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一、關(guān)于恒溫車間的改造

項目介紹

陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司綠色恒溫車間改造項目，位于陜西省寶雞市姜譚路，總建筑面積為9583.43平方米，總投資13735萬元，是目前國內(nèi)機床行業(yè)規(guī)模最大的恒溫車間改造項目。

項目圍繞“精密加工、精密裝配、精密檢測”的設(shè)計目標，利用Revit系列軟件以仿真模式進行設(shè)計優(yōu)化，使車間溫度得到精確控制，同時集成工廠MES系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)與環(huán)境控制的隨動。在業(yè)內(nèi)首次全面地將BIM技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、綠色模擬分析技術(shù)融合到項目的設(shè)計過程中，為國內(nèi)機械工廠恒溫車間工業(yè)化與信息化融合的典范，被業(yè)界認為是國內(nèi)真正的綠色恒溫機械制造車間。

以BIM做核心，協(xié)同設(shè)計

圖1 陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司恒溫車間改造項目鳥瞰

圖2 改擴建車間公用專業(yè)管線

作為一個大型的機械工廠節(jié)能環(huán)保改擴建項目，該項目涉及專業(yè)復(fù)雜、限制因素較多，由于擴建制冷間預(yù)留空間狹小、需設(shè)管線復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計手段極難精確定位并表達各管線空間位置，同時施工過程還不能影響原有車間日常生產(chǎn)。

對此，設(shè)計師用Revit MEP進行車間管線綜合設(shè)計，方案調(diào)整便捷、高效，管線位置及相互關(guān)系表達直觀，各類管線在狹小的空間內(nèi)得到最優(yōu)化布置；利用BIM技術(shù)，對施工工序和進度進行嚴格控制，顯著降低了返工率，大幅提升了施工精度，使改造過程對原有車間生產(chǎn)的影響降到最低。

針對設(shè)計中易出現(xiàn)的“錯漏碰缺”現(xiàn)象，設(shè)計師在Revit MEP和Navisworks進行多方?jīng)_突檢測，方便快捷，在施工前有效預(yù)防各類碰撞的發(fā)生。

圖3 利用Revit MEP進行車間管線綜合設(shè)計

圖4 利用Revit和Navisworks同時進行碰撞檢測

該項目公用專業(yè)管線排布方案復(fù)雜，而客戶對方案的實時展示又有著較高要求。設(shè)計師利用Revit直接進行設(shè)計，并通過Navisworks將設(shè)計方案直觀展示，這種模式對工期、空間等有著嚴格限制，較之傳統(tǒng)設(shè)計模式具有無可替代的優(yōu)越性和便捷性。

圖5 制冷間管線排布最終方案展示

對于設(shè)計方案中的專業(yè)設(shè)備、管路附件等材料的統(tǒng)計，設(shè)計師采用Revit的工程量統(tǒng)計功能，與傳統(tǒng)人工統(tǒng)計相比，所得數(shù)據(jù)的準確性和工作效率均顯著提高。

圖6 利用Revit進行工程量統(tǒng)計

后期CAD出圖階段，設(shè)計師按照內(nèi)部制定的Revit專業(yè)構(gòu)件圖層設(shè)置規(guī)則，使三維模型構(gòu)件能夠按照內(nèi)部專業(yè)圖層標準轉(zhuǎn)換成二維圖紙圖層。

協(xié)同——“雜”而有序

圖7 利用Revit進行平面出圖

設(shè)計軟件多樣化、專業(yè)軟件深入化、多種軟件規(guī)范化，Revit、Navisworks、Inventor等軟件各取所長、充分挖掘、統(tǒng)一標準、密切協(xié)同。

采用Revit工作集的協(xié)同設(shè)計模式，實現(xiàn)項目內(nèi)各專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)同步、共享，在設(shè)計過程中可主動地減少甚至消除各專業(yè)間的碰撞問題。

