高铁站房机房设计安装关键技术

侯全记，刘付朝，魏博华，孙敬太，周鹏

（1.中建交通建设集团铁路工程有限公司，北京 100166；2.山东格瑞德集团有限公司，山东 德州 253079；3.山东博冉企业管理咨询有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

随着机房行业贯彻落实《中国制造2025》《绿色制造工程实施指南（2016—2020年）》等指导方针，遵循绿色发展、循环发展、低碳发展的新时代发展要求，进行产业升级转型，装配式机房呈现出爆发式增长态势。装配式机房施工可减少现场施工烟尘、垃圾的产生，保证机房内整洁，符合安全高效、绿色环保的施工要求［1-2］。

1 装配式工艺原理及实施流程

装配式机房即采用BIM技术，充分考虑施工安装、节能环保、运营维护等因素，设计人性化、智能化、绿色节能的高精度机房模型，再出具工业级装配式工艺原理图纸，在预制加工厂进行模块化预制，待具备施工条件后，将模块运输至现场进行装配。模块运送至现场，安装人员根据装配图，结合二维码标识系统，利用管段和螺栓连接起各个模块，就像“搭积木”一样，实现全程无焊作业，完成机房安装［3-4］。具体实施流程见图1。

图1 实施流程

2 装配式操作要点

2.1 CAD图纸会审

基于设计规范及工程经验，对机房系统方案图纸进行初审。校核计算冷却水、冷冻水等系统管道管径、负荷和水泵等设备参数。

2.2 现场勘察

现场实际测量机房各项相关数据，包括实际层高、实际土建结构尺寸、预留洞口实际位置等，以防实际施工与图纸存在较大误差。利用3D激光全站扫描仪对项目现场进行全方位的精确扫描测量（误差为±1 mm），测量的点云数据通过格式转换导入Revit并以其为依据对BIM模型进行修正，以保证模型精度。

2.3 BIM模型设计

机房系统完成二次深化设计后，需对机房进行三维建模，模型精度需达到LOD400，即工厂预制加工精度［5-6］。

2.3.1 模块化设计

通过BIM模块化设计转换成实际装配单元，例如冷水机组半模块化设计和泵组模块化设计（见图2、图3），基于BIM模型的高精度、可视化特点，将水泵、阀部件、管道、支吊架等进行一体化整合设计，形成预制管组装配单元和循环泵组装配单元。

图2 冷水机组半模块化设计

图3 泵组模块化设计

装配单元分组考虑因素为：循环水泵的选型、数量、系统分类等；机房内的综合布置情况；装配单元的运输、吊装就位、安装条件等限制因素。

2.3.2 支架设计

为实现模块化运输、安装，根据各设备外形尺寸，分别设计综合支吊架系统［7］。所有支吊架均经受力计算分析，目前主要采用10#、12#、14#槽钢制作。常见的支架方式见图4。

图4 常见的支架方式

设备及管道安装采用3种支架形式，设备组合安装采用模块框架，多管道安装采用综合支架，另外为便于安装，部分位置采用可拆卸式设计，先对管道吊装，再对支吊架横担进行安装，即采用单管道弯头可拆卸式支架。

支架均在地面预装厚度为10 mm的铁板，支架直接安装于铁板上，可节约工时，便于安装及拆卸。对于承重较大的支架，支架侧面采用角铁进行斜拉固定，以增加支架稳定性。吊架布置时均固定于结构梁，防止固定于顶板出现塌漏事故，增加安全性。另外对横担核算应以荷载最大的中心为对象，其中最大受剪力、最大受轴力、最大受弯矩均应满足要求。

2.4 模型优化

将搭建好的模型和制作的三维漫游视频相结合，并在设计、施工、加工、运输、运维检修等方面进行组织评审，提出评审意见，并对模型进行进一步优化，保证模型精确度，直接指导项目施工。优化原则如下：

