BIM技術(shù)在冷凍水閥組關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用★

王 浩 馮志明 劉洪超 馮 彬 曾琦杰

(中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113)

1 BIM技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用概況

BIM技術(shù)在我國(guó)起步較晚但是發(fā)展迅速。BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要在深化設(shè)計(jì)和數(shù)字化施工等。

BIM設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性，實(shí)體性，可視性的特點(diǎn)，能夠讓業(yè)主等非本專業(yè)人員更多的參與到設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)人員能夠盡可能多的收集到來(lái)自各方面的需求意見，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改不合理的設(shè)計(jì)，盡可能減少后期設(shè)計(jì)變更。通過(guò)對(duì)BIM模型的深化設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)集成，可以獲得具有時(shí)效性和合理性的虛擬建筑。該模型能夠容納從設(shè)計(jì)到使用甚至是到周期終結(jié)的全過(guò)程信息，可以持續(xù)的提供項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍、進(jìn)度、成本等信息。

傳統(tǒng)的暖通工程管線施工，通常是根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各種管線進(jìn)行組裝，切割，焊接等工作。工廠化預(yù)制加工的應(yīng)用還不夠廣泛，這主要是由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，管線布置無(wú)法做到非常精確，限制了工廠化預(yù)制的發(fā)展。尤其是與如鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻等傳統(tǒng)建筑行業(yè)相比，精細(xì)化設(shè)計(jì)還非常不夠。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式在冷凍水閥組節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 冷凍水閥組結(jié)構(gòu)復(fù)雜

冷凍水閥組是暖通專業(yè)冷凍水系統(tǒng)上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。與車間冷凍水系統(tǒng)相比，閥組接管復(fù)雜，直管段少，彎頭、三通、閥門管件等數(shù)量眾多，焊縫多，空間受限，閥門操作位置，儀表顯示位置等不容易明確(見圖1)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式，公用設(shè)計(jì)時(shí)難以考慮細(xì)節(jié)，通常只能現(xiàn)場(chǎng)考慮，這會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。

2.2 二維設(shè)計(jì)表達(dá)方式存在局限

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，通常是通過(guò)符號(hào)和線段來(lái)代表閥門、管線，如圖2所示。

這種做法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，有利于整體信息的傳遞，缺點(diǎn)是不夠直觀，需要讀圖人有一定的識(shí)圖能力和專業(yè)基礎(chǔ)，同時(shí)，平面制圖具有善于表達(dá)平面信息，難以表達(dá)立體信息的特點(diǎn)。由于閥組實(shí)際的安裝位置難以確定，接管方式不夠明確，上下支管難以在圖上表示，這種設(shè)計(jì)方式往往需要施工方進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)。但是在實(shí)際操作中，通常只是施工單位根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況直接制作，非常依賴于實(shí)際施工者的經(jīng)驗(yàn)。

2.3 閥組節(jié)點(diǎn)表達(dá)困難

冷凍水閥組的安裝位置和管道連接關(guān)系通常在冷凍水平面圖和系統(tǒng)圖上體現(xiàn)。車間冷凍水系統(tǒng)的體量很大，細(xì)節(jié)很少，通常是由大段的長(zhǎng)直管道和少部分的彎頭、三通、上翻下翻等構(gòu)成。與之相反，閥組本身的體量很小，但是細(xì)節(jié)眾多，尤其是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷凍水閥組，其所包含的閥門、管件等非直管段構(gòu)件的數(shù)量能夠超過(guò)60個(gè)。

車間冷凍水圖紙上只能夠標(biāo)明每個(gè)閥組的大致位置和基本信息，閥組的詳細(xì)信息，例如閥組的閥門、管件順序等信息往往無(wú)法詳細(xì)表述。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，閥組的上下支管，閥組與設(shè)備連接匯管等更是難以在圖紙上體現(xiàn)。上下支管和設(shè)備連接匯管往往是閥組安裝中變化最大，最難以體現(xiàn)的部分，也是在前期預(yù)算和后期結(jié)算中最難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)工程量的部分。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式通常不會(huì)表示閥組框架，管箍等內(nèi)容，實(shí)際施工中就可能出現(xiàn)管箍的位置與閥門管件沖突，閥門管件之間螺栓安裝困難，閥門手柄被框架阻擋影響操作等情況。這一方面增加了施工中的不確定性，影響進(jìn)度質(zhì)量，另一方面也容易造成浪費(fèi)，制作不夠合理緊湊。

