BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用初探

【摘 要】BIM在歐美地區(qū)已經(jīng)發(fā)展的相對成熟，并且制定出相關(guān)的標準，在國內(nèi)只處于起步階段。但是BIM在建筑的設(shè)計及施工上的巨大優(yōu)勢是顯而易見的，利用BIM在設(shè)計上帶來方便，確保設(shè)計質(zhì)量，在施工中可以減少材料的浪費，加快施工的進度，并且能夠使業(yè)主更加直觀的看到建筑物的三維形式，BIM在暖通中的優(yōu)勢會隨著其應(yīng)用越來越明顯。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；暖通空調(diào)設(shè)計；應(yīng)用

前言

BIM的核心是一個包含了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)的設(shè)計參數(shù)以及各種材料信息的數(shù)據(jù)庫。在實際建筑工程中遇到的任何情況，在BIM數(shù)據(jù)庫中都將有相應(yīng)全面的、詳細的描述。此外，BIM技術(shù)的三項基本支撐為國際字典框架IFD、信息交付手冊IDM、信息交換格式IFC，然后通過專業(yè)協(xié)同技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、建筑性能化模擬技術(shù)，使暖通空調(diào)設(shè)計實現(xiàn)了從單純的信息到特定用途的信息轉(zhuǎn)換，顯著的增強了設(shè)計的專業(yè)協(xié)同。因此，正確的掌握BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用，確保暖通設(shè)計各個參與方能夠獲得正確的信息，對保證暖通空調(diào)的設(shè)計標注化、三維參數(shù)化具有十分重要的作用。

一、BIM技術(shù)在供暖空調(diào)設(shè)計方面的意義

暖通空調(diào)系統(tǒng)特別是集中空調(diào)系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，管道設(shè)備選型以負荷為重要依據(jù)，專業(yè)管道設(shè)備布置依賴土建專業(yè)提供的空間。土建專業(yè)提供的設(shè)備安裝空間有限，在設(shè)計階段如何協(xié)調(diào)暖通專業(yè)與其他各專業(yè)的設(shè)計工作，避免專業(yè)之問在空間位置上的沖突，一直困擾著暖通設(shè)計人員。

對于復(fù)雜的工程，可能到施工階段才能發(fā)現(xiàn)問題，此時如果通過變更設(shè)計、拆除已安裝的管道甚至現(xiàn)場在梁上打洞的方法來避讓其他專業(yè)管線、設(shè)備，都將造成不必要的人力、物力、財力的浪費。

基于BIM的暖通3DCAD的管道綜合碰撞檢查功能有助于在施工圖設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題，減少后期施工階段的變更和改動，它為各工程設(shè)計專業(yè)的協(xié)同工作提供了輔助手段，有利于提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省人力、物力、財力。管道綜合碰撞檢查軟件可三維漫游各專業(yè)的綜合實體，形象直觀，可供工程設(shè)計人員在設(shè)計階段查看設(shè)計效果。

二、基于BIM的暖通3DCAD的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

1、建筑信息模型實現(xiàn)技術(shù)

建筑信息模型的本質(zhì)是用數(shù)字技術(shù)描述實際的建筑，因此它非常精細，包含了很多建筑元素。

建筑信息模型主要有兩種：一種是超級復(fù)雜的綜合模型，從軟件角度看就是共享一個不僅包含建筑模塊和設(shè)備模塊，還包含結(jié)構(gòu)和預(yù)算模塊以及一些輔助模塊的中央級數(shù)據(jù)庫。該模型要為不同專業(yè)用戶提供接口，十分復(fù)雜，需要耗費大量資源進行維護，風險大、可行性不強。另外一種是分類模型，使用聯(lián)合數(shù)據(jù)庫，在從設(shè)計咨詢到初步設(shè)計再到施工圖設(shè)計的各階段，各個專業(yè)通過一個模型進行交流，各下游專業(yè)設(shè)計人員通過標準接口從模型獲取所需要的建筑信息，用專業(yè)軟件完成各自的設(shè)計工作，然后將各自的成果反饋到信息模型中，或者將各自對建筑模型的意見反饋給建筑師，通過建筑師調(diào)整后的模型共享到下一階段供其他專業(yè)參考和使用。從圖2可以看出基于BIM的暖通3DCAD采用了聯(lián)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，暖通工程師可以隨意把專業(yè)數(shù)據(jù)寫入模型，但是不能修改建筑設(shè)計，只能反饋修改意見給建筑師。

建筑功能的不同以及同一建筑的不同設(shè)計階段都會產(chǎn)生不同的模型數(shù)據(jù)庫，為了確保數(shù)據(jù)文件讀寫的一致眭，對數(shù)據(jù)模型的操作必須遵守建筑行業(yè)事實上的數(shù)據(jù)共享和交換標準——IFC（industry foundation class）標準，它是由IAI（International Alliance for Interoperabi1ity）開發(fā)的一個數(shù)據(jù)模型，既可以用于數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，也可以作為檔案，其原則是將建筑3D模型視為真實的物體，目的是讓CAD使用者能在不同的軟件間交換設(shè)計數(shù)據(jù)。從軟件角度看，聯(lián)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)遵循的是文件格式一致性原則，所有專業(yè)軟件只要遵循統(tǒng)一的文件格式都可以各自獨立開發(fā)。

2、模擬仿真技術(shù)