綠色為宗旨，各顯神通

考慮采光通風(fēng)要求，廠房側(cè)墻設(shè)高低窗、屋頂設(shè)采光天窗，開窗數(shù)量及位置通過Revit設(shè)計定位，將三維模型導(dǎo)入Ecotect、CFdesign和Airpak中分別進行采光及氣流組織模擬分析，在不影響車間通風(fēng)要求的基礎(chǔ)上最大限度地利用自然光源。同時，考慮到恒溫車間的特點，從建筑保溫性能出發(fā)，采取經(jīng)濟合理的保溫措施，通過Ecotect 進行能耗分析，在不增加預(yù)算的前提下?lián)袢∽顑?yōu)方案，提高能源的利用效率，減少生產(chǎn)運營能耗，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

圖8 Revit工作集的協(xié)同設(shè)計模式

圖9 最大限度地利用自然光源

圖10 利用Ecotect對Revit模型進行日照分析

根據(jù)廣泛的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)機床行業(yè)已建恒溫車間均存在機組造型過大，冷熱抵消現(xiàn)象普遍的問題。設(shè)計師在BIM模型設(shè)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用Autodesk Ecotect和Energplus能耗模擬分析軟件，對建筑性能進行模擬分析優(yōu)化，在建模的基礎(chǔ)上進行動態(tài)負荷技術(shù)，取得了較好的節(jié)能效果。

圖11 Revit MEP生產(chǎn)車間空調(diào)及采暖負荷計算

圖12 利用Ecotect對Revit模型進行能耗分析

圖13 利用Energyplus對恒溫車間進行動態(tài)負荷計算

該項目對車間溫度控制精度、空調(diào)控制系統(tǒng)隨負荷的聯(lián)動均有很高要求，傳統(tǒng)設(shè)計控制策略單一，且未作節(jié)能優(yōu)化，部分尚存在氣流組織不理想的問題。對此，設(shè)計師在暖通及自控設(shè)計過程中，利用多種模擬分析軟件，對傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計與分層空調(diào)方案進行CFD模擬、對比、分析及優(yōu)化，選擇最優(yōu)化方案，提高通風(fēng)效率，提高空調(diào)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)作業(yè)和環(huán)境變化的隨動性，降低空調(diào)運行能耗，采用節(jié)能設(shè)計方案。

圖14 兩種送風(fēng)方案比選

圖15 送風(fēng)方案對比優(yōu)化

設(shè)計師在Revit設(shè)計方案基礎(chǔ)上，采用TrnSys軟件進行模擬優(yōu)化，結(jié)合Matlab仿真出新的算法，提高了空調(diào)自控系統(tǒng)的隨動性和精確度，實現(xiàn)節(jié)能運行。

圖16 Trnsys對恒溫車間空調(diào)系統(tǒng)進行控制模擬

實際應(yīng)用過程發(fā)現(xiàn)Revit與 Ecotect、CFdesign、Radiance、Winair4、Airpak、Energyplus、Design builder、Trnsys、 Canda/A等建筑性能及氣流組織模擬分析軟件均可良好兼容，利用分析軟件對Revit模型進行光環(huán)境、熱環(huán)境、造價、CFD等模擬分析，從廠區(qū)規(guī)劃到建筑材料的選用，從建筑節(jié)能環(huán)保到暖通方案分析，采用分層空調(diào)等技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能30%，將綠色工廠的理念貫穿整個設(shè)計過程。

圖17 利用Trnsys對空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)重要控制參數(shù)溫度模擬

用開發(fā)尋捷徑，省時節(jié)力

隨著項目的進行，設(shè)計師所建族構(gòu)件越來越多，各專業(yè)模型構(gòu)件的存儲管理及構(gòu)件參數(shù)查看逐漸成為制約設(shè)計效率提升的瓶頸。

Revit二次開發(fā)團隊在Revit軟件中嵌入自主開發(fā)的“三維構(gòu)件庫”系統(tǒng)，充分解決了以上問題，同時有效避免了重復(fù)性的構(gòu)件制作工作，為以后項目設(shè)計提供構(gòu)件積累，大大提高設(shè)計效率。

