基于BIM技術(shù)的建筑機(jī)電系統(tǒng)虛擬仿真及受力研究

張盛楠，岳昊楠，陳文坤

(1. 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 天津301636；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北保定071001)

BIM建筑信息模型(building information modeling)通過工具軟件，將建筑內(nèi)全部構(gòu)件、系統(tǒng)賦予相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)信息，直觀地以三維可視化的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、分析，并形成可用于方案設(shè)計(jì)、建造施工、運(yùn)營(yíng)管理等建筑的全生命周期所參考的文件，是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段對(duì)建筑業(yè)影響后的必然產(chǎn)物[1-2]。當(dāng)前，BIM的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到政府的高度關(guān)注和行業(yè)的普遍認(rèn)可，成為建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中于探索其三維可視化、碰撞檢查以及管線綜合優(yōu)化，以減少設(shè)計(jì)和施工過程中的失誤，且在這方面的研究已日漸成熟。隨著新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)興起以及BIM技術(shù)在可視化輔助、系統(tǒng)化仿真等方面的發(fā)展，BIM在虛擬仿真受力分析的需求也應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者結(jié)合BIM技術(shù)以及ANSYS等分析軟件對(duì)構(gòu)件受力進(jìn)行仿真分析，為構(gòu)件穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)施工提供了可行性建議[4-5]。

某工業(yè)廠房新建項(xiàng)目因作業(yè)強(qiáng)度較大，需進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)BIM虛擬仿真受力研究。采用Revit軟件對(duì)項(xiàng)目中給排水、消防、暖通空調(diào)等機(jī)電專業(yè)進(jìn)行精細(xì)化三維建模；模型建立后采用Navisworks進(jìn)行了機(jī)電系統(tǒng)的管線綜合，對(duì)碰撞檢測(cè)報(bào)告中出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行解決，以實(shí)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)零沖突、零碰撞；隨后對(duì)項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)模型中的給水、消防、暖通空調(diào)等系統(tǒng)管線進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)受力建模及分析，并運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)置BIM受力分析與模型的共享鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。

1 項(xiàng)目使用的核心技術(shù)

1.1 可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上以三維的形式顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬夹g(shù)使人能夠在三維圖形世界中直接對(duì)具有形體的信息進(jìn)行操作，和計(jì)算機(jī)直接交流并傳遞信息，從而極大地提高了工作效率。

1.2 參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化模型構(gòu)建了實(shí)體對(duì)象與幾何模型之間的關(guān)聯(lián)性，實(shí)體對(duì)象所包含的信息均是以參數(shù)的形式賦予幾何模型上。通過對(duì)參數(shù)化模型的分析，力求使幾何模型反映真實(shí)對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)，從而得到實(shí)際工程中想要的各種結(jié)果[6]。

1.3 仿真模擬技術(shù)

仿真模擬技術(shù)是以建立的參數(shù)化模型為對(duì)象，模仿與真實(shí)環(huán)境一致時(shí)的受力狀態(tài)。仿真模擬技術(shù)會(huì)重點(diǎn)關(guān)注外部作用于模型時(shí)做出的反應(yīng)，把外部的作用以定義指令的方式施加給模型，運(yùn)用軟件中設(shè)定好的計(jì)算機(jī)分析方法進(jìn)行計(jì)算，得出模型試驗(yàn)的結(jié)果[6,7]。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 工程概況

某工業(yè)廠房建筑占地面積22255m2，總建筑面積約32544m2。廠房又分為3部分：1號(hào)廠房建筑面積為7445m2，2號(hào)廠房的建筑面積為20288m2(其中工作平臺(tái)面積3996m2)，3號(hào)廠房建筑面積為815m2。工業(yè)廠房耐火等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，建筑物主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2.2 BIM建模

該工業(yè)廠房機(jī)電系統(tǒng)包括給排水、消防、暖通空調(diào)、強(qiáng)弱電、樓宇自控等系統(tǒng)，本項(xiàng)目主要研究給排水、消防、暖通空調(diào)3個(gè)系統(tǒng)。由于本項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)種類繁多，且各系統(tǒng)中還包含功能不一的子系統(tǒng)，為便于模型建立以及后期的管線綜合受力分析，在建模前按照種類、性質(zhì)、功能特點(diǎn)等因素將該項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)分為如下幾類：

①給排水系統(tǒng)。室外給排水系統(tǒng)、室內(nèi)給水系統(tǒng)(飲用水給水系統(tǒng)、中水給水系統(tǒng))、室內(nèi)排水系統(tǒng)。

②消防系統(tǒng)。室外消防系統(tǒng)(高壓消防系統(tǒng)、低壓消防系統(tǒng))、室內(nèi)消防系統(tǒng)(遠(yuǎn)控泡沫炮系統(tǒng)、濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)等)。