2.4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的制約

閥組不是孤立存在的，通常為設(shè)備服務(wù)，但是暖通閥組的施工方與設(shè)備施工方往往不同，不同專業(yè)的工作面存在交叉。閥組制作安裝的工作面受限，容易成為施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度制約因素，也會(huì)影響其他施工工序，還有可能出現(xiàn)例如阻擋道路，難以檢修，影響操作，不易查看，安裝困難等問(wèn)題。很多細(xì)節(jié)部分，實(shí)際施工中需要現(xiàn)場(chǎng)工程師進(jìn)行確定，但由于施工過(guò)程中不可能一開始就考慮周全，所以往往出現(xiàn)“誰(shuí)先到誰(shuí)先得”“只管本專業(yè)，不管其他專業(yè)”等情況。

由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式在信息表達(dá)方面的缺陷，很多工作需要現(xiàn)場(chǎng)工程師與業(yè)主方、施工單位等進(jìn)行協(xié)調(diào)，這對(duì)于實(shí)際工程量的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)度的把控都會(huì)有影響。

3 BIM設(shè)計(jì)在冷凍水閥組節(jié)點(diǎn)上的優(yōu)勢(shì)

3.1 BIM設(shè)計(jì)可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

閥組節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)就是閥門管件多，構(gòu)件形式復(fù)雜，外購(gòu)件數(shù)量多且規(guī)格復(fù)雜。BIM設(shè)計(jì)時(shí)可以做到明確閥組的制作細(xì)節(jié)，包括閥組上下支管制作等內(nèi)容，省去了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的工作量。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIM建模是根據(jù)實(shí)際尺寸，實(shí)際定位完成，模型和現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)高度一致，同時(shí)由于模型的特性，這些難以在平面圖紙上表達(dá)的信息可以很容易通過(guò)模型表現(xiàn)出來(lái)，這樣就把很多需要現(xiàn)場(chǎng)處理的問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段，消弭于無(wú)形之中。

3.2 BIM設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化

利用BIM技術(shù)，對(duì)閥組節(jié)點(diǎn)按照通用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和非標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件進(jìn)行分類詳細(xì)設(shè)計(jì)，詳細(xì)的得出該閥組所需要的閥門、管件、管道的數(shù)量、型號(hào)、尺寸和附屬的支架的各種參數(shù)。同時(shí)加強(qiáng)外購(gòu)件的管控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)計(jì)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，建立起外購(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)形式的標(biāo)準(zhǔn)閥組，設(shè)計(jì)人在閥組設(shè)計(jì)時(shí)主要在標(biāo)準(zhǔn)閥組的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)中更多的是數(shù)據(jù)的錄入和標(biāo)準(zhǔn)模塊的調(diào)用工作，這樣不但可以大大提高設(shè)計(jì)速度，也可以降低設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。

3.3 BIM精細(xì)設(shè)計(jì)避免浪費(fèi)

BIM精細(xì)化設(shè)計(jì)，能夠大大降低材料和工序的浪費(fèi)現(xiàn)象。通過(guò)BIM技術(shù)，能夠準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)工程所需材料數(shù)量，為工程項(xiàng)目中的材料采購(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐，這樣不但能夠有效避免資源浪費(fèi)，還能夠準(zhǔn)確制定材料到場(chǎng)計(jì)劃，對(duì)于項(xiàng)目的資金，材料管理非常有利。無(wú)論是對(duì)前期的施工準(zhǔn)備，施工時(shí)的進(jìn)度控制，還是后期的工程量結(jié)算等均有促進(jìn)。