隨著建筑空間向復(fù)雜化、多樣化和大型化發(fā)展，實際空調(diào)通風房間的氣流組織形式變化多樣。傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是基于某些標準或理想條件理論分析或試驗得到的射流公式對空調(diào)送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預(yù)測，存在較大的誤差。即便傳統(tǒng)方法分析可信度高，該方法也只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)的信息，不能給出設(shè)計人員所需的詳細資料，無法滿足設(shè)計者詳細了解室內(nèi)空氣分布情況的要求，

由流體力學相關(guān)知識可知，三維空間的溫度場和流場都是不斷變化的，因此只能在很小范圍內(nèi)近似認為相關(guān)物理量相等。暖通3DCAD仿真模擬的核心技術(shù)就是借用有限元的思想將房間劃分為一系列的網(wǎng)格，認為單元格內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、流速等一致，單元格間存在熱、質(zhì)交換。通過建立質(zhì)量和能量守恒方程來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流場變化情況，由于存在某種程度上的近似處理，因此模擬得到的實際上還只是一種相對精確的結(jié)果。暖通3DCAD仿真模擬功能可以對室內(nèi)空氣分布情況進行模擬和預(yù)測，從而得到房間內(nèi)速度、溫度、濕度等物理量的詳細分布以及能量的需求情況。這種方法克服了實物實驗周期長、費用昂貴、實用性差的弊端。以仿真流場、溫度場為參考確定空調(diào)末端設(shè)備的空間方位，以模擬的能量需求和能耗模擬的結(jié)果綜合確定房間負荷，從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計。

3、3D管道碰撞檢查技術(shù)

3D管道碰撞檢查的核心技術(shù)是實體空間相容性分析，就是分析管道與管道、設(shè)備與設(shè)備、管道與設(shè)備以及管道設(shè)備與建筑構(gòu)件之間是否在空間位置上有重疊的地方。由于三維實體形狀的多樣性以及實體與實體間位置的不確定性，決定了實體空間相容性分析的復(fù)雜性，因此進行系統(tǒng)空間相容性分析之前必須對實體進行標準化處理。標準化處理的過程就是把圓柱體和平行多面體兩種簡單實體作為標準體，利用這兩種基本結(jié)構(gòu)描述所有的管道、管件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

經(jīng)過標準化處理后，實體之問的空間相容性問題便轉(zhuǎn)化為標準體之間的碰撞檢查問題，只要實體分解的所有標準體不碰撞，實體就不碰撞。標準體碰撞檢查的核心算法是在調(diào)用基本空間處理函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫兩個標準體的空間關(guān)系判斷函數(shù)。這種方法具有算法簡單易實現(xiàn)、精度易控制、分析效率高的優(yōu)點。如果兩個標準體發(fā)生碰撞則應(yīng)該根據(jù)標準體ID屬性搜索到發(fā)生碰撞的一組實體的相應(yīng)屬性，根據(jù)兩個標準體的交線可以繪制兩個標準體的交截面、突出顯示相交空間并計算其空間大小，并對實體進行變色處理，以便于進行系統(tǒng)設(shè)計上的調(diào)整。對于墻和管道發(fā)生的碰撞檢查，如果墻沒有預(yù)設(shè)洞口則認為發(fā)生碰撞，在碰撞處給出在墻上打洞的建議，如果碰撞處已經(jīng)開洞則認為沒有發(fā)生碰撞。如果空調(diào)系統(tǒng)布置在經(jīng)常有設(shè)備移動或者實體本身有動作的空間，實體之間需要進行動態(tài)空間相容性分析，就是判斷管道、設(shè)備是否影響動態(tài)實體的移動以及靜態(tài)實體的局部動作。動態(tài)空間相容性分析需要考慮實體的運動軌跡，在實體運動到軌跡的不同位置上都要構(gòu)造一個虛擬實體，并判斷這些虛擬實體與管道、設(shè)備、墻、梁、柱、門、窗等構(gòu)件是否發(fā)生碰撞。

三、基于BIM的暖通3DCAD開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)可以使用VC++6.0進行開發(fā)，采用模塊化的開發(fā)模式。首先利用微軟基礎(chǔ)類庫MFC（microsoft foundation classes）形成框架，然后進行能耗分析模塊、供暖空調(diào)模塊、模擬仿真模塊、管道碰撞檢查模塊的開發(fā)。軟件開發(fā)采用面向?qū)ο蟮姆椒?，開發(fā)過程中只要保證各個模塊采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，各種模塊就可由不同的開發(fā)團隊甚至不同單位完成，最后進行統(tǒng)一測試。如果已經(jīng)存在相應(yīng)的程序，并且遵循統(tǒng)一的文件格式，則可以直接利用，避免從頭開發(fā)，節(jié)約時間。

結(jié)束語

總之，BIM技術(shù)具有信息化、可視化的優(yōu)點，其顯著的提高了設(shè)計工作的完整度，對以后的施工提供更多、更加準確的信息，有助于減少浪費和節(jié)約成本，并且為了更好的體現(xiàn)BIM技術(shù)的價值，BIM不僅僅應(yīng)該只局限于設(shè)計階段，還應(yīng)該貫穿與整個暖通空調(diào)建筑生命周期的各個階段，以此提高建筑物整個生命周期的運營效率。隨著BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用和不斷完善，對整個暖通空調(diào)設(shè)計行業(yè)，都會產(chǎn)生深遠的影響。

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