③暖通空調(diào)系統(tǒng)。供暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。

采用Revit軟件構(gòu)建該廠房機(jī)電系統(tǒng)三維幾何模型。由于該廠房機(jī)電系統(tǒng)中的設(shè)備種類多且市場(chǎng)上設(shè)備產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，平臺(tái)自帶的單元庫(kù)不能滿足項(xiàng)目實(shí)際需求，在建立該項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)模型時(shí)，需要根據(jù)施工設(shè)計(jì)大樣圖進(jìn)行一比一的構(gòu)件重建，以便真實(shí)、完全反映項(xiàng)目模型，該模型對(duì)后期系統(tǒng)管道受力分析具有重要意義。根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙建立的三維BIM模型如圖1所示。

圖1 機(jī)電系統(tǒng)BIM模型Fig.1 BIM Model of Mechanical and Electrical System

2.3 管線綜合及施工過程管理

將給排水、消防、通風(fēng)空調(diào)等所有系統(tǒng)機(jī)電管線模型全部整合在一起，找出復(fù)雜的交叉位置，發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)在設(shè)計(jì)上存在的矛盾，針對(duì)原工程管道的走向、位置有不合理或與其他工程發(fā)生沖突的現(xiàn)象，根據(jù)布管原則進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使各管線在建筑空間上合理布置，避免管線發(fā)生碰撞導(dǎo)致的施工階段的返工，提高整體布局的觀感質(zhì)量。

將各專業(yè)三維建筑模型及進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks軟件中，使時(shí)間進(jìn)度和BIM模型進(jìn)行匹配，從而得到更具可視化的基于三維模型的施工進(jìn)度模擬，分析工程施工進(jìn)度計(jì)劃的合理性。通過BIM三維模型系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)專業(yè)可以進(jìn)行可視化管理，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，如圖2所示。

2.4 受力分析

本項(xiàng)目采用Bentley 軟件對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行受力分析。

圖2 機(jī)電系統(tǒng)可視化模擬Fig.2 Visual Simulation of Mechanical and Electrical System

2.4.1 給水專業(yè)

①室外給水系統(tǒng)。室外給水系統(tǒng)包括兩根DN250的市政給水引入管，分別從廠房東側(cè)和南側(cè)引入，經(jīng)軟件受力分析，供水壓力不小于0.24MPa，最大供水能力約為230m3/h。

②室內(nèi)給水系統(tǒng)。室內(nèi)給水系統(tǒng)由廠區(qū)的飲用水給水管網(wǎng)供給，主要供給建筑物內(nèi)洗手盆、淋浴及洗眼器用水，給水引入管處供水壓力不小于0.2MPa時(shí)，廠區(qū)飲用水可滿足本廠房供水要求。

廠區(qū)中水給水系統(tǒng)由中水給水管網(wǎng)供給，室內(nèi)設(shè)中水給水覆蓋使用面積為7852m2，給水引入管處供水壓力不小于0.2MPa時(shí)，廠區(qū)中水給水系統(tǒng)可滿足本廠房供水要求。

2.4.2 消防專業(yè)

①室外消防系統(tǒng)。高壓消防系統(tǒng)為臨時(shí)高壓系統(tǒng)，包括廠區(qū)內(nèi)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、泡沫-水雨淋系統(tǒng)、泡沫炮系統(tǒng)。高壓消防泵組Q總＝880L/s，H＝106m，單臺(tái)泵能力Q＝325L/s，H＝106m，三用一備。穩(wěn)壓泵能力為Q＝0.6L/s，H＝145m，N＝2.2kW，一用一備，氣壓水罐容積為8m3。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到1.132MPa時(shí)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到1.202MPa時(shí)停止穩(wěn)壓泵，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到1.034MPa時(shí)啟動(dòng)消防泵。

低壓消防系統(tǒng)為臨時(shí)加壓給水系統(tǒng)，即廠區(qū)內(nèi)室外消火栓、室內(nèi)消火栓及泡沫槍系統(tǒng)。低壓消防泵組Q總＝73.2L/s，H＝90m，單臺(tái)泵能力Q＝40.5L/s，H＝90m，二用一備。穩(wěn)壓泵能力為Q＝0.6L/s，H＝114m，N＝2.2kW，一用一備，氣壓水罐容積為8m3。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到0.975MPa時(shí)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到1.045MPa時(shí)停止穩(wěn)壓泵，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到0.85MPa時(shí)啟動(dòng)消防泵。

②室內(nèi)消防系統(tǒng)。遠(yuǎn)控泡沫炮系統(tǒng)采用低倍泡沫系統(tǒng)，保護(hù)面積為5000m2，設(shè)計(jì)供給強(qiáng)度為4.1L/min·m2，連續(xù)供給泡沫液時(shí)間為10min，連續(xù)供水時(shí)間為45min，泡沫液量為7.2m3，總泡沫液量為14.4m3(備用一倍)，總供水量為1047.6m3。

泡沫炮每門炮消防流量為100L/s，射程大于70m，炮口工作壓力為0.8MPa，消防炮采用高低位結(jié)合方式布置，高位炮安裝高度為8m，低位炮安裝高度約1.5m(3m)，要求引入管供水壓力不小于1.00MPa。

