BIM设计平台下的暖通空调系统工程结构体集成化设计方法

文｜民航机场规划设计研究总院有限公司东北分公司 张为

近几年，BIM 设计在暖通、建筑等领域得到了广泛运用，业内研究的重心也逐渐转向能耗模拟、BIM 建模和自动设计。考虑到BIM 平台要求对设计进行参数化处理，在获得项目图形后，设计人员需要处理大量参数，工作量及工作强度有目共睹，本文便以此为切入点，首先对BIM 设计所存在不足进行分析，并指出要想使BIM 在智能化、参数化等方面所具有优势得到充分发挥，关键是要变更设计方法，确保设计人员可将重心放在优化方案上。鉴于此，本文选择以BIM 平台为依托，对符合暖通空调特点与项目诉求的集成设计法进行说明，供相关人员参考。

1.研究背景

暖通空调设计内容相对繁琐，主要涉及计算负荷与风量、确定方案和选择设备等方面，虽然运用CAD 进行项目设计，可获得规范且标准的图纸，但由于CAD 强调用专业符号、图例描述水泵及相关部件，因此，没有经过系统培训的非专业人员往往无法快速理解图纸内容[1]。

作为以CAD 设计为基础所衍生出的设计形式，BIM 设计保留了逐项拼接的图纸绘制方法，此外，还引入了正向设计、翻模等概念，虽然能够对各专业所提供设计成果进行集成，但在智能化、参数化等方面的表现并不理想[2]。运用BIM 建立水泵模型的步骤如下：第一步，确定水泵的型号与参数，绘制设备。第二步，确定附件的类型、参数及高度，绘制相应部件。第三步，确定管道材质、种类等参数，根据连接方法绘制相应图形。第四步，酌情添加管道标高或其他后续工作所需标注。由此可见，现有设计方法与BIM 平台的适配度较低，难以使BIM 在智能化、参数化还有集成化方面的优势得到充分发挥，要想扭转这一局面，关键是要以BIM 为落脚点，结合其特点开发全新设计方法，以BIM 独有的API 为依托，优化或升级现有设计软件，达到自动设计、智能设计的最终目的。下文将以某冷水机房为例，对暖通空调结构体所采取集成化设计方法进行说明，该冷水机房由冷水机组、冷却水泵、分/集水器和冷水泵共同组成，如图1所示。

图1 冷水机房示意图

2.暖通空调模块和结构体的介绍

作为公共建筑首选空调系统，集中空调往往需要从冷却塔、水冷机组处获取运行所需冷源，再通过新风机组、全空气空调和风机盘管等设备达到调节温度的效果。其水系统可被拆分成五个部分，分别是接管/末端设备/输配系统/热源/冷源，其中，末端设备可被细分为新风机组、空调和风机盘管，输配系统以分水/集水器、冷/热水泵为主，热源通常是市政热网，冷源则是指冷却塔、冷水机组。如果将连接设备的管线及其附件视为一个模块，则可将上述系统视为由模块构成的系统，构成模块主要包括冷却塔模块、机组模块等。

在过去的数十年间，国内建筑领域已积累了极为丰富的经验，结合实践经验所编写标准图集的内容也已趋于完善。现阶段，社会各界已就暖通空调模块构成达成共识，各模块所涉及部件、设备和接管均已明确，这也为建立标准化模块奠定了良好基础。标准化过程是指以项目需求、厂家要求和现有标准图集为依据，对各单元内外构件所具有结构及连接关系加以统一，从而使相关构件成为一个整体的过程[3]。基于标准化过程所得出的、符合重复调用条件且功能相对单一的基本单元，通常可被视为标准化模块（下文统称为“工程结构体”）。

本文将设备数量作为划分标准模块的根本依据，如果模块内核心设备的数量为1个，则应将该设备所连接管路附件划入该模块边界。暖通空调往往会在连接各设备的管路上增设两通阀、调节阀，同时在阀门前安装相应附件，因此，在划分模块边界时，应将两通阀、调节阀纳入考虑范围。如果模块内存在数个核心设备，且各设备的关系为并联，则需要将并联管道划入模块范围。

3.建立结构体的方法与注意事项

3.1 建立原则

在建立结构体时，相关人员应严格遵循以下原则：其一，结构体能够准确描述信息模型、图形模型相关内容，具有完整性。其二，结构体功能和需求高度一致，可使不同需求对结构体功能所提出要求得到充分满足。其三，信息模型、图形模型与实体情况相符。其四，以符合建立要求为前提，尽量避免过多约束结构体。其五，无论是结构体分类、命名，还是所建立模型均符合标准要求。

3.2 建立方法

作为按照施工顺序对各类工程构件进行集成所得集合，工程结构体往往包含信息及图形模型，二者间存在着极为紧密的联系。下文将结合Revit 对建立暖通空调结构体的方法进行说明：该结构体所涉及各构件的关系均为嵌套关系（如图2所示），核心设备指的是水泵、冷水机组及其他机械设备，而接管指的是核心设备所连接附件管道，其中，接管是结构体的一级嵌套，附件是接管的一级嵌套、结构体的二级嵌套。相关人员以上述嵌套关系为依据，按照标准流程对结构体进行了建立。需要注意的是，建模期间往往会形成一定量的辅助信息，但此类信息并不具有物理意义，而是通过关联构件形体的方式，确保其几何性能能够随着参数变化发生更改。

