BIM技術在暖通設計中的應用分析

文／張永飛 深圳市方佳建筑設計有限公司沈陽分公司 遼寧沈陽 110000

引言：

暖通空調控制系統是指在居室及汽車從事供暖、通風技術和空氣調節(jié)工作的控制系統及有關裝置。暖通空調的三種主要功能是供暖、通風技術和空氣調節(jié)工作，均具有相互交叉關系,其目的是在合理的布置、運行和維護成本下,創(chuàng)造適宜室溫和適宜的室內空氣品質。暖通空調控制系統的設計目的是為了構建有利于人體生活的居室或人工環(huán)境。利用供暖空調控制系統可調節(jié)室內空氣的溫和濕度,從而改善室內環(huán)境舒適性。但由于以往的建筑工程暖通設計中,方案大多采用二維圖紙方法表現,并且要經過大批技術參數的測算,由于設計師精力有限,難免會存在設計錯漏碰缺和現場施工凈高不足等實際存在問題,對項目質量和造價成本的管控力度效果也不佳。而通過使用BIM技術,可以有效緩解相關問題。

1、BIM 技術概述

BlM是指工程建設信息系統的建模，采用三維數字技術為基本，整合了工程項目中所有有關信息系統的工程技術數據模式，是對工程項目基礎設施實體結構和功能特征的數字化表述。既是一種相互共享的工程技術知識資料,又是一種相互共享相關信息，并為該基礎設施在從設計概念到拆除過程的整個生命周期中的各種決定提供了可靠基本的信息過程。在工程項目的各個階段、各種利益關聯方，通過從BlM中插入、獲取、變更和調整工程建設信息系統,都能夠為其相應工作的協調作業(yè)提供保障和反應。BlM技術作為一種新型的技術手段,已在當前中國國內建筑行業(yè)中獲得了較為普遍的運用,其中暖通空調設計就是BlM技術運用的一個經典領域。

2、BIM技術內涵且在建筑物暖通工程設計中的應用優(yōu)勢

BIM理念是在一九七五年由美國人提出的,之后通過持續(xù)地研發(fā)技術創(chuàng)新,將BIM信息技術運用工具從以往的抽象理論變?yōu)榱司呦筮\用工具?，F在BIM的技術我國用語也叫做建筑物信息模型。在建筑物暖通設計中,關于BIM信息技術的利用主要依靠各種大數據分析信息系統為基礎,形成的信息系統模式,實際使用中具有仿真性、優(yōu)化性、協調度、數據分析信息可視化、互動性、可出圖性、功能完備性和信息系統數據一致性等特征。在新信息技術社會時代背景下,在建筑工程中為達到對BIM信息技術的更有效利用,就必須對其進行進一步的研究,以有效擴大技術運用范疇。

現今由于國家經濟與科技的持續(xù)發(fā)展,大批人進入城市生活工作,同時人民生活質量的持續(xù)改善,對物質需求質量不斷提升,將有效推動建材行業(yè)的發(fā)展。但面臨著巨大的市場需求,需要在建筑行業(yè)中改變以往的設計與施工管理模式,加快數字化轉變,在建筑中運用大量信息化,以此達到施工品質的提升和施工周期的減少。在施工中暖通空調屬于關鍵的一環(huán),而施工設計環(huán)節(jié)則屬于暖通施工開展的基石,所以,必須提高供暖工程設計的規(guī)范化、合理化、科學化。在暖通設計中積極運用BIM技術,首先可以在工程規(guī)劃發(fā)展階段,運用仿真特性、可視化優(yōu)點建立暖通設計模式,能夠直接地看到在總體設計方案中出現的問題和與其他專業(yè)領域的碰撞問題,也可以在暖通空調安裝施工之前制定最優(yōu)化的設計方案。此外,在現實的暖通工程建設中難免會受到各種因素負面影響,而必須改變方案。通過常規(guī)的工程設計方法要求實施大規(guī)模的建筑圖紙變更,不但提高了暖通系統造價成本,同時拖延了建設周期。但是通過利用BIM工程技術,在設計發(fā)生變更情況時,就可以運用BIM工程技術,更快速地發(fā)現問題所在,并及時地制定變更方法,從而有效節(jié)約了變更設計的消耗時間。最后,通過運用BIM通空調工程建設中必須使用大量的機械設備和運輸管線,機械設備和管線選型對暖通空調系統運行品質和工程造價產生深遠的影響,能夠根據建筑暖通空調系統的用水量、揚程等參數需求合理選用水泵、電機等管路類型,并根據實際施工實踐合理測算相應建筑材料、機械設備的數量,在符合建筑暖通空調系統工程設計要求的基礎上,有效控制了造價的成本,從而達到施工單位效益的顯著提高。

