數(shù)字化技術(shù)在運行中的制冷機房改造中的應(yīng)用

卜真良

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

目前，我國大部分一、二線城市已過了大建設(shè)、大拆遷年代，部分建筑經(jīng)過多年使用后存在外觀老化、早期設(shè)計規(guī)劃不足等問題，已無法滿足現(xiàn)今社會需求。因此，需對城市中的老舊建筑進行翻新改造。在不對主體結(jié)構(gòu)和外立面進行大規(guī)模變動（僅加固、修繕）的前提下，通過改造其內(nèi)部機電系統(tǒng)、裝飾風格和建筑用途，將低效物業(yè)轉(zhuǎn)化為高效資產(chǎn)，滿足當下人們對建筑功能的需求，解決人們?nèi)粘Ｊ褂弥写嬖诘膯栴}[1-5]。

1 老、舊建筑改造的現(xiàn)狀

1.1 城市更新的模式

城市更新是未來城市高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路，是中國城市發(fā)展走向富有創(chuàng)新性、重視綠色化、空間均衡的重要方式之一。

現(xiàn)階段，根據(jù)改造力度，將我國城市更新由弱至強分為3類：綜合整治、功能改建和拆除重建。綜合整治類以消除安全隱患、完善現(xiàn)狀功能等為目的，不改變建筑主體結(jié)構(gòu)和使用功能，改善消防設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、沿街立面等，一般不增加建筑面積；功能改建類在不全部拆除的前提下進行局部拆改或加建，以實現(xiàn)新的使用功能為目的，不改變土地使用權(quán)的權(quán)力主體和使用期限，保留建筑物原主體結(jié)構(gòu)，僅改變部分或全部建筑物使用功能；拆除重建類以全部拆除重新規(guī)劃建造為目的，可能改變土地使用權(quán)的權(quán)力主體和部分土地性質(zhì)，嚴格按照城市更新單元規(guī)劃、年度計劃的規(guī)定實施。

1.2 建筑改造的困局和解決思路

目前，拆遷賠付款金額越來越高，城市更新逐漸由粗暴 的推倒重建型向 溫柔 的改造、升級型轉(zhuǎn)變。在建筑改造和探索過程中，所面臨的窘境和迫切需要解決的問題也逐漸顯現(xiàn)。

1.2.1 外部環(huán)境難以協(xié)調(diào)

建筑改造不完全是對建筑自身的改造，還需與周邊景觀、設(shè)施、道路及其他建筑統(tǒng)一協(xié)調(diào)。但在我國，以土地出讓為主的城市建設(shè)發(fā)展模式，造成了城市建筑有各自的風格和時代感，當代建筑和傳統(tǒng)建筑錯綜復雜，在建筑改造規(guī)劃時如何協(xié)調(diào)、統(tǒng)一是一大難點。且部分老舊建筑因年代久遠，缺少必要的建筑信息，無法僅通過街景照片實現(xiàn)合理的建筑規(guī)劃。

此外，為滿足當代人對生活環(huán)境的需求，改造建筑的后續(xù)使用功能選擇也受到周邊建筑功能的影響。城市規(guī)劃總平面圖僅能反映各位置用地情況，無法精準判定人流走向和業(yè)態(tài)偏好。

1.2.2 測繪困難且數(shù)據(jù)存在偏差

城市經(jīng)濟的發(fā)展，促使許多建筑改造采用 騰籠換鳥 的方式，保留建筑外觀、主體結(jié)構(gòu)和重要機電管線，對建筑內(nèi)部功能進行改造和升級，滿足都市人出行、購物、娛樂等需求。在對建筑內(nèi)部進行功能改造、升級前，需對現(xiàn)場情況進行踏勘和測繪，充分了解現(xiàn)場條件是項目改造成功的關(guān)鍵所在。設(shè)計師根據(jù)精確的現(xiàn)場條件制定出合理的結(jié)構(gòu)加固、重要設(shè)施保修等方案，并以此為基礎(chǔ)進行建筑功能改造和升級設(shè)計。

傳統(tǒng)的踏勘、測繪方式精細度不足，且受限于測繪時的現(xiàn)場條件，往往無法取得精確的測量數(shù)據(jù)。施工安裝時，數(shù)據(jù)偏差造成 邊拆除、邊調(diào)整、邊施工 ，局部拆改范圍擴大，甚至出現(xiàn)全部拆改的情況，增加改造成本、延誤施工工期、降低設(shè)計品質(zhì)。

