城市轨道交通机电设备安装工程“四新”技术应用浅析

2018-03-05张文涛

机电信息 2018年6期

张文涛

（中铁十四局集团电气化工程有限公司，山东济南250000）

0 引言

随着我国城市发展步伐加快，城市规模不断扩大，人口不断增多，道路拥堵、交通事故频发等城市交通问题不断涌现，城市道路交通资源不足与人们日常出行需求的矛盾日益凸显。地铁作为解决城市交通问题、建设可持续发展城市的有效手段，已在我国进入一个空前发展的时期。2011—2020年，城市轨道交通新增运营里程将达到6 560 km；预计到2020年，我国城市轨道交通累计运营里程将达到7 395 km。在可预见的未来10年甚至20年内，城市轨道交通将始终处于高速发展时期，而地铁载客量大的特点，使其在高速发展的城市轨道交通建设中成为解决城市交通问题的首选方案。机电设备安装工程作为地铁项目的重要组成部分，相应技术要求及工艺质量提高得也较为明显。

本文结合深圳国际会展中心配套市政项目机电安装工程，重点对近些年城市轨道交通机电设备安装工程中双面彩钢复合风管、给水不锈钢管、蒸发冷凝直膨技术、集成冷站系统、抗震支吊架技术、建筑信息模型（BIM）技术等“四新”技术的研究和应用情况进行了介绍，目的在于不断提高城市轨道交通机电设备安装工程施工技术水平。

1 双面彩钢复合风管的应用

由于通风空调系统的风管制作、安装施工与现场结合紧密，长期以来这项任务都是由工程施工单位完成。但受巨大市场的吸引，许多厂家研发了各种新材料风管希望涉足此行业。近年来，市场上出现了种类繁多的复合材料风管，部分风管由于其突出特点，也在通风空调工程中得到了一定的推广。深圳国际会展中心配套市政项目空调系统风管均采用的双面彩钢复合风管，如图1所示，工厂化加工成品，现场拼装即可，克服了镀锌钢板及单面彩钢复合风管的一些缺陷，使用效果得到了一致肯定。

双面彩钢复合风管具体优势如下：

（1）采用工厂统一生产，减少了施工现场噪声、废料等污染，减少了现场的交叉施工，改善了施工环境，提高了施工效率；

（2）较传统钢制风管重量轻，利用C型插条进行连接，安装比传统风管方便快捷；

（3）与镀锌钢板风管相比，省去了保温环节，高效、美观、可靠；

图1 双面彩钢风管现场应用图

（4）较镀锌钢板风管更耐腐蚀，而且强度大，使用寿命更长；

（5）相比单面彩钢复合风管强度大，内层防护紧密，能防止保温夹层的破坏；

（6）内层彩钢板为纳米抗菌板，通过纳米抗菌技术保证空调系统风管长期使用的洁净度。

2 给水304不锈钢管双卡压连接技术的应用

由于人们越来越重视水质问题，对其要求也不断提高。不锈钢管更具优越性，特别是在优质饮用水系统、热水系统及将安全、卫生放在首位的给水系统中，其具有安全可靠、卫生环保、经济适用等特点。而卡压式连接工艺也凭借其无污染、简捷、方便、安全的优点成为不锈钢连接的主要方法之一，如图2所示。

图2 卡压式连接工艺原理

采用不锈钢卡压式管件、专用卡压工具、画线器等对不锈钢管进行连接，可达到无渗漏的效果。该施工技术具有施工工艺简单、安装方便、施工工期短、无污染、安全、使用寿命长、节省人工费用且质量易于保证的特点。

3 蒸发冷凝直膨技术的应用

用蒸发冷凝器模块（采用蒸发冷凝技术）替代传统冷却塔对空调水系统进行散热，克服在地面设置冷却塔带来的不良影响。直膨蒸发空气处理设备（利用直膨技术）代替传统空气处理设备，冷媒直接进入空调末端进行热交换，节能效果良好，可以有效提高制冷系统综合能效。

3.1 蒸发冷凝技术介绍

从传热学原理上来说，蒸发冷凝是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量的一种冷凝方式。用于冷凝空气的蒸发冷凝有两种基本形式，即直接蒸发冷凝和间接蒸发冷凝。直接蒸发冷凝是空气与雾化的水直接接触，进行热湿交换蒸发吸热的冷凝方式，近似于等焓降温的空气处理过程；间接蒸发冷凝则是水蒸发的冷量通过传热壁面传给被冷凝的空气，为等湿降温的处理过程。目前应用较多的则是将直接蒸发冷凝与间接蒸发冷凝相结合的二级或三级蒸发冷凝系统。

