第一强院。