图2 项目嵌套关系

3.2.1 信息模型

作为结构体的“灵魂”，对信息模型进行标准化处理，既能够保证使用效率达到预期，又可以为后续计算和分析等工作的开展提供参考。在建立相关模型时，需要重点考虑三方面内容，首先是以参数内涵和功能为依据，对其类别进行划分，本项目所涉及参数主要包括五类，分别是可见性，属性参数，几何参数，辅助参数，标识参数（表1）。

表1 参数类别与名称

其次是对参数进行命名时，应考虑使用者诉求，在保证命名与实际相符的前提下，优先选择易于理解的参数名称，例如，垂直长度、安装高度等。最后是定义接口，在本项目中，标准化接口具有极为重要的作用，例如，标准化接口可使模型系统类型更加规范，为后续的计算提供参考，确保自动设计的设想成为现实。

3.2.2 图形模型

作为展示设计成果的载体，对图形模型做标准化处理的目的，主要体现在三个方面：其一，降低日常使用难度；其二，确保模型标准且规范，使其使用率达到预期；其三，在保证出图质量的前提下，对出图速度进行提高。在建立图形模型前，先要对创建标准加以了解。图形模型多以族样板标高作为工作平面，考虑到参照标高会给结构图偏移量产生直接影响，为确保偏移量得到如实反映，相关人员应保证图形底边、族样板标高处于相同平面。在将结构体插入项目文件时，使用者所拖动基准点又被称作插入点，对其定义加以明确，可使设计行为更加规范，一般情况下，若设备存在对称关系，应将参照标高、对称点相交处设为插入点，如果设备不存在对称关系，则应将参照标高、左端面相交处设为插入点。除此之外，对可见性进行设置同样十分重要，本项目所使用Revit 可提供三种不同的视图深度，分别是粗略/中等/详细，使用者可通过可见性对不同深度视图所显示图形加以控制，粗略/中等视图所显示内容以图例为主，详细视图所显示内容多为实体。

3.3 注意事项

3.3.1 建立结构体

在建立工程结构体时，有以下几方面内容需要引起重视：首先，保证建模标高和模型标高一致、结构体和其他构件所使用标高体系相同。其次，确保模型完整且嵌套准确。最后，几何形体与辅助信息相关联的情况下，应避免信息形成闭环关联。闭环关联的定义如下：其一，平面闭环关联。建立几何模型时，通常需要先锁定模型、对应平面，再锁定模型参数、对应平面，如果任一参照平面均存在关联参数并进行了锁定，便会形成闭环关联。其二，公式闭环关联。假设存在参数a/b/c，先在a 中输入b=a-c，再在b 中输入a=b+c，便可获得闭环关联。

3.3.2 审核结构体

不同场景所适用信息、几何模型往往存在一定区别，因此，在审核及评价结构体时，通常需要考虑三方面内容：一是嵌套的关系是否准确；二是信息、图形模型是否准确，还有内容是否完整；三是图形模式能否随着信息的更改而发生相应变化，以及是否会出现构件分离或是错位的问题。

4.关于集成化设计的说明及成果

4.1 设计要点

研究表明，暖通空调系统可被拆分成结构体、连接管线两部分，提前对可自动调节参数的结构体进行建立，将结构体保存在数据库内，并在实际施工中，通过插件等方式对其加以应用，可促使设计人员将重心放在绘制管线上，工作难度随之降低。

本文所讨论集成设计方法，强调将结构体作为基本单元，在对管路、设备相关参数进行准确计算并选型的前提下，建立起相应的图形与信息模型。集成设计的内涵可被概括如下：其一，对图形模型进行集成，为日后设计工作的开展提供便利；其二，集成信息模型，为BIM 技术提供所需信息，确保统计工程量等工作可得到有序开展。

4.2 设计成果

以某冷水机房项目为例，对该设计方法的优势和效果进行说明。常规BIM 法需要设计人员依次添加管路阀门、压力表和温度计等附件，集成设计则不需要对附件进行绘制，操作流程如下：第一步，确定需要达到的目的。以项目需要为依据，对样板文件进行选择并建模。第二步，运用Revit 插件对结构体进行下载。第三步，将结构图布置在对应的项目基础上，酌情调整模型参数。第四步，对集、分水器和热水机组进行布置。第五步，通过绘制管线的方式连接各结构体，将管路附件放置在指定位置。第六步，对管线进行调整并导出算量（如图3所示）。

图3 集成化设计图

以设备量、附件数量为依据，对BIM 法、集成设计的工作量进行对比，最终结果如表2、表3所示。

表2 BIM 法工作量

表3 集成设计工作量

5.结束语

现将研究所得出结论归纳如下：其一，集成设计可最大程度满足BIM 平台所提出设计要求，在保证设计合理的前提下，对设计效率进行提高。其二，集成设计对设计流程进行了调整，由初始的①计算②选型③安装设备④连接管线⑤增设附件，简化成①计算②选型③布置结构体/建立模型④连接管线，使自动设计成为可能。未来，相关人员应加大对集成设计的研究力度，根据实际需求、设备和系统情况，对结构体及数据库进行完善，使该设计方法拥有更加广阔的发展空间，为建筑行业的发展提供动力支持。