BIM技术在复杂能源站房中的应用

张 阳 马金星 张小刚 冯思舟 浮尔立 程 剑

(1.中国电子系统工程第二建设有限公司,无锡 214000；2.中国建筑西北设计研究院有限公司,西安 710016；3.西安建科软件科技有限公司,西安 710016)

引言

BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling)是近年来被广泛应用于工程建设领域的重要技术，对于优化设计方案、施工指导过程、提高运营效率有重要意义。我国在轨道交通工程、商业建筑、工业建筑等领域已全方位对其展开应用。《住房和城乡建设部工程质量安全监管司2020年工作要点》中指出，要大力推动绿色建造发展，推动BIM技术在工程建设全过程的集成应用，开展建筑业信息化发展纲要和建筑机器人发展研究工作，提升建筑业信息化水平[1]。

当下，BIM的应用从建模、翻模阶段转向方案比选、功能优化以及建筑数字化应用阶段。为凸显BIM的多角度应用，本文以2020年陕西省BIM大赛参赛作品为例，就BIM技术针对复杂工程应用多样性作探讨，为今后的应用及发展提供新的见解与思路。

1 项目基本信息

本次赛会所给题目为“某地机场能源动力站房深化设计”，要求在原有土建条件不变、确保原有站房功能可实现的前提下，完成后续工作。

本站房为三层建筑，其中地上两层，总层高为20m，地下为一层，高7m。各层功能及主要建筑面积如下：一层为动力站区域，面积2 053m2(图1～图2)； 二层水处理间，面积265m2； 地下一层蓄冰槽区域面积为498m2。

图1 一层动力站平面图

本项目涵盖供热和供冷两部分动力系统，涉及到的冷热源类型较多且工况繁多，工程量较大。经统计，机房中的冷热源形式及各种工况共7种。其中，供热系统包含市政集中换热、地热水直接换热、地热尾水+热泵梯级利用的供热系统； 供冷系统包含蓄冰、融冰供冷、冷机供冷等5种工况。

2 实施计划

2.1 组织计划

目前，用于三维建模的主要软件平台包括：Revit、Bently、Magicad等。结合项目机电系统复杂的难点，同时竞赛时间较短，经过综合比选，确定采用Rebro作为本次三维设计的平台软件，其主要优势在于：

(1)友好的操作界面，便于设计人员在短时间内完成复杂精细的工作；

(2)较低的学习成本，软件自带的设备、管线、阀门模块能完整体现设备本身的特点，并能准确快速定位到机电及管路系统中去，不需要借助于第三方插件。

基于此，应用Rebro软件实现对本站房建筑机电工程的三维深化设计，完成机电建模、碰撞检查、管线综合、工程量统计的工作，为后续深化施工图、设备及零件预制加工、动画漫游、可视化交底等机电全过程应用，以达到指导机电施工、配合装修开展工作的目的，并使得机电系统功能性、空间应用合理性以及运行效果的优良兼备。[2]

2.2 人员安排与分工计划

参赛团队共10人，其中方案设计师5人，BIM工程师5人。如图2，前期，由方案设计师制订站房基础设计方案，BIM工程师完成各设备初始模块、管线类别设定； 后期，配合完成最终成果交付。

图2 分工计划

3 BIM设计过程

3.1 设计原则

方案设计与建模的原则是希望过通BIM工具实现：

(1)对建筑空间(面积、净高或层高)的合理使用；

(2)设备布置与管道敷设整洁、美观；

(3)设备与管道施工和运营维护方便合理；

(4)最大程度节约土建、机电物料及施工成本；

(5)尽可能多的应用新技术。

3.2 重点与难点

根据所提供的能源站房系统图，设计过程中需重点考虑以下几个问题：

(1)本项目采用双工况制冷机组(1800RT/台)，与循环水泵采用一一对应(先串后并)的连接方式。机组间相互独立，因此，需合理规划利用机房空间，避免接管复杂破坏现有的水利特性。