“三維構(gòu)件庫”包含了Revit軟件專業(yè)族構(gòu)件和Inventor軟件設(shè)備構(gòu)件。

圖18 自主開發(fā)的“三維構(gòu)件庫”系統(tǒng)

為保障項目施工現(xiàn)場和設(shè)計院之間的信息實時溝通，在項目施工現(xiàn)場和設(shè)計團隊統(tǒng)一部署了自主開發(fā)的“三維綜合交付系統(tǒng)”、“二維設(shè)計成品交付系統(tǒng)”二套軟件系統(tǒng)，建立起項目施工現(xiàn)場和設(shè)計院之間的信息傳遞通道，項目的BIM設(shè)計模型、二維設(shè)計圖紙及其他相關(guān)資料，能夠及時通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到設(shè)計院。

圖19 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

圖20 三維綜合交付系統(tǒng)

圖21 二維圖紙交付系統(tǒng)

自主研發(fā)的三維、二維設(shè)計成品交付系統(tǒng)，方便了與業(yè)主、施工方的溝通，將更新的圖紙、模型實時推送到施工現(xiàn)場的計算機中，圖紙、模型經(jīng)過加密，相關(guān)人員經(jīng)過業(yè)主授權(quán)可在線或離線使用，一旦離開施工現(xiàn)場的運行平臺，即無法使用，可滿足業(yè)主的信息安全需要。同時在模型中可與施工方進行可視化交底，提高溝通效率，保證施工配合的順利進展。

二、關(guān)于高端液壓支架生產(chǎn)基地的建設(shè)

項目介紹

鄭州煤礦機械集團有限公司是我國規(guī)模最大、技術(shù)實力最強的煤礦綜采支護裝備生產(chǎn)企業(yè)，其液壓支架的總產(chǎn)能、總產(chǎn)量以及支架工作的阻力、最大支護高度均位于世界第一。

鄭煤機高端液壓支架生產(chǎn)基地建設(shè)項目，規(guī)劃占地約1100畝，建設(shè)投資15億元。其中一期占地560畝，總建筑面積24萬平方米，設(shè)計年產(chǎn)各類高端液壓支架15000架。

圖22 鄭州煤礦機械集團有限責(zé)任公司高端液壓支架生產(chǎn)基地建設(shè)項目鳥瞰圖

項目建成實施后，鄭州煤礦機械集團有限責(zé)任公司將更加鞏固其在國內(nèi)煤機行業(yè)的領(lǐng)先地位，成為國家高端礦井成套綜采設(shè)備技術(shù)中心，進而形成國際有較強競爭力的高端液壓支架研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)基地。

BIM作為一種新技術(shù)，引領(lǐng)工程建設(shè)領(lǐng)域走向更高的層次。BIM技術(shù)是基礎(chǔ)和必備，應(yīng)用好BIM才能把設(shè)計產(chǎn)品做的更好，從而提升服務(wù)品質(zhì)和客戶滿意度。

在鄭煤機高端液壓支架生產(chǎn)基地建設(shè)項目中，業(yè)內(nèi)首次將BIM技術(shù)、物流仿真分析技術(shù)、建筑性能分析技術(shù)與設(shè)計融合，實現(xiàn)了精益設(shè)計，并且將計算機網(wǎng)絡(luò)、機床聯(lián)網(wǎng)、RFID、AGV、看板管理及MES系統(tǒng)有效集成，使工廠運營實現(xiàn)數(shù)字化、智能化。在打造數(shù)字化綠色工廠的同時，將其建設(shè)成為制造行業(yè)工業(yè)化、信息化、智能化三化融合的示范企業(yè)。