（1）符合系统运行原理，对系统设计不足之处进行更改，满足使用功能；

（2）对所有支吊架进行载荷计算，保证施工安全质量；

（3）修改设备、管道的布置，最大化机房空间；

（4）优化阀门设置、管道标高，便于使用、检修；

（5）保证机房实际应用的同时，达到最佳感官效果。

另外制冷换热机房管道繁多复杂，设备布置分散，管段长；管道交叉弯头较多，将会增加沿程阻力，损耗设备。因此在优化管道时，首先进行优化段水力计算，计算方法如下：

式中：d为水管管径，m；L为水流量，m³/h；v为水流速，m/s。

式中：Q为冷热量，kW。

流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生阻力，阻力大小与路程长度成正比的称为沿程阻力（摩擦阻力）ΔPm，即：

当直管段长度I=1 m时，，则：

式中：λ为摩擦阻力系数；I为直管段长度；d为管道直径，m；R为单位长度直管段的摩擦阻力（比摩阻），Pa/m；ρ为水的密度，kg/m3；v为水的流速，m/s。

对于紊流过渡区域的摩擦阻力系数λ，可由经验公式计算得到。当水温为20℃时，冷水管道的摩擦阻力可以从《实用供热空调设计手册》［8］中查询。根据管径、流速，查出管道动压、流量、比摩阻等参数。

计算管道沿程阻力时，室内冷、热负荷是计算管道管径大小的基本依据，计算PAU机组管道管径时，应考虑其提供的仅为新风负荷，室内负荷由风机盘管承担。所以这种空调末端承担负荷应计算精确，以避免负荷重复计算。同时应清楚了解水管系统的接管方式，如同程式、异程式。不同的接管方式对沿程阻力具有不同的影响。在工程计算中，比摩阻宜控制在100～300 Pa/m，通常不应超过400 Pa/m。

2.5 出图和工厂化预制

2.5.1 出图

整体方案确定及模型信息同步完成后，直接利用Revit模型输出整套施工深化图，具体包括：基础布置图、设备布置图、排水沟布置图、机电综合图、机电专业图、装配单元加工图、预制管段加工图、支吊架加工图等。

（1）出图原则。根据机房管线综合布置情况，考虑预制加工成品管段运输、就位、装配等条件限制，在预制加工条件允许的情况下，尽量减少分段，避免由于分段过多造成漏水隐患点的增加。对每个管段进行编号，并出具管段定位图及加工详图。在工厂预制化加工阶段，将生产详图转交工厂，生产预制前进行设计生产交底。

（2）图纸拆分。分系统分构件、考虑吊装及装配操作空间、结合生产与装配工艺对已优化模型进行拆分，一级拆分为若干装配模块，二级拆分装配模块为若干管道构件及阀组构件。

（3）出具预制加工图。出具拆分后管道构件及阀组构件生产加工图纸，图纸包含装配模块整体结构、管道构件系统编号、构件编号及名称索引、构件结构、规格、数量、加工工艺、技术要求等信息。

（4）出具系统装配图纸。根据一级拆分成的装配模块出具包含装配工艺、可吊装位置及装配模块标识等信息的现场装配图纸。

2.5.2 工厂化预制

工厂预制生产前，应充分了解系统的运行原理、压力等级、管道的总体布置和作用，工厂预制加工流程见图5，其中装配构件标识化是对加工完成的装配模块张贴二维码，二维码中显示标注系统类型、装配顺序编号、模型整体尺寸等信息标识，提高模块组装效率，减少现场寻找管件的工时浪费。

图5 工厂预制加工流程

另外，管件在加工预制中的除锈、切割下料、组队、焊接、预装、气压试验等各个工序应做严格要求，其中焊接技术控制见表1。

表1 焊接技术控制

2.6 设备运输及管理

为了避免装配模块及构件在运输过程中的损坏与变形，可利用BIM技术，进行预制装配单元和预制管组的装车运输模拟，合理摆放预制成品构件，研发设计预制成品构件的可拆卸组合式承载框架，充分利用运输车的空间，最大限度提升运输效率及成品保护。