3.4 BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化施工

利用BIM技術(shù)，工程管理人員可以及時(shí)遇見施工中可以出現(xiàn)的問(wèn)題，尤其是一些并不直接干涉，但是影響使用功能或者影響安裝工序的軟碰撞。工程項(xiàng)目管理人員可以將BIM技術(shù)與項(xiàng)目管理工作進(jìn)行融合，優(yōu)化項(xiàng)目施工資源，合理調(diào)配施工人員，提高人員設(shè)備的利用效率，擴(kuò)展工作面。通過(guò)合理組織安排，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目施工方案的最優(yōu)化，進(jìn)而提高工程本身的效益。BIM技術(shù)能夠大大降低設(shè)計(jì)階段的錯(cuò)誤和返工，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，最多可降低90%的設(shè)計(jì)問(wèn)題，大大降低二次施工頻率，也可以使工程質(zhì)量得到保障。

4 BIM技術(shù)在冷凍水閥組節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用分析

接下來(lái)以實(shí)際工程中閥組設(shè)計(jì)對(duì)比來(lái)對(duì)BIM技術(shù)冷凍水閥組節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用進(jìn)行分析。

4.1 二維冷凍水圖紙的缺陷

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中的冷凍水閥組平面圖，在該圖紙上，冷凍水閥組的安裝位置，連接方式等僅為示意，并沒(méi)有詳細(xì)表示出來(lái)。在二維圖紙上，該表示方式已經(jīng)較為精細(xì)，但是仍有大量信息無(wú)法得到反映(見圖3)。

圖4為傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中的冷凍水閥組系統(tǒng)圖，對(duì)于專業(yè)工程師來(lái)說(shuō)，該圖紙已經(jīng)完全夠用，但是對(duì)于非相關(guān)專業(yè)人員和缺少經(jīng)驗(yàn)的施工人員來(lái)說(shuō)，該圖紙不夠直觀，尤其是對(duì)于閥組與主管道、閥組與設(shè)備連接管道的表示往往與實(shí)際情況不符。

4.2 冷凍水閥組的BIM模型

圖5為與工藝專業(yè)模型整合前的BIM模型，可以看到，由于模型的尺寸、位置、連接關(guān)系等均遵照實(shí)際大小，多數(shù)細(xì)節(jié)得到體現(xiàn)，同時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到的一些問(wèn)題，例如閥組閥門的安裝高度，閥組儀表的可視角度，排氣閥的安裝位置等得到了考慮。

圖6為整合了工藝模型之后的BIM模型。由于工藝模型，其他土建公用專業(yè)模型已經(jīng)整合進(jìn)來(lái)，模型已經(jīng)非常精細(xì)，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比，此時(shí)的可以通過(guò)該模型，避免例如影響通道，難以檢修，無(wú)法安裝等問(wèn)題，為之后的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工提供便利條件。避免不必要的返工，保證工期，進(jìn)而控制成本。

5 冷凍水閥組工廠化預(yù)制

BIM設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確、真實(shí)的反映出閥門管件的實(shí)際尺寸和相對(duì)關(guān)系，這也為閥組的工廠化預(yù)制奠定了基礎(chǔ)。

5.1 閥組工廠化預(yù)制的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的閥組現(xiàn)場(chǎng)制作安裝過(guò)程，管道的測(cè)量，切割，焊接等工作要耗費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)，閥組往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，整體搬運(yùn)也存在困難。工廠化預(yù)制的閥組安裝采用已經(jīng)事先完成焊接的構(gòu)件，閥組中的管道與法蘭連接，管道與管件連接等工作已經(jīng)預(yù)先完成，現(xiàn)場(chǎng)主要為法蘭螺栓連接的方式和少量焊接工作，這可以大大降低現(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)間成本和管理難度。施工同時(shí)由于施工現(xiàn)場(chǎng)焊接動(dòng)火作業(yè)將大大減少，施工安全也會(huì)隨之改善。

5.2 閥組工廠化預(yù)制流程

閥組的工廠化預(yù)制施工需要預(yù)先建立詳細(xì)的閥組模型，包括閥組的管段、管件、閥門等外形尺寸、類型、定位等信息。然后對(duì)不同專業(yè)的模型進(jìn)行工程匯總，碰撞檢查，進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型檢查通過(guò)后，對(duì)閥組模型進(jìn)行處理分解，設(shè)計(jì)焊縫等。閥組模型處理完成后，應(yīng)當(dāng)導(dǎo)出加工圖紙，材料明細(xì)表等，將圖紙和明細(xì)表提供給加工廠進(jìn)行預(yù)制加工。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度，合理安排預(yù)制好的組件進(jìn)場(chǎng)安裝。閥組的工廠化預(yù)制施工流程如圖7所示。

