基于BIM技術(shù)的地源熱泵機(jī)房快速安裝研究

經(jīng)乃東

【摘要】隨著國家2030年完成碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的確立，新建建筑向綠色建筑、智慧建造、低能耗發(fā)展是大勢所趨。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為高效率、低能耗的綠色供能技術(shù)，越來越多地在各類綠色建筑中得到應(yīng)用。地源熱泵機(jī)房作為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的核心，設(shè)備及管道眾多，采用傳統(tǒng)CAD圖紙及施工經(jīng)驗(yàn)施工，工期長、材料浪費(fèi)且很難保證美觀?；诖耍恼轮饕治隽薆IM技術(shù)應(yīng)用于地源熱泵機(jī)房快速安裝的原理和特點(diǎn)，并研究了BIM技術(shù)在地源熱泵機(jī)房快速安裝的工藝及操作要點(diǎn)，對快速安裝的效益進(jìn)行了分析與總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);地源熱泵機(jī)房;快速安裝

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.075

目前，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用到建筑行業(yè)當(dāng)中，其機(jī)房作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用傳統(tǒng)二維圖紙及施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，影響機(jī)房整體排布的美觀性及施工質(zhì)量，且施工速度慢，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。為改變當(dāng)前施工現(xiàn)狀，本文研究和探討了BIM技術(shù)利用于機(jī)房的安裝。通過對設(shè)備及管道進(jìn)行建模，通過3D掃描技術(shù)將掃描的土建數(shù)據(jù)，逆向建模導(dǎo)入機(jī)房設(shè)備及土建模型中，在三維模型中進(jìn)行排布優(yōu)化，并采用BIM中具有可視化模型及碰撞檢測的功能，對現(xiàn)有模型進(jìn)行碰撞檢查，能直觀地發(fā)現(xiàn)問題，提升機(jī)房的使用空間，導(dǎo)出圖紙及材料表格。施工過程中，通過智能放樣機(jī)器人直接從模型上點(diǎn)擊放樣點(diǎn)進(jìn)行測量和放樣，施工方便快捷，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房的快速安裝施工。

1、利用BIM技術(shù)進(jìn)行地源熱泵機(jī)房快速安裝的原理及特點(diǎn)

1.1工作原理

在地源熱泵空調(diào)機(jī)房施工中，先利用BIM技術(shù)采用Revit建模軟件，按照二維設(shè)計(jì)圖紙對機(jī)房設(shè)備及管道進(jìn)行建模。在三維模型中進(jìn)行排布優(yōu)化，并采用BIM中具有可視化模型及碰撞檢測的功能，對現(xiàn)有模型進(jìn)行碰撞檢查及優(yōu)化;然后采用3D掃描技術(shù)對機(jī)房內(nèi)墻、梁、柱、板、基礎(chǔ)機(jī)房內(nèi)各預(yù)留預(yù)埋的孔洞及構(gòu)件等進(jìn)行掃描，確保后續(xù)預(yù)制管段和機(jī)房內(nèi)機(jī)組及立管準(zhǔn)確對接。將空調(diào)機(jī)房掃描數(shù)據(jù)逆向建模得到的機(jī)房建筑BIM模型鏈接至優(yōu)化模型中，替換原機(jī)房建筑BIM模型，調(diào)整管線深化設(shè)計(jì)模型里預(yù)制管段接駁位置，準(zhǔn)確繪制預(yù)制管段的支架及定位尺寸;并將模型合理劃分為多個(gè)模塊。導(dǎo)出圖紙及材料數(shù)據(jù)，并根據(jù)導(dǎo)出的材料數(shù)據(jù)進(jìn)行管段和支架的加工制作，并將每個(gè)管線進(jìn)行編號(hào)。最后將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入放樣機(jī)器人手薄，直接從模型上點(diǎn)擊放樣點(diǎn)進(jìn)行測量和放樣，并根據(jù)放樣點(diǎn)進(jìn)行支架及管接的安裝。

1.2 工作特點(diǎn)

（1）通過在三維BIM模型中對機(jī)房設(shè)備及管道進(jìn)行建模，并利用3D掃描技術(shù)將空調(diào)機(jī)房掃描數(shù)據(jù)逆向建模得到的機(jī)房建筑BIM模型鏈接至優(yōu)化模型中，替換原機(jī)房建筑BIM模型，并排布優(yōu)化，可有效控制機(jī)房的施工，解決管道連接不合理、排布觀感差等質(zhì)量通病，提高施工效率和質(zhì)量。

（2）在完成管道優(yōu)化布置后，可利用revit軟件進(jìn)行管材用料統(tǒng)計(jì)，形成管材清單，為算量及以后期采購提供參考，避免了材料的浪費(fèi)。

（3）通過將BIM模型中的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入智能放樣機(jī)器人，直接從模型上點(diǎn)擊放樣點(diǎn)進(jìn)行測量放樣，無需讀圖計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)位，測量作業(yè)更加快捷，同時(shí)也避免了讀圖計(jì)算過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，測量準(zhǔn)確性更高。