(2)冷冻水供水采用二级泵变流量系统。

(3)系统管道尺寸较大(DN800)，需在现有条件下优化管线排布。

(4)水泵为卧式双吸泵，体积较大(2800×1400/台)且双侧接管，采用集成化泵组并不具优势。。

(5)本系统涉及多个冷源、多种运行模式，设计方案需满足工况切换的便捷性。

3.3 方案设计与比选：

根据设计原则及重点难点的剖析，提出A、B两种方案(设计平面图如图3及图4)进行对比分析。

图3 设计方案A设备布置平面图

(1)设计方案A—“母管制”系统机房

本设计方案可实现制冷机组、水泵、换热机组等分区域布置，机组检修空间充足，同时机房内各设备整齐美观，便于模块化施工。

机组布置效果较好的情况下，本方案在管线布置上存在较多缺陷。首先，冷却水立管、冷却水泵、制冷机组之间距离太远，因此管径较大的管道在机房内布置交叉严重，变工况机组接管亦存在这种情况。其次，制冷机组在未靠近变配电箱布置时，需耗费较多电缆。最后，水箱、水处理装置布置于二层，结构荷载大，日常加药不便。

(2)设计方案B—大型能源站

本方案采用大型工业厂房综合动力站房常用的冷机与水泵一一对应的连接方式。这种方案在空间利用与检修、管道布置顺畅、节约管材等方面均具优势。

图4 设计方案B设备布置平面图

首先，本方案管道短直、弯头少、阻力低，各阀门也便于维护调试。机房内主要管道均在统一标高内敷设，房间净高利用优势明显； 其次，水泵集中布置，便于管理，也可避免水管交错； 最后，冷却水立管、冷却水泵靠近制冷机，可减少大管径水管使用，达到“节材”的目的。

相较于方案A，本方案水泵错位布置，整齐性、美观度略逊。

综上所述，方案B在提高站房能效水平，节省初投资成本和运行成本、管线排布等方面优势明显。

3.4 BIM优化设计成果

根据设计方案开展设计，经过设计优化后，达到了设备布置模块化、建筑净高、空间利用充分合理化、系统运行高效、节材的预期，主要如下：

(1)独立的功能单元

双工况冷机+冷冻水泵+乙二醇循环泵+冷却水泵作为统一整体(图5)，从而形成“独立的功能单元”，便于系统运行控制、运营、维护管理。

(2)建筑层高应用合理化

设计中主要管道均在同一标高(图6)，从而增加了机房内有效净空高度，可减少1m的建筑层高，因此降低了土建造价成本。

图5 双工况冷机+冷冻水泵+乙二醇循环泵+冷却水泵形成的“独立功能单元”

图6 动力站管线布置剖面图

(3)机房空间利用合理化

设计结果在满足功能要求的前提下，节约有效面积共计712m2，占总面积的比例为31%。

优化后，一层形成独立完整且靠外的灵活区域(446m2)，为后期机房扩建提供便利。同时，在现有的设备布置空间内，也可保证充足的检修、运输通道。

二层原水处理间内的设备较重，且经常需要加药、检修。现将其移至一层站房，这样，既有效减少了二层结构荷载，又方便管理人员加药、检修。节约的空间(266m2)可用作管理用房。

(4)节约电缆桥架用量

根据原站房用电负荷分布情况，对设备、管线、桥架进行排布，如图7所示，高压用电设备与变电所距离较远，所需电缆桥架较长，成本较高。

图7 原电缆桥架设计方案

经优化设计后，主要用电设备与变配电室距离较近，从而缩短了电缆桥架的敷设长度(图8)。经计算，相较于原方案，节约成本39%，如表1所示。

图8 优化后电缆桥架设计方案

表1 桥架优化比统计表

(5)节约冷却水系统管材

在设备位置及接管确定的情况下，根据规范[3-7]确定的依据及原则，对站房内大型管道管径进行水利计算校核。

表2 冷却水水力计算结果

表3 冷冻水水力计算结果

由计算结果(如表2～3所示)，原冷却循环水管管径偏大，流速偏小，低于规范要求的限值。但考虑到二次侧冷冻水输送距离长，须控制其比摩阻不大于60Pa/m，故维持二次侧冷冻水原管径不变(DN800)。