3.2 以蒸发冷凝技术为核心的地铁站通风空调系统的主要优点

3.2.1 采用无塔冷却技术，取消了地面冷却塔

（1）解决了冷却塔征地难、布置难、安装难问题；

（2）解决了冷却塔影响人居环境，引发居民投诉及社会不和谐问题；

（3）解决了冷却塔影响城市规划、破坏城市景观的问题。

3.2.2 降低空调系统能耗，降低运行费用

（1）采用高效的蒸发式冷凝换热技术；

（2）采用先进的自控技术；

（3）采用利用排风道排风机节能技术。

3.2.3 减少车站建设规模，降低建设投资

空调系统模块化分布于新、排风道里，无需冷冻主机房，大幅削减了制冷机房面积，进而减少了投资，如图3所示。

图3 风道嵌装型蒸发冷凝直膨系统

4 集成冷站系统的应用

集成冷站系统将空调水系统的设备、管路和控制进行集成，运用BIM对冷冻机房空调水系统进行深化设计、优化管路和设备布置，整套制冷水系统工厂预制、现场拼装，标准化、模块化，同时将节能控制系统纳入系统集成，通过节能控制系统把各耗能设备关联起来，形成一个整体，协同工作，进行全面节能优化；通过对系统数据的建模仿真计算，提前预测下一时间段负荷需求，进行主动前馈控制，实现节能运行，将较大幅度提高系统综合能效。

系统组成如图4所示，其优势如下：

（1）通过系统设计，实现了设备的最优选型匹配和系统的最佳工作性能。

（2）通过模块集成，采用二次深化设计和三维仿真设计，实现了现有结构的最优布局，实现模块化运输，并方便后期的维护。

（3）通过结构优化设计和工厂预制，节省了占地面积和部分材料费用。

（4）通过工厂预制，采用科学的工艺方法，利用产品技能工人，保证了产品整体质量；同时避免了工程现场的交叉施工，缩短了建设周期。

图4 集成冷站系统组成

5 抗震支吊架技术的应用

自GB 50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》实施以来，关于抗震支吊架在地铁以及其他地下工程（如地下管廊）中应用的必要性一直存在争议。争议的焦点主要有两方面，一是地下工程受地震影响没有地面建筑大，二是地铁工程以及地下管廊工程不同于一般建筑。对于以上两点问题，需要认真梳理规范才能得到正确的结论。

关于第一点，地下工程的地震影响相对地面工程确实要小，但地下工程尤其是地铁项目人员密集、环境相对密闭，一旦发生故障引发次生灾害，其后果比地面工程更为严重，所以机电抗震作为以安全为核心的民生技术，对于地铁项目尤为重要。关于第二点，地下建筑与一般建筑确实存在差异，但就规范的适用范围来讲，建筑结构采用GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》进行抗震设计，而同时此规范对机电系统的抗震也有明确要求。

通过以上两点论述可知，抗震支吊架在地铁工程中的应用是必需的。因此，深圳国际会展中心配套市政项目在全线车站应用了抗震支吊架，以满足GB 50981—2014《建筑机电工程抗震设计规范》中强条的要求，其优势如下：

（1）针对机电管道采用抗震支吊架对其进行保护，承受任意水平方向的地震作用；

（2）抗震支吊架具有足够的刚度与强度，与结构有可靠的连接与锚固，各部件能承受管道产生的地震作用并将其传递给结构；

（3）组成抗震支吊架的所有构件均为成品构件，连接紧固，便于安装；

（4）抗震支吊架根据安装方向分为侧向支撑（X向）和纵向支撑（Y向）。

机电抗震支吊架结合结构抗震做到了有效保护机电系统在遭遇地震影响后不会被损毁，可减轻地震破坏，防止次生灾害，减少经济损失，其经济效益显著。建筑因地震造成的机电损毁可导致大量人员伤亡，尤其是人员密集区域的建筑，而新设计、施工与工艺的应用除了经济效益显著外，也能切实保护人民生命安全，因此，其社会效益更大于经济效益。

6 建筑信息模型（BIM）技术的应用

地铁车站安装工程工程量巨大、影响因素多、工程组织协调工作繁重、技术难度高，BIM技术在工程施工中的应用有利于安装工程施工单位优化施工方案，控制施工进度，控制工程成本，提高管理水平，有利于工程开展精细化施工。目前，机电安装施工利用BIM技术可进行的应用如下：

6.1 机电管线综合与可视化设计

根据二维CAD图纸，分别创建项目建筑结构、机电及装饰模型，将各专业模型进行汇总，合成项目综合模型，按管线综合布线原则对模型进行综合排布，在满足专业功能前提下合理排布各管线路由，得到合理的三维模型，生成不同关键位置三维、轴侧、平面视图，利用Revit MEP软件作为综合管线排布的工具，有效绘制精细管线排布模型，达到“所见即所得”效果。