項目設(shè)計組織方式

鄭煤機高端液壓支架生產(chǎn)基地建設(shè)項目設(shè)計過程中，以生產(chǎn)工藝技術(shù)方案為主，確定各專業(yè)的設(shè)計。但由于工藝繁瑣，交叉點多，傳統(tǒng)流程組織設(shè)計方案在處理此類問題時存在缺陷。廠區(qū)管線縱橫交錯，重力管道沿程標高難以精確確定，極易發(fā)生碰撞，且廠區(qū)工程耗時耗資巨大，返工代價難以估量。廠房內(nèi)移動設(shè)備比較多，靜態(tài)沖突檢測方法無法對工藝設(shè)備移動線路中的沖突碰撞問題進行檢測。生產(chǎn)工藝技術(shù)方案如何優(yōu)化等等諸多問題需要設(shè)計團隊制定一種合理的項目設(shè)計組織方式。

為很好地解決上述問題，在項目中采用BIM技術(shù)，使用Autodesk Revit系列軟件進行各專業(yè)的三維模型創(chuàng)建。通過基于BIM的Revit軟件平臺建立的三維模型具有區(qū)別于傳統(tǒng)二維圖形的特點。它的信息量更多，數(shù)據(jù)的傳遞也更準確、更廣泛，當(dāng)然也可以從中提取傳遞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件，以供其他分析軟件使用。

項目內(nèi)各專業(yè)通過共享Revit中心文件，以工作集的形式進行設(shè)計，在設(shè)計過程中數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步和共享，在設(shè)計環(huán)境中可以主動地消除各專業(yè)間的沖突干涉問題?？梢姡珺IM技術(shù)在提升設(shè)計效率上發(fā)揮著極大的優(yōu)勢。

項目設(shè)計及軟件應(yīng)用

1、初設(shè)分析

廠區(qū)布局以Revit體量模型為載體，采用eM-Plant物流仿真分析，在滿足生產(chǎn)工藝流程的前提下，力求管線短捷、能耗最低、方案最優(yōu)。

工廠環(huán)境設(shè)計強調(diào)以人為本，注重除塵、降噪，借助Airpak和Ecotect對廠房氣流組織、污染控制、建筑聲光熱等性能進行模擬分析及優(yōu)化，努力營造綠色、節(jié)能、舒適的生產(chǎn)環(huán)境。

設(shè)計思路與成果通過Navisworks直觀展現(xiàn)，加深各參與方對布局方案的理解。

圖23 廠區(qū)布局——體量方案

Revit模型導(dǎo)入到Autodesk Ecotect分析軟件對廠區(qū)總體布局進行太陽輻射分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果在廠區(qū)輻射較大的區(qū)域可多種植常綠喬木，在各個季節(jié)可以提供遮陽。在輻射相對較小的區(qū)域，可種植落葉喬木，既可以在夏季提供蔭涼，在冬季也不會對陽光產(chǎn)生較大的遮擋。

Revit模型導(dǎo)入到CFD軟件進行風(fēng)環(huán)境分析，可以得到廠區(qū)周邊區(qū)域的風(fēng)速場，為暖通設(shè)計中冷卻塔位置的確定、新風(fēng)口位置的選取以及自然通風(fēng)的方式提供參考。廠區(qū)規(guī)劃方面，為有污染氣體排放車間擺放提供合理化建議。

圖24 利用Autodesk Ecotect分析軟件對廠區(qū)總體布局進行太陽輻射分析

BIM技術(shù)的應(yīng)用可以在設(shè)計初期進行此類分析，有助于對廠區(qū)更好更合理的規(guī)劃，同時也使得各種綠色技術(shù)手段得以在項目中更加高效、順暢的實施，對節(jié)約資源、降低損耗起著重要作用。

2、工業(yè)仿真

在項目設(shè)計時采用BIM模型結(jié)合工業(yè)仿真分析軟件對工藝流程和物流進行模擬，通過對設(shè)備效率分析、瓶頸分析、生產(chǎn)計劃安排等仿真結(jié)果的分析，進行工藝流程和廠區(qū)物流優(yōu)化，延伸項目設(shè)計的手段，是現(xiàn)有項目設(shè)計模式的突破。