3、BIM技術在建筑暖通設計中運用存在的問題

3.1 BIM技術存在應用風險

從上文可以得知,BIM科技在建筑物暖通工程設計中的意義相當重要,有很大的使用價值與實際意義。不過,目前BIM科技的發(fā)展還不夠完整,面臨著一定的立法應用經營風險,一般集中在立法、科技、成本管理等三個方面。首先,BIM科技在建筑物暖通設計中的巨大法律風險。究其原因,由于BIM技術在中國處于開發(fā)初期,相應的法律規(guī)定并沒有完善,還存在著一定法律問題。在此情形下,如果建筑工程暖通設計使用了BIM方法,就很易發(fā)生法律糾紛,從而干擾了工程暖通設計的正常發(fā)展。第二,BIM技術在施工暖通設計中的技術問題。究其原因,建筑暖通設計員并沒有專門的BIM技術運用能力,也無法從實踐中入手,設計方案出現了很多的問題,并嚴重脫離了現實。在此情形下,由于施工暖通設計員沒有實際技能,導致工程設計方案缺少實操性,無法獲得客戶的肯定與支持,影響了工程中暖通空調施工的經濟性。第三，BIM信息在建筑物暖通工程中的成本管理控制風險。究其原因,由于BIM建筑設計是前沿的科學技術,對硬件設備的需求非常高,因此必須做好設備的采購與更新,賦予了建筑物暖通設計更多的生產成本與壓力。在此情形下,建筑物的暖通設計若沒有運用好BIM建筑設計,將產生巨大投資成本的耗費。

3.2 BIM技術存在應用挑戰(zhàn)

建筑暖通設計人員越來越注重于對BIM技術的研究與運用,使得BIM技術的發(fā)展速度提高,并呈現出了良好的發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展前景。不過,BIM技術在建筑暖通設計中有不少挑戰(zhàn),主要集中在人才、管理等二個方面。首先,BIM技術在建筑暖通設計中的人才挑戰(zhàn)。具體表現而言,建筑設計暖通施工的設計技術人員,往往很難投資足夠的資金與力量掌握BIM技能,在實際操作中也不能實現對BIM技能的順暢運用;建設暖通空調工程項目中忽視了對BIM人員的吸納與培訓,既沒有在新設計人才的招募中增加對BIM技能需求,也沒有對已有的新設計人才開展專業(yè)技能培養(yǎng)與專項提升;建筑設計人才也缺乏通過BIM技能,以實現更有效的信息共享與溝通,建設暖通空調工程項目中缺乏良好的信息溝通機制。其二,BIM信息技術在施工供暖建筑設計中的管理技術挑戰(zhàn)。具體表現而言,建筑設計企業(yè)施工暖通工程設計時已經基本意識到了BIM信息技術的重要性,但并未建立具體實施的工作過程,因此經常出現設計工作問題;當前的BIM開發(fā)技術軟件系統還沒有完全系統化,所以建設暖通空調工程設計在大量使用BIM技術開發(fā)的工程項目中,必須解決很大的BIM技術開發(fā)軟件系統管理難度;而建設暖通空調工程設計中對BIM技術開發(fā)的研究與運用也需要大量資金投入支撐,所以建設暖通設計中常常存在著資金不足的局勢。

4、建筑暖通設計中BIM技術的應用

4.1 前期準備

進行施工暖通設計時,設計人員需要根據實際施工情況運用BIM技術有效測算,并分析擁有條件、施工要求,確定設計方案,然后再根據施工單位的資質、資源狀況和生產經營條件合理調整設計的資金投入方法,以提高施工暖通設計經濟效益,從而減少現場施工中存在困難,提高暖通設計的施工質量。此外,設計工作人員還需要在運用BIM技術實施暖通設計時不斷總結相關經驗,在其他施工暖通設計時為線路布置、數據標注等提供技術基礎。最后,在運用BIM技術進行施工及暖通設計時,工程設計人員還必須與其他相關專業(yè)工程的設計人員進行積極地溝通交流,以探討設計方案中的技術缺陷,提升工程風險防范效率,并在施工中進行技術交底工作。