2.7 安装部署

安装前需精细策划所有预制构件的装配顺序、装配方法等，并且在三维模型中进行虚拟建造，确保装配方案的可行性。同时，依托BIM模型，编制装配实施方案，进行装配方案的三维技术交底。以冷水机组设备为例，因其较大、较重，设备安装顺序见图6。

图6 冷水机组设备安装顺序

安装过程中主要的施工措施包括运输措施、吊装措施，具体如下：

（1）运输措施。设备采用滚动法运输，滚送的坡度不大于20°，滚送搭设布置平整、坚实、接头错开。运输时缓慢滚动，同时设置防护牵引绳，在滚送一侧的车体下面用枕木垫实。

（2）吊装措施。①借助模块装配单元主体构架间的组合式支吊架，将机房内的各组模块进行联接，形成稳固的支吊架系统，增加机房整体的安全稳固性；②对于成排或密集预制管组，联合预制支吊架进行地面整体拼装，可采用预制管排整体提升技术，通过组合式支吊架进行螺栓栓接固定；③为提高施工现场的装配效率，可自主研发应用“行车系统”，帮助装配工人搬运小型预制管组或设备管件等，利用机械化作业，可极大提高施工速度；④在“行车系统”施工范围以外的位置，采取在结构梁上安装吊点，利用电动葫芦吊装管路的吊装措施。

3 应用实例

3.1 工程概况

新建北京—张家口铁路ZFSG4标张家口站项目位于河北省张家口市桥东区南站街道，该站为大型旅客车站，建设用地面积114 255 m2，总建筑面积为95 560 m2（地上32 295 m2，地下63 265 m2），最高聚集人数6 000人。站房建筑地上2层，地下1层，主要包括高架候车厅、售票用房、进出站大厅、站房设备用房、旅客服务、管理办公用房及工艺设备用房等。

建筑高度以站台面为准，屋顶最高标高38 m，南广场地面高度-4 m，北广场地面高度-1 m。车站南侧规划有新的经济技术开发区，新建张家口南站作为南北城市的重要连接节点，是经济技术开发区对外联系的重要门户。

3.2 工程应用

为保证绿色、节能、精品工程的建造，新建北京—张家口铁路ZFSG4标张家口站项目采用装配式制冷换热机房。机房内有3台磁悬浮离心式冷水机组（甲供）、3台冷冻泵、3台冷却泵、3台热水循环泵、2台板式换热器、2台分集水器、1套自动隔离软化真空雾化排气定压补水机组、1套全自动智能控制加药装置、1套能量计量装置，共计19台（套）设备及153套阀门部件安装，涉及800多处焊缝制作。装配式施工预制加工周期15 d，现场安装配置管理人员4人，技术工人24人，正式开始时间为2019年8月23日，完成时间为2019年8月25日，实际安装时间30 h，保温试压时间为10 d。目前该工程装配式机房安装已全部施工完毕，机房现场安装效果见图7—图9，较传统施工方式取得了良好效果。其中人工费节省约30%，高空作业施工安全隐患减少90%，现场焊接作业减少100%，装配效率提升90%。

图7 设备安装效果

图8 装配式模块安装效果

图9 装配式管道安装效果

4 结论

通过BIM采用更高程度的数字化及信息整合技术对包括设计、招投标、施工和运维在内的建筑全产业链进行优化，并实现全信息传递。

相比传统式机房施工，装配式机房大大缩短现场施工周期，将大量的现场切割、焊接工序移至工厂内，采用先进的相贯线切割机、自动焊接机等设备进行预制加工，一方面缩短整体工期，另一方面也利用工厂日工资低于现场工人日工资的优势，降低了施工成本。虽然一定程度增加了运输成本，但整体成本下降，同时提升了焊接装配质量。