2、利用BIM技術(shù)進(jìn)行地源熱泵機(jī)房快速安裝的工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1工藝流程

施工操作流程：

施工準(zhǔn)備→建立BIM模型→3D掃描及模型優(yōu)化調(diào)整→導(dǎo)出數(shù)據(jù)→管道施工模擬→管道預(yù)制加工→測量放樣→設(shè)備及管道安裝。

2.2操作要點(diǎn)

2.2.1施工準(zhǔn)備

（1）各專業(yè)及BIM技術(shù)人員、計(jì)算機(jī)、軟件等到位;

（2）收集機(jī)房內(nèi)所有專業(yè)（包括建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水等）的施工圖紙、會(huì)審記錄、技術(shù)變更、管道設(shè)備外形尺寸等資料并實(shí)時(shí)更新;

（3）在滿足規(guī)范的前提下，與甲方充分溝通，了解其對機(jī)房空間的要求，如管道最高多少、最低多少、最多有幾檔標(biāo)高等;

（4）根據(jù)CAD圖紙先一步進(jìn)行地源熱泵空調(diào)機(jī)房各圖紙的疊加與優(yōu)化。

2.2.2建立BIM模型

根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)施工圖建立地源熱泵機(jī)房建筑結(jié)構(gòu)模型，并作為機(jī)電模型繪制的基礎(chǔ);根據(jù)基礎(chǔ)、排水溝圖紙，在模型中繪制設(shè)備基礎(chǔ)及排水溝的模型;根據(jù)地源熱泵施工圖中的管線、設(shè)備外形尺寸等數(shù)據(jù)建立相應(yīng)機(jī)電模型;整合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電模型;模型搭建時(shí)各系統(tǒng)的命名須與圖紙保持一致，系統(tǒng)中的各類閥門、壓力表等須按圖紙中的位置加入;如圖2.2.2所示。

（1）機(jī)房建筑模型

（2）機(jī)房設(shè)備管道模型

2.2.3 3D掃描及模型優(yōu)化調(diào)整

（1）現(xiàn)場準(zhǔn)備為保證掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)合理選擇掃描時(shí)機(jī)，以減少對掃描工作的干擾。在掃描前應(yīng)對掃描現(xiàn)場進(jìn)行必要的清理，對可能影響掃描實(shí)施的建筑垃圾、施工車輛、現(xiàn)場工人等加以清理，排除干擾。

（2）掃描設(shè)站規(guī)劃在掃描準(zhǔn)備階段，應(yīng)對掃描現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，圈出改造范圍，管線密集區(qū)域、掃描障礙物等，編制掃描設(shè)站平面規(guī)劃圖。

（3）三維激光掃描儀對整個(gè)掃描空間進(jìn)行詳盡掃描，獲取掃描空間所有圖像信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括各種的三維模型、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、像素及其他相關(guān)測量數(shù)據(jù)。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過RealWorks軟件新建工程、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、有靶球配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去除噪點(diǎn)處理并校準(zhǔn)三維激光掃描數(shù)據(jù)。

（5）BIM逆向建模及模型優(yōu)化調(diào)整根據(jù)數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)還原施工現(xiàn)場的大量空間點(diǎn)模型，并將該模型替換原建筑模型，并對模型進(jìn)行優(yōu)化，如圖2.2.3-1所示。依據(jù)規(guī)范及甲方對機(jī)房布置的要求，設(shè)定管線控制標(biāo)高（最低、最高），確保模型中各系統(tǒng)的管線、設(shè)備在滿足要求。優(yōu)化和調(diào)整模型時(shí)需遵循布局應(yīng)參照施工圖紙結(jié)合機(jī)房現(xiàn)狀，合理布置美觀;閥門、法蘭等管件標(biāo)高一致、朝向一致，均勻排布;設(shè)備臺(tái)座標(biāo)高一致等原則，如圖2.2.3-2所示。然后通過Navisworks軟件碰撞功能快速檢查各專業(yè)設(shè)備管線與剪力墻、柱、梁及各專業(yè)設(shè)備管線之間是否有沖突，并生成沖突報(bào)告;管線優(yōu)化人員應(yīng)結(jié)合自身專業(yè)經(jīng)驗(yàn)或與施工技術(shù)人員配合，充分考慮管線施工中的安裝空間、各類橋架與其他管道的凈距要求、各類閥門的安裝位置等并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，如圖2.2.3-3所示。

2.2.4數(shù)據(jù)導(dǎo)出

所有模型數(shù)據(jù)均應(yīng)準(zhǔn)確無誤，模型與其相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)保持一致，構(gòu)件數(shù)據(jù)有變更時(shí)，模型應(yīng)及時(shí)隨之更新;通過Revit軟件可以導(dǎo)出模型圖紙及管材、設(shè)備信息，可生成材料清單，通過內(nèi)部審核后，提交給施工部門審核;模型導(dǎo)出的圖紙應(yīng)當(dāng)支管清晰表達(dá)優(yōu)化后的機(jī)房的模型內(nèi)容，滿足施工條件，并符合規(guī)范要求，如圖2.2.4所示。