1.2.3 數(shù)字應(yīng)用和技術(shù)革新

目前，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化變革在建筑業(yè)內(nèi)迅速發(fā)展，建筑數(shù)字化技術(shù)大量涌現(xiàn)，部分技術(shù)已逐步在城市更新、建筑改造工程中體現(xiàn)其應(yīng)用價值。

規(guī)劃建筑改造時，采用無人機傾斜攝影從高空中采集改造建筑及其周邊的點云數(shù)據(jù)；安裝攝像頭進行人流量采集分析；架設(shè)三維掃描儀對建筑內(nèi)部拆改區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，通過BIM技術(shù)逆向建模還原建筑內(nèi)外的現(xiàn)狀，再輔以VR/AR虛擬技術(shù)為改造建筑的設(shè)計規(guī)劃加入可視化參照。

安裝施工階段，運用 BIM＋VR 線上全景制作工具720云快捷查看演示模型，比對現(xiàn)場安裝情況，確保最終改造成效滿足設(shè)計要求。

2 改造項目應(yīng)用實例

數(shù)字化技術(shù)的運用不應(yīng)拘泥于某一特定形式，針對不同項目的特色與需求，數(shù)字化技術(shù)之間可多元化組合助力各類改造項目。數(shù)字化技術(shù)也可與新興的建造技術(shù)相互搭配，催生出新的應(yīng)用模式。本文以某項目為例，解析數(shù)字化技術(shù)在改造項目中應(yīng)用的價值。

2.1 項目概況

某機場在日常運行中發(fā)現(xiàn)，高溫天氣時，經(jīng)常出現(xiàn)航站樓商業(yè)區(qū)域空調(diào)制冷效果不佳的狀況。經(jīng)技術(shù)排查后確定是由于制冷機組老化、航站樓部分商鋪二次改造成餐飲店后熱環(huán)境發(fā)生變化造成的。

機場作為商用運輸基地，無法因局部區(qū)域制冷效果不佳而進行大范圍停運改造，所造成的損失是機場管理方無法接受的。

利弊權(quán)衡后，機場管理方?jīng)Q定對制冷機房進行局部改造，在冷凍機房對面的鍋爐房內(nèi)增設(shè)1臺新的移動式冷凍機組，以緩解航站樓的空調(diào)制冷問題。

2.2 難點分析與實施應(yīng)用

改造工程的主要實施難點在于該機場是20世紀80年代建成的，能夠找到的圖紙資料僅有冷凍機房和鍋爐房的設(shè)備布置圖，且圖紙所表達的信息不夠詳細，無法通過圖紙反映現(xiàn)場的真實安裝情況，且在多年的運營過程中經(jīng)歷了幾次機房更新和設(shè)備更換。另外，機場內(nèi)有嚴格的動火安全管理規(guī)定，擬定改造方案時需盡量減少現(xiàn)場施工的動火作業(yè)。

2.2.1 減少動火，預(yù)制管件

為了最大程度地降低現(xiàn)場動火作業(yè)，決定在工廠內(nèi)完成大部分管道的切割、組對、焊接、防腐、檢驗等預(yù)制工作，再將預(yù)制好的管段送至現(xiàn)場，管段之間采用法蘭連接的方式進行拼裝。

預(yù)制管件雖然有組裝便捷的特性，但是該模式需在設(shè)計階段對現(xiàn)場環(huán)境及工況進行深入了解和剖析，在加工過程中，對必須嚴格把控成品管件的質(zhì)量，避免因過大的設(shè)計偏差或加工誤差造成現(xiàn)場無法安裝和返工。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)，還原現(xiàn)場

改造工程與新建工程最本質(zhì)的區(qū)別是改造工程會受到既有物理環(huán)境的限制。常規(guī)的改造工程可分為 改造區(qū)域內(nèi)全部拆除重新規(guī)劃建造 與 合理利用改造區(qū)域內(nèi)既有空間增加新的使用功能 兩種。本工程屬于后者，如何在現(xiàn)場進行精確測量，將改造區(qū)域內(nèi)的環(huán)境完美復原是該制冷機房能順利完成的關(guān)鍵。且機場設(shè)備機房屬于嚴格管控區(qū)域，非內(nèi)部工作人員無法長時間駐留或者頻繁出入。因此，采用 3D全景攝影＋3D激光掃描＋實景照片 輔以現(xiàn)場實測的形式，對機房區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，基于數(shù)據(jù)，在場外分析和優(yōu)化后續(xù)改造方案。