5.3 BIM設(shè)計(jì)閥組工廠化預(yù)制應(yīng)用

冷凍水閥組預(yù)制安裝中，管道、管件、法蘭之間的焊接工作是非常重要的一環(huán)。在模型深化設(shè)計(jì)完成后，對(duì)閥組本體，閥組上下支管等進(jìn)行分解，在模型相應(yīng)的位置建立焊縫，得出帶有焊縫的BIM模型。根據(jù)焊縫位置進(jìn)行管段、管件組對(duì)，是進(jìn)行焊接預(yù)制加工的重要保障。依據(jù)設(shè)計(jì)好的模型，對(duì)各個(gè)管段、管件、法蘭等進(jìn)行編號(hào)，方便管段組對(duì)的時(shí)候選用正確的組件。同時(shí)利用BIM技術(shù)導(dǎo)出管段明細(xì)表，形成管段分段表，通過(guò)合理的管段排布，減少焊縫數(shù)量和余料浪費(fèi)。圖8為已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，能夠進(jìn)行分解的閥組模型。閥組模型管道分段分解見圖9。

焊縫應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要確定并按照工藝要求預(yù)留合理間隙。主要有管道與法蘭連接焊縫，管道與管件連接焊縫，管道與管道連接焊縫等。按照安裝順序不同，需要將焊縫分為預(yù)制加工焊縫，現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫兩種。BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)就在于可以盡可能多的讓焊縫作為預(yù)制加工焊縫，采用工廠方式加工，既能夠提高速度，也能夠保證質(zhì)量。同時(shí)，為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝，考慮加工安裝誤差，也應(yīng)該合理設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫，可以通過(guò)改變連接管段長(zhǎng)度，保證在誤差范圍內(nèi)，閥組可以方便安裝。

合理的利用Revit軟件的過(guò)濾器，明細(xì)表等功能，對(duì)閥組的各種組成部分進(jìn)行歸類和統(tǒng)計(jì)。再利用Revit軟件的導(dǎo)出功能，導(dǎo)出明細(xì)表。明細(xì)表可以根據(jù)需要進(jìn)行逐項(xiàng)列舉或者統(tǒng)計(jì)總數(shù)。表1為分段統(tǒng)計(jì)的管道，可以用于管道分段和下料，表2為管道總量表，主要用于管道材料的采購(gòu)，表3為法蘭統(tǒng)計(jì)表，用于統(tǒng)計(jì)法蘭數(shù)量。法蘭與管道之間的焊接工作是預(yù)制工作中的重要組成部分。

表1 管道分段統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

表2 管道總量統(tǒng)計(jì)表

表3 法蘭明細(xì)表

圖10，圖11及對(duì)應(yīng)的表4，表5分別為閥組的管件和閥門統(tǒng)計(jì)，利用軟件自身的統(tǒng)計(jì)功能，不但可以使統(tǒng)計(jì)工作更準(zhǔn)確和高效，而且能夠在圖形中大致反映出管件和閥門的安裝位置，為實(shí)際的閥門安裝和閥組構(gòu)件預(yù)制提供參考。

表4 管件明細(xì)表

表5 閥門明細(xì)表

圖12,圖13分別為閥組框架示意圖和兩視圖，閥組框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且由于BIM設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化建模，可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出閥組框架的外形尺寸，更適合實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制。

6 BIM技術(shù)未來(lái)展望

BIM設(shè)計(jì)現(xiàn)在還是一個(gè)不成熟的領(lǐng)域，存在著速度較慢的問(wèn)題，但是隨著該技術(shù)的不斷成熟，標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越多，設(shè)計(jì)的速度也會(huì)越來(lái)越快，而且由于精度的提高，實(shí)際效果好于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本均可以得到優(yōu)化。