将各专业图纸中的图元，根据实际施工情况，全部进行建模，模型中的尺寸、颜色等全部根据实际情况进行设定，相当于各类建筑构件、设备、管线在计算机中进行预装配，直观展示建筑的宏观视觉效果以及各细部节点。配合使用Navisworks软件进行漫游及碰撞检测，实现综合管线将出现的各类缺、错、漏、碰问题全部提前发现，以便进行处理和预防，从而保证施工质量，减少返工。

6.2 设备房深化设计

设备房深化设计，通常是设计单位、总包单位、施工单位三不管的状态，设备房安装时，由施工单位安排施工人员现场设计，边设计边施工。由于没有成型的设计来指导施工，设备房在安装前，各方只有一个雏形，设备房安装完毕后的效果与要求相差甚远，易带来大量的返工，管道返弯过多，导致系统阻力增加，系统功能将打折扣，而且还将出现材料及工期延误等诸多问题。

利用BIM建模将设备房的系统原理、平面图设计、设备外观、房间装饰等信息全部综合通过三维模型直观反映，并模拟设备安装，对设计和施工预先进行校核，有效避免了错误和返工。在结构施工前对套管、预埋件进行精确定位，避免了后期结构板面开凿；在结构施工时提前预留设备安装路线，避免了墙体拆除工作；施工前对材料、配件进行精确计算，避免了材料浪费；通过出具细部节点详图，直观展现各零件装配，极大地降低了对工人施工经验的依赖；最重要的是，通过碰撞检测后对管路的优化，避免了大量的返工，大幅缩短了设备房安装工期，保证了施工质量。

6.3 碰撞检查与方案优化

模型经过初步管线综合后，利用Revit或Navisworks软件进行碰撞检査，生成碰撞报告。发现初步排布中遗漏的碰撞点进行优化。

6.4 综合支吊架设计

在经过管线布置及碰撞检查后得到的机电综合施工模型基础上，通过BIM设计软件完成综合支架的形式设计、平面设计等，用Midas Gen软件计算分析支吊架的变形、弯矩、轴力及应力的分布情况，把原本各专业管线单独设置的支吊架综合成一个大的支吊架。

6.5 3D激光定位技术

采用Autodesk公司BIM360云平台、BIM360 Layout软件，智能型全站仪LN-100，苹果iPad平板电脑组成基于云平台的BIM激光测量定位系统，使用此系统进行施工放样、测量验收。

采用Autodesk Point Layout用于Autodesk AutoCAD、Autodesk Navisworks或Autodesk Revit的插件对施工模型进行定位点处理，然后将包含现场定位点的模型上传BIM360 Glue云端，iPad上的BIM 360 Layout软件通过网络与BIM360 Glue云端同步，将包含定位点的模型下载到iPad上。

将智能型全站仪LN-100和iPad带到施工现场，iPad与Topcon LN-100 3D激光定位仪的WiFi直接连接，棱镜的现实位置将会显示在iPad端BIM360 Layout应用程序中3D模型的虚拟位置，棱镜在现实中移动，3D模型中的虚拟棱镜也会移动，实现施工真实现场空间坐标与3D模型空间坐标的整合。

6.6 基于云平台的现场管理

采用Autodesk公司BIM360云平台、BIM360 Field软件，苹果iPad平板电脑组成基于云平台的BIM现场管控系统，使用此系统进行现场质量、安全、文档等管理工作。

通过该系统，可以将建设单位、监理单位、施工单位、供货单位、集成服务单位等使用该平台的用户联系到一起，随时随地沟通。

（1）云端现场资料库系统：将施工规范、图集、图纸等工程资料上传到360云平台，管理人员利用手中iPad即可同步相关资料，可在施工现场随时查看，方便快捷。

（2）通过照片或文档记录现场的问题。

（3）工地巡视及对图纸添加问题标记。

（4）工作追踪及批注。

综合来讲，由于建设周期长，为了经济效益而加快出图进度，易导致设计时各专业间的合作没有保障，各类缺、错、漏、碰的问题也就更加明显，加上行业内技术的革新，设备、材料、安装技术日趋多样化，现场施工与最初的图纸设计偏离度逐步加大。采用BIM技术，可以减少设计方案的错漏问题，通过激光定位技术，可以减少施工偏差，从而保证施工质量与效率。

开展深化设计，利用BIM模型，根据施工安装需求进行细化、完善，可指导建筑物构件的生产以及现场施工安装；利用模型进行三维技术交底，可为施工作业提供技术支持，直观展示施工工序；进行建筑、结构、设备等各专业以及管线在施工阶段综合的碰撞检测、分析和模拟，可消除冲突，减少返工；精确高效计算工程量，进而辅助工程预算的编制，并在施工过程中，对工程动态成本进行实时、精确的分析和计算，可提高对项目成本和工程造价的管理能力。