根据流速限值及水利计算结果重新选择管径(表4)，对比原有尺寸，冷却水管道尺寸普遍减小一号，如此可有效降低初投资。

表4 冷却水管道优化情况统计表

(6)“T型”减震基础的应用

为保证水泵列间有充足的通行空间，将水泵两端的软接移至立管，接管弯头一并固定在减震基础上(图9)，保证减震效果的同时缩短接管了长度。

图9 T型水泵减震基础

(7)辅助综合支吊架设计

通过BIM建模，在对各管线精确定位的同时，还可通过管道应力计算确定荷载。这样，便可在土建施工阶段提供准确的管架预埋钢板及牛腿的位置、尺寸、荷载信息等(图10)，从而使结构梁柱钢筋与支吊架形成整体，达到辅助综合支吊架设计的目的。

图10 支吊架及管道预埋件布置图

3.5 关于设备/模块集成应用的探讨

除了上述设计成果外，还可应用BIM工具创建模块化机组，其设备尺寸、功能性都与实际情况高度贴合，并且便于单独招标。这样，可有效提供现场施工效率及机电设备安装精度[8]。本项目大型机组采用装配式分段模块，从而避免为追求装配式设备占比，全部采用装配式集成模块影响安装可行性。本次设计共选用3组装配式模块(图11)，整合后对于施工安装指导意义较为突出。

图11 板式(钛板)换热机组(地热水梯级应用)模型

3.6 BIM优化模型功能校验

如前所述，经过BIM工具优化设计后，节材和机房空间利用率高的目的均已达到。但本站房内涉及的工况较多，冷源种类复杂，在达到上述目的的前提下，保证各工况得以实施才是关键，因此在设计结束后，针对站房功能进行校验。图12-18为站房在不同工况下传热介质流向。由此可见，站房内的各种工况均能够正常高效运转。

图12 工况模式1：蓄冰模式

图13 工况模式2：基载+空调+融冰(常规供冷模式)

图14 工况模式3：基载+融冰(基载融冰供冷模式)

图15 工况模式4：基载(基载供冷模式)

图16 工况模式5：融冰(融冰供冷模式)

图17 工况模式7：供热模式(航食+南工作区)

图18 可视化交底

4 出图与应用

表5 管材数量对比

利用Rebro软件自带功能，可导出符合国家标准[9-11]的施工图，从而实现方案设计、施工图设计与深化设计相统一。除此之外，可生成装配式配件下料图，可精准指导方案落实。

此外，软件还可以详细、准确地统计工程量，从而提供详尽的概算资料。如表5所示，经对比分析，本次优化设计相对于原有方案，累积节约管材20%～35%。

5 结论与展望

本文通过介绍2020年陕西省BIM大赛作品的设计思路、设计方案以及设计成果，展现了BIM技术在复杂能源站房设计项目中应用的突出优势。经过设计优化后：

(1)各专业管线及桥架合理顺畅，供冷、供热以及供电系统运行高效；

(2)空间利用率高。无论是在高度上还是在长度上，优化后的站房既保证了充足的设备安装及检修空间，又给扩建改造以及土建施工带来了诸多便利；

(3)节约初投资。土建及机电管材用料均有不同程度的节省，避免了施工现场不必要浪费的产生。

(4)辅助施工效果明显。较为准确地统计施工算量，设备招标工作省时省力； 辅助土建专业完成计算荷载支吊架点位确定以及预留孔洞核对的工作； 生成的模块化设备与实际贴合，提高施工安装效率。

综上所述，能源站作为建筑群的动力中枢，其工况复杂、建设承包商众多，经BIM技术对其进行整合优化后各方面效果优良。BIM技术的应用，不仅充分响应国家的号召，对于项目本身来说也是“一本万利”。可以预见，未来BIM技术不单限于建模、翻模状态，其发展应与复杂项目工程设计施工方案深度结合，实现以BIM为核心工具的设计、施工、预制采购一体化，最大程度地辅助施工，呈现优秀的设计方案达到最大限度的还原。