2.2.5管道施工模擬

（1）收集施工方案的文件和資料，包括工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度和要求、施工現(xiàn)場的自然條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料等;

（2）結(jié)合工程項(xiàng)目的施工工藝流程，對施工作業(yè)模型進(jìn)行施工模擬、優(yōu)化;

（3）針對局部復(fù)雜的施工區(qū)域，進(jìn)行重難點(diǎn)施工方案模擬，生成方案模擬報(bào)告，并與施工部門、相關(guān)專業(yè)分包協(xié)調(diào)施工方案;

（4）出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更和修改時(shí)，先在模型上進(jìn)行模擬推演，尋找最佳解決方案。

2.2.6管道預(yù)制加工

根據(jù)三維模型導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行管道的預(yù)制加工，首先采用管道切割機(jī)或手持式砂輪磨光機(jī)進(jìn)行切割，對需要切割的管材進(jìn)行自檢和專檢，確保測量無誤后方可下料。最后將切割完成的短管在加工場地指定地點(diǎn)歸類擺放整齊。

2.2.7測量放樣

（1）BIM模型優(yōu)化調(diào)整完成后將該文件拷貝至放樣機(jī)器人BIM移動(dòng)手薄的BIM智能放樣軟件目錄。通過BIM移動(dòng)手薄上運(yùn)行的TrimbleFieldLink軟件實(shí)現(xiàn)打開、查看，即可開始現(xiàn)場放樣測量工作。

（2）應(yīng)用放樣機(jī)器人進(jìn)行放樣測量時(shí)，通常采用后方交會(huì)測站法、已知點(diǎn)側(cè)站法和使用上一測站法進(jìn)行測站設(shè)定，現(xiàn)場根據(jù)情況自由選擇設(shè)站方式。

2.2.8設(shè)備及管道安裝

（1）設(shè)備安裝利用施工塔吊或汽車吊將設(shè)備吊至相應(yīng)位置，再利用拖排將設(shè)備運(yùn)輸就位安裝。

（2）管道支吊架制作及固定

管道支吊架制作前，確定管架標(biāo)高、位置及支吊架形式。管道支架固定在磚墻位置采用預(yù)埋鋼板的方式固定，梁、柱、板部位采用膨脹螺栓法固定。

（3）閥門及法蘭安裝螺紋或法蘭連接的閥門，必須在關(guān)閉情況下進(jìn)行安裝，同時(shí)根據(jù)介質(zhì)流向確定閥門安裝方向。

（4）管道安裝

管道安裝時(shí)采用移動(dòng)式手拉葫蘆進(jìn)行吊裝，立管安裝先從最高端的一根開始，焊好一根，提升一根。施焊前必須按規(guī)定鏟好坡口，施焊時(shí)上部鋼管必須可靠固定，并有防滑措施和指派專人看守。

（5）管道的試壓及沖洗

水管安裝完畢后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水系統(tǒng)最低點(diǎn)試驗(yàn)壓力為0.6MPa，水壓試驗(yàn)以十分鐘內(nèi)不超過20KPa為合格。然后將壓力降至工作壓力作嚴(yán)密性試驗(yàn)，用1.5kg的小錘敲擊焊縫，焊縫及絲扣處無滲水等異樣為合格，試壓完成后進(jìn)行管道清洗工作。

3、利用BIM技術(shù)進(jìn)行地源熱泵機(jī)房快速安裝的效益分析

通過BIM技術(shù)對地源熱泵機(jī)房進(jìn)行三維模擬安裝及優(yōu)化，與傳統(tǒng)CAD二維平面優(yōu)化布置相比，避免了材料浪費(fèi);并將模型中各坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入智能放樣機(jī)器人，直接從模型上點(diǎn)擊放樣點(diǎn)進(jìn)行測量和放樣，保證了放樣工作快速準(zhǔn)確的進(jìn)行，減少在施工階段可能存在的修改和返工，合理地安排施工順序，提高了施工效率，減少了協(xié)調(diào)及返工時(shí)間，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

結(jié)語：

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及綠色建筑、智慧建造等理念的不斷發(fā)展，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)施工中不斷出現(xiàn)新技術(shù)、新材料、新工藝。在實(shí)際施工中，合理地利用BIM技術(shù)模擬管道安裝，并結(jié)合3D掃描進(jìn)行管道線路優(yōu)化，可以提高線路的安裝精度和安裝質(zhì)量，保證地源熱泵空調(diào)機(jī)房的安裝質(zhì)量和布局觀感，也可以減少材料的浪費(fèi)，讓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在將來的運(yùn)行中更加安全、穩(wěn)定，發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能減排作用，助力國家“碳中和、碳達(dá)峰”政策的推進(jìn)，在類似項(xiàng)目施工中具有較高的推廣價(jià)值。

作者簡介：

經(jīng)乃東（1984.10.18），男，碩士，中級(jí)機(jī)電工程師，一級(jí)機(jī)電建造師，從事建筑機(jī)電工程技術(shù)工作。