三維掃描技術(shù)的多年應(yīng)用顯示，其在空曠、光線效果佳的環(huán)境下能夠精確、完整地采集建筑主體結(jié)構(gòu)和外立面的點云數(shù)據(jù)，在狹小、昏暗的空間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)卻有極大的局限性，尤其該工程需采集的是機房內(nèi)機電管線的點云數(shù)據(jù)。

為獲得最全面的掃描數(shù)據(jù)，在冷凍機房布置4個掃描站點采集冷凍機房內(nèi)設(shè)備和管道位置信息，在鍋爐房內(nèi)布置2個掃描點采集鍋爐和新設(shè)備布置區(qū)域的空間信息，在2個機房連接走道的1層布置1個采集點，由下至上采集管道底部信息，在走道的2層布置2個采集點，由上至下采集管道頂部信息。

2.2.3 逆向建模，虛實結(jié)合

數(shù)據(jù)采集完成后，采用Infipoints軟件將8個采集點的點云進行拼接組合，參照實景照片在軟件中去除噪點，整合成1個相較清晰的整體點云。采用VR設(shè)備在合成點云中確定冷凍機房內(nèi)主管道與鍋爐房內(nèi)新增冷凍機組連接起來的管線路由走向，并利用軟件快速翻模功能，對新增管線穿越位置的大型管道進行翻模。

模型完成后與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行比對，再以IFC格式導入Rebro建模軟件中，進行新增管線建模。新增管線需考慮預(yù)制管件的分段配置、管段安裝時螺栓緊固的操作空間、對既有管道的避讓、與新增冷凍機組的接續(xù)位置、閥門儀表的安裝空間等因素，精準、充分地考慮實際安裝需求，確保后續(xù)預(yù)制管件能夠直接施工。在模型中校驗無誤后，重新返回點云數(shù)據(jù)，將虛擬模型與現(xiàn)場實際掃描數(shù)據(jù)相結(jié)合，反復驗證新增管線的相對位置是否合理。

2.2.4 2D/3D出圖加工

對比傳統(tǒng)現(xiàn)場焊接作業(yè)，采用管道預(yù)制構(gòu)件進行場外加工模式，繪制高精度的預(yù)制管件加工圖是確保加工成品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，該項目最終采用零件加工圖的出圖形式，對管段長度、管道材質(zhì)、壁厚、法蘭類型、墊圈、閥門種類等進行細致的標示和說明，輔以三維可視化模型展示期望加工的成品效果，降低加工誤差。

2.3 應(yīng)用問題歸納

數(shù)字化技術(shù)為項目的順利完成提供了堅實的保障，但在技術(shù)應(yīng)用過程中仍存在不少問題，主要的問題點歸納如下：

1）忽略了新增管道與既有管道連接處的焊接作業(yè)，忽略了新增管道與新增設(shè)備連接處的焊接作業(yè)。

2）管道質(zhì)量過大，采用落地支架在現(xiàn)場固定時，增加了動火作業(yè)。

3）閥門、儀表類實際尺寸與模型中尺寸存在偏差，末端管道與設(shè)備接續(xù)時需進行調(diào)整。

4）掃描數(shù)據(jù)與測繪數(shù)據(jù)發(fā)生不一致時，無第三類數(shù)據(jù)佐證判斷，需進行現(xiàn)場重測。

5）現(xiàn)場管線安裝并非橫平豎直，建立模型時無法100%匹配該管道在空間中的實際位置。

數(shù)字化技術(shù)能夠輔助專業(yè)人員更高效、高質(zhì)量地完成工作。當專業(yè)人員經(jīng)驗不足、判斷不準確時，也會影響數(shù)字化技術(shù)所產(chǎn)生的價值，且數(shù)字化軟件尚處于發(fā)展階段，部分成果僅能起到借鑒效果，無法完全指導施工。

3 結(jié)語

數(shù)字化技術(shù)是建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。當下的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展不應(yīng)僅關(guān)注新型數(shù)字化技術(shù)的開發(fā)，還應(yīng)將既有數(shù)字化技術(shù)在基層項目中落地應(yīng)用，將各類數(shù)字化技術(shù)相互結(jié)合，催化出新的應(yīng)用場景。將數(shù)字化技術(shù)與新型建造、管理技術(shù)進行有機融合，可為施工的現(xiàn)場、工期、質(zhì)量、安全、成本、技術(shù)、信息等管理提供助力，更有效地推動建筑業(yè)的發(fā)展。