圖25 BIM模型結(jié)合工業(yè)仿真分析軟件對工藝流程和物流進行模擬

3、工藝布局方案比選及優(yōu)化

車間工藝設(shè)備利用Autodesk Inventor軟件設(shè)計完成，模型細致且高度仿真。

圖26 利用Autodesk Inventor軟件設(shè)計完成的車間工藝設(shè)備模型細致且高度仿真

工藝布局應(yīng)用Revit設(shè)計選項，方便展示各方案布局及技術(shù)特點。

圖27 工藝布局模型對比

4、建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照生產(chǎn)工藝流程及各個廠房的Revit體量和高度，采用Ecotect對建筑設(shè)計方案進行日照、熱環(huán)境、光環(huán)境分析，通過分析數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案，在廠房建筑設(shè)計中采取以水平線條為主配以豎向構(gòu)件的處理手法，充分體現(xiàn)聯(lián)合廠房的恢弘氣勢，并使整體效果充滿韻律感。

圖28 通過分析數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計的廠房建筑整體效果充滿韻律感

2條580 米長的內(nèi)庭院式參觀走廊貫穿1～6號廠房和7～11號廠房，創(chuàng)造舒適宜人的工作環(huán)境和人文景觀。

圖29 廠房內(nèi)采用內(nèi)庭院式參觀走廊設(shè)計

1～12號生產(chǎn)廠房均采用了輕鋼門式鋼架結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中，使用Revit創(chuàng)建各種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件族，準確的將二維圖紙很難表達的結(jié)構(gòu)部分細節(jié)在三維環(huán)境中進行直觀的表現(xiàn)。并且通過視圖雙向聯(lián)動功能，減少設(shè)計人員重復(fù)性的建模和繪圖工作，確保了設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性。

5、綠色與低碳

圖30 利用Revit創(chuàng)建各種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件族，準確表達鋼結(jié)構(gòu)部分細節(jié)

通過Revit MEP軟件進行生產(chǎn)車間空調(diào)及采暖負荷計算，方便、快捷地為建筑設(shè)計師和設(shè)備工程師提供設(shè)計參考。

圖31 通過Revit MEP軟件進行生產(chǎn)車間空調(diào)及采暖負荷計算

將Revit空間模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其他分析軟件，對生產(chǎn)車間污染氣體的擴散進行模擬分析。分析車間內(nèi)氣流組織分布規(guī)律，及時準確地反應(yīng)設(shè)計方案的可行性和可靠性，并根據(jù)結(jié)果提供合理化建議和意見，完善通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計。

圖32 利用Revit空間模型數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)車間污染氣體的擴散進行模擬分析

6、管線綜合與碰撞檢測

運用Revit MEP進行廠區(qū)管線綜合設(shè)計，同時使用Navisworks進行碰撞檢測分析，在滿足覆土厚度和管道坡度規(guī)范的前提下調(diào)整方案，在施工前解決所有碰撞，成本和工期得到精確控制。

圖33 運用Revit MEP進行廠區(qū)管線綜合設(shè)計

圖34 運用Navisworks對廠區(qū)管線進行碰撞檢測分析

運用Revit MEP和Navisworks軟件對公共專業(yè)進行靜態(tài)沖突檢測，還可以運用Navisworks仿真動畫功能，對車間內(nèi)吊車的移動線路范圍，進行動態(tài)干涉沖突檢測。

圖35 運用Revit MEP和Navisworks軟件對公共專業(yè)進行靜態(tài)沖突檢測

圖36 運用Navisworks仿真動畫功能對車間內(nèi)吊車的移動線路范圍進行動態(tài)干涉沖突檢測

BIM的二次開發(fā)

1、構(gòu)件族庫的開發(fā)