4.2 建立模型

在建筑物暖通工程設計中,由于使用BIM科技可以更直接表現機械設備的規(guī)格、管道規(guī)格、管線由等,這樣就使得相關工程技術人員所建筑設計的方法可以與建筑物實際需要保持一致。同時三維模型也必須與二維平面的設計參數保持一致,以避免與操作環(huán)境產生偏差。建筑會產生消防水管、風機、中央空調管道、電氣橋架等大批管線,其中在廊道和機房處會更為繁雜。在施工暖通設計中運用了BIM施工技術,就可以高效處理管道線路工程設計中存在問題,從而保證了設計方案的規(guī)范化、科學化,節(jié)約項目施工時間,提高了設計效果,有效控制了施工成本。

4.3 設計計算

BIM科技應用的最大優(yōu)點,就是可以使建筑物供暖工程設計的方法更加三維化、可視化。在建筑設計時,工程設計人員往往需要根據當地氣候變化、建筑物特點,綜合考慮冷暖熱源和管線自由方案。在以往的供暖工程設計中,往往需要對建筑物暖通空調的冷熱負荷加以核算,計算主要依賴工程設計人員在二維圖中按照建筑物空間格局和房間功用實行熱負荷測算,但由于設計人精力有限,難免會發(fā)生計算結果偏差。而在建筑物暖通設計中可以運用BIM科技三維模型化,在當中添加氣候、空氣數據分析,形成四D模式,通過分樓面、分體系、分型號將各種數據分析信息統計分析成為報告資源,減少了總體的工程設計方法變更概率,從而做到了有效、合理安裝。比如中國北方建筑物暖通控制系統方案設計,由于中國北方建筑物大多需要冬暖夏涼,同時,由于中國冬天氣溫比較低,對供熱負荷量需求也很大，所以,在開展建筑物暖通設計工作時,有關工程技術人員就必須對建筑物的通風狀況做出合理測算,并通過運用BIM等信息技術保證測算數值的一致正確性。主要過程是先測算建筑窗戶全部開啟狀況下風流通速率,并檢測室內外氣溫與相對濕度,比較相同調風狀況下相同風速等級數值之間的差距。在建筑工程暖通設計過程中單一采用BIM信息技術進行的參數運算工作就比較復雜,因此,在實際工作中有關工程技術人員就必須主動使用其他信息技術輔助運算工作,將實際數據代入運算程式,再自行計算所需數值。

4.4 場地環(huán)境分析

在施工暖通設計中受到建筑物內外的各種因素直接影響,所以,暖通設計時需要對直接影響的各種因素做出全方位綜合分析。施工暖通設計中必須堅持實事求是原則,對建設施工現場環(huán)境的影響各種因素做出全方位綜合剖析。使用BIM技術,在施工暖通設計的環(huán)境因素分析中,主要涉及到聲環(huán)境和風環(huán)境的影響。利用測量施工現場風壓和風力,構造施工暖通空調模型,仿真在大風環(huán)境下施工狀況,避免出現滯風、渦流等情況。此外,由于利用BIM技術獲取噪聲數據,解析建筑物噪聲調性范圍和程度,從而工程設計更適合于住宅的暖通設計方案。對暖通設計方案合理性評估也可通過考察噪音。大多數建筑都對噪音面臨著嚴格要求,所以在暖通系統設計階段需要有關技術人員積極運用BIM技術精確、嚴謹地解析數據,工程設計的科學化、合理性方案。

4.5 空間檢查

建筑物空間檢測首先根據建筑設計、構造、給排水管、電力、暖通等專業(yè)技術圖樣,建立三維空間模式,再根據建筑物各個區(qū)域凈高特點,優(yōu)化機電管道排布會方案設計,對建筑物的豎向設計空隙經過檢測分析后,在不出現事故的技術基礎上,通過運用BIM軟件系統調節(jié)各專業(yè)方向的管道排布會,以最大限度地增加建筑物凈空標高。然后,再根據排布會方案設計編制沖突檢測報告和管道綜合優(yōu)化報表,在施工之前做好技術交底,以防止工程設計問題傳導到施工。最后,將模塊導入到Navisworks、Lumion、Fuzor等可視化的BIM軟件系統中,提供各種三維空間視圖模型、各視角的剖切視頻、高度真實渲染圖像和漫游視頻動畫,以豐富視覺環(huán)境,從而實現更高效的設計方案驗證及與外部交流,大大地提高建筑物的暖通設計品質。