本系統(tǒng)大廳屋架設(shè)計(jì)濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，噴水強(qiáng)度采用7L/min·m2，作用面積1400m2，連續(xù)噴水時(shí)間60min；本系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)柱子部分噴水強(qiáng)度為12L/min·m2，連續(xù)噴水時(shí)間為60min；輔助用房部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度為6.0L/min·m2，作用面積160m2，連續(xù)噴水時(shí)間60min。系統(tǒng)最不利點(diǎn)的噴頭壓力不小于0.05MPa，系統(tǒng)給水引入管處所需壓力為0.5MPa，經(jīng)室外高壓消防給水管網(wǎng)減壓后，可滿足此工作壓力要求。平臺(tái)下方部分，12個(gè)噴頭同時(shí)工作，噴頭最大間距3.7m，最不利點(diǎn)的噴頭壓力為0.35MPa，系統(tǒng)設(shè)計(jì)用水量90L/s，連續(xù)噴水時(shí)間為60min，系統(tǒng)給水引入管所需壓力為0.65MPa，室外高壓消防給水管網(wǎng)減壓后可滿足此工作壓力。

室內(nèi)消火栓系統(tǒng)水量11.4L/s，同時(shí)使用2支，每支用水量約為5.7L/s，充實(shí)水柱約為13m，連續(xù)供水時(shí)間為3h，本廠房設(shè)有兩個(gè)消火栓系統(tǒng)引入管，入口壓力不小于0.55MPa。

2.4.3 暖通空調(diào)專業(yè)

①1號(hào)廠房供加熱盤管(空氣處理機(jī)組內(nèi))及風(fēng)機(jī)盤管使用的二次熱媒為70～50℃由混水系統(tǒng)獲得，系統(tǒng)最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.75MPa。

②2號(hào)廠房及附樓內(nèi)散熱器及熱水吊頂輻射板使用的二次熱媒為70～50℃，由混水系統(tǒng)獲得，系統(tǒng)最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.75MPa，實(shí)驗(yàn)壓力1.13MPa。

③3號(hào)廠房地板供暖使用二次熱媒為52～43℃，經(jīng)換熱機(jī)換熱而成，根據(jù)室內(nèi)外溫度變化改變供回水溫度，系統(tǒng)最大壓力損失為80kPa，工作壓力為0.6MPa，實(shí)驗(yàn)壓力0.9MPa。

④空調(diào)系統(tǒng)一次冷媒采用7～14℃的冷凍水，在附樓混合而成二次冷媒8～14℃，系統(tǒng)最大壓力損失為160kPa，工作壓力為0.85MPa，實(shí)驗(yàn)壓力1.3MPa。

2.5 集成平臺(tái)

集成平臺(tái)指通過使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將BIM受力分析結(jié)果與BIM模型進(jìn)行共享鏈接，以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的集成以及協(xié)同化的工作平臺(tái)。本項(xiàng)目選取Bentley的信息協(xié)同工作平臺(tái)，完成各構(gòu)件受力分析結(jié)果與BIM模型相應(yīng)構(gòu)件的共享關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型自帶受力分析，可進(jìn)行模型與結(jié)果的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)與實(shí)時(shí)查詢。

3 結(jié)語及展望

本研究將BIM技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值模擬等計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目中給排水、消防、暖通空調(diào)等專業(yè)的精細(xì)化三維模型的建立，運(yùn)用BIM模型進(jìn)行了機(jī)電系統(tǒng)的管線綜合，提供了碰撞檢測(cè)報(bào)告，及時(shí)對(duì)碰撞問題進(jìn)行解決，以實(shí)現(xiàn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)零沖突、零碰撞，并通過BIM系統(tǒng)三維模型系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)專業(yè)可以進(jìn)行可視化管理，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)；隨后對(duì)項(xiàng)目BIM模型中的給水、消防、暖通空調(diào)等系統(tǒng)管線進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)受力建模及分析，得到機(jī)電系統(tǒng)受力的動(dòng)態(tài)結(jié)果，確定了各系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力；最后運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM受力分析與模型的共享鏈接，便于數(shù)據(jù)的查詢以實(shí)現(xiàn)協(xié)同化工作。

本文提出了一種新型的模擬試驗(yàn)方法——基于BIM 技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)受力分析及實(shí)驗(yàn)方法，即采用受力分析軟件對(duì)BIM機(jī)電系統(tǒng)模型的管道、節(jié)點(diǎn)受力進(jìn)行模擬，得出機(jī)電系統(tǒng)受力的動(dòng)態(tài)結(jié)果。運(yùn)用該種方法進(jìn)行受力分析雖然可以獲得逐時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，但因其建立在設(shè)備數(shù)、設(shè)備功率、管徑、管道材質(zhì)、使用峰值等信息參數(shù)輸入的基礎(chǔ)上，在項(xiàng)目實(shí)施前這些參數(shù)中的部分參數(shù)難以獲取，所以限制了軟件模擬方法的運(yùn)用，存在一定的不足和局限性，還有待進(jìn)一步的研究和完善。