在Revit軟件中嵌入自主開發(fā)的“三維構(gòu)件庫”系統(tǒng)，實現(xiàn)了項目各專業(yè)模型構(gòu)件的集中存儲和分類管理，以及構(gòu)件參數(shù)查看。

2、BIM技術(shù)在施工階段的開發(fā)

在項目施工現(xiàn)場和設(shè)計團隊統(tǒng)一部署了自主開發(fā)的 “三維綜合交付系統(tǒng)”、“二維設(shè)計成品交付系統(tǒng)” 、“施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”三套軟件系統(tǒng)，建立起項目施工現(xiàn)場和設(shè)計院之間的信息傳遞通道。項目的BIM設(shè)計模型、二維設(shè)計圖紙及其他相關(guān)資料，能夠及時通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到設(shè)計院和施工現(xiàn)場相關(guān)參與方。

BIM未來展望

BIM技術(shù)無疑已成為工程設(shè)計企業(yè)核心競爭力的要素之一，因為工程設(shè)計企業(yè)的客戶已經(jīng)不滿足于簡單獲取設(shè)計結(jié)果，而是更關(guān)注設(shè)計對工程投資效益的影響和價值。

機械工業(yè)第六設(shè)計研究院借助諸如浙江中煙杭州卷煙廠、鄭州煤礦機械集團有限公司、陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司綠色恒溫車間改造等項目所積累的豐富經(jīng)驗，力求在BIM設(shè)計和BIM咨詢方面繼續(xù)提升自身的能力并拓展相關(guān)業(yè)務(wù)，為客戶提高更高效、更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計產(chǎn)品和服務(wù)。隨著機械工業(yè)第六設(shè)計研究院BIM技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴大，更加要搭建好BIM技術(shù)平臺，實現(xiàn)在設(shè)計、施工以及運營維護過程中全面應(yīng)用BIM解決方案的愿景，努力打造中國機械工業(yè)工程設(shè)計第一強院。

圖37 在Revit軟件中嵌入自主開發(fā)的“三維構(gòu)件庫”系統(tǒng)

圖38 在項目施工不同階段對BIM技術(shù)進行開發(fā)

感言

利用Revit軟件良好的二次應(yīng)用開發(fā)接口，我們方便、快捷的完成了“三維構(gòu)件庫”模塊的開發(fā)，使項目中各專業(yè)的基礎(chǔ)構(gòu)件、專用構(gòu)件得到了集中的管理，很好解決了各類模型構(gòu)件重復(fù)創(chuàng)建、構(gòu)件參數(shù)標準不統(tǒng)一、組織管理困難的問題，提升了BIM項目的設(shè)計效率。

——機械工業(yè)第六設(shè)計研究院BIM設(shè)計負責(zé)人 毛璐陽

BIM三維設(shè)計價值體現(xiàn)在：建筑設(shè)計更快、更省、更精確，各專業(yè)密切配合，減少出錯風(fēng)險，改善項目所有參與者對設(shè)計意圖的理解，提高設(shè)計乃至整個工程的質(zhì)量和效率?？梢哉f，設(shè)計者的思想有了BIM的翅膀，就可以在創(chuàng)新的天空自由翱翔。

——機械工業(yè)第六設(shè)計研究院BIM設(shè)計師 劉麗莎

“BIM技術(shù)給勘察設(shè)計行業(yè)帶來了一種新的理念和工作方式，融合了建筑能效評估模塊的BIM技術(shù)將引領(lǐng)綠色工廠的進程。

——機械工業(yè)第六設(shè)計研究院 建筑性能分析組負責(zé)人 張建飛

Autodesk Ecotect等建筑性能分析軟件可方便使用Revit模型，避免了在分析階段的重復(fù)性建模，設(shè)計師擁有了更多的時間和精力去模擬、優(yōu)化設(shè)計方案。融合了綠色分析手段的BIM技術(shù)也使得設(shè)計更加鮮活、愈顯人性化。

——機械工業(yè)第六設(shè)計研究院 建筑性能分析組設(shè)計師 杜旭