4.6 暖通風系統、給水系統和消防排煙設備系統

建筑的室內通風方法。建筑的通氣方法主要可分成機械通風或稱強迫通風和自然通風二種。機械通風或強制通氣都是指使用機械設備進行通氣,用直接導入外部室內空氣的方法維持內部室內空氣質量,以降低室內空氣中的濕氣、臭味和污染,但是若外部的空氣相對濕度比較高時,還需用額外的能量去除直接導入室內空氣中的濕氣。自然通風,是指一個建筑的內部通風不借由風機或其他設備,可開啟的門窗是最簡易的天然通風設備。風管系統設計，聯系各風口段和發(fā)電機組,并描繪整個系統軸測圖,以標明各段尺寸和風量。在布局風機控制系統時,應當充分考慮下列各種因素:盡可能簡化管路,簡化分支管路、盡量減少繁雜的局部結構、恰當的管理與空調給水控制系統、消防水管控制系統和其他管路系統之間的關系。相對來說,管路型的新風控制系統因為工作量較大更適宜工業(yè)生產和大規(guī)模辦公室的應用,而無管路型新風控制系統則由于設計方法簡單,更適宜家居應用。新風系統是通過在封閉的房間內一邊用專門裝置向房間內輸入新風,而后再在另一側由專門裝置直接向室內外排除,在房間內中會產生新風流動場,因而達到了房間內新風換氣的要求。中央空調系統新風量主要是指用于提高空調室內氣流品質,所必須送入定量的室內外清潔氣流，它的高低也與室內空氣品質和能量消耗直接相關。新風量送入的準則:符合良好衛(wèi)生環(huán)境、補貼局部通風量、維護房間內的正壓需求、商業(yè)中央空調控制系統的新風量指標。而工業(yè)空調控制系統的新風量指標應補償排風或者維護房間內正壓所需風速,與保護工作人員所需求最小新風量二者中的最大，一般不低于30m3/(人h)。工業(yè)排風系統,排風系統指企業(yè)為了避免機器設備在生產工作過程中所生成的危害物對廠房空氣形成環(huán)境污染,而經常采用排氣罩或吸風口就地將危害物加以收集,并通過管路直接送入空氣凈化裝置中加以處置,在達到排出標準后,再回用或進入工廠大氣。經濟上考慮,用管路聯成整體,形成局部的排風體系,全部系統共用同一套空氣凈化裝置和風機。在局部通風中,要實現對有害物的有效捕集作用,就需要局部通風控制系統能按各裝置所需要的最大局部排風量排風。通風系統設計一般地下變電所設有單獨的機械設備進風、排風口控制系統,總通氣率按設備發(fā)熱量推算,總換氣頻次不低于12次/h;一般地面式水泵房、制冷機房、換熱機房等均采用單獨的機械設備進風口控制系統和機械設備通氣控制系統,并設有高溫再熱器直達地面。廚房包括局部排風和全部排風,換氣頻次按40次/h～60次/h計,并留出豎井至樓頂以及設備層排水,在排出前配備了油煙凈化設備。此外地下廚房還配置了事故通氣(12次/h)和排煙控制系統。地下部車輛庫裝有機械排風(兼排煙)控制系統,風速按六級/h計量,而平時在地下室一層補風則盡量采取單車道自然進風的方法。無車道進風要求的消防分區(qū)以及地下室2層、地下室三樓車庫,采取了機械補風的多種形式。

結語：

綜上所述,在現階段,對建筑的暖通設計要求正在逐步提高,但實際施工前仍需要確保設計的科學化、合理化。在實際工程設計階段,通過運用BIM技術可以顯著提高工程設計品質與效果。運用三維模擬、仿真分析、可視化數據分析等技術手段,對傳統暖通設計中出現的不合理、不科學等問題加以改變,并以此達到設計的經濟效益、可行性。由此可見,BIM技術對提高建筑施工的品質與效益起到了積極影響,而為了達到BIM技術的廣泛應用,企業(yè)需要加大信息宣傳,進而實現在建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展。