蘇見波，徐繼龍，劉 建

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007）

1 前言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛調(diào)整其產(chǎn)業(yè)政策與技術(shù)政策，將高新技術(shù)的重點(diǎn)和科技發(fā)展的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)技術(shù)，主要是智能化制造技術(shù)領(lǐng)域，使智能化制造技術(shù)由傳統(tǒng)意義上的單純機(jī)械加工技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧瘷C(jī)械、電子、材料、信息和管理等諸多技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，并加速用現(xiàn)代智能化制造技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的高技術(shù)化。我國(guó)改革開放以來，機(jī)械制造業(yè)取得了巨大的成就，從引進(jìn)消化吸收向自主創(chuàng)新邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐[1]。智能化設(shè)計(jì)將進(jìn)一步提高制造系統(tǒng)的柔性化和自動(dòng)化水平，使生產(chǎn)系統(tǒng)具有更完善的判斷與適應(yīng)能力，也將會(huì)顯著減少制造過程物耗、能耗，提升傳統(tǒng)制造業(yè)的水平。

濟(jì)南某鑄造公司新建鑄造項(xiàng)目廠區(qū)用地面積21.6 萬m2，總建筑面積6 萬m2，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)鑄鐵件35 000 t，有色鑄件1 000 t。項(xiàng)目利用BIM 技術(shù)構(gòu)建三維工業(yè)建筑信息模型，進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，同時(shí)將綠色工業(yè)建筑性能模擬應(yīng)用于方案比選與設(shè)計(jì)優(yōu)化，工廠運(yùn)維管理采用“工廠三維運(yùn)維管理系統(tǒng)”，全力打造“綠色、節(jié)能、環(huán)?！钡男滦蛿?shù)字化工廠。

2 三維工業(yè)建筑信息模型

2.1 廠區(qū)規(guī)劃布局可視化

結(jié)合濟(jì)南地區(qū)氣候特點(diǎn)、地塊特點(diǎn)和該廠的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，廠區(qū)規(guī)劃合理利用當(dāng)?shù)刈匀粭l件，采用可視化規(guī)劃手段，方便直觀地為客戶展示規(guī)劃布局（圖1），使客戶充分理解規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖。

圖1 廠區(qū)規(guī)劃布局可視化

2.2 鑄造車間工藝布局可視化

車間工藝設(shè)備根據(jù)各生產(chǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)，利用仿真技術(shù)進(jìn)行可視化布局（圖2），使整個(gè)物流順暢、路線短捷?？梢暬墓に嚥季忠脖苊饬嗽O(shè)備在移動(dòng)過程與鋼結(jié)構(gòu)或管線發(fā)生碰撞。

圖2 鑄造車間工藝布局可視化

2.3 鑄造車間模擬建造

利用車間模擬建造功能，將各階段施工工序與BIM 模型關(guān)聯(lián)起來，可合理安排施工、有效控制工期，同時(shí)，將建造過程以三維方式展示給業(yè)主（圖3），也可使業(yè)主直觀掌握整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況。

2.4 車間公用專業(yè)及工藝設(shè)備可視化設(shè)計(jì)

圖3 鑄造車間模擬建造

車間公用專業(yè)管線利用Revit MEP 進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)（圖4），避免了管線之間的“錯(cuò)漏碰缺”現(xiàn)象的發(fā)生。在空間狹小的區(qū)域也可高效、準(zhǔn)確地將各專業(yè)管線以最優(yōu)方式排布，并直觀展示，在施工前解決碰撞問題，減少返工，有利于控制建設(shè)成本和工期。

圖4 車間公用專業(yè)及工藝設(shè)備可視化設(shè)計(jì)

車間工藝設(shè)備均建立其參數(shù)化模型，便于后期運(yùn)維管理。

3 綠色工業(yè)建筑性能模擬

參照《綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了光環(huán)境、建筑物室內(nèi)外噪聲及重點(diǎn)車間內(nèi)氣流組織和溫度場(chǎng)等綠色工業(yè)建筑性能模擬分析。通過分析結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)方案在建筑材料選用、建筑照明節(jié)能、噪聲污染防治、氣流組織優(yōu)化、改善工人作業(yè)環(huán)境等方面提供參考和修改建議，改進(jìn)建筑性能，達(dá)到“綠色、節(jié)能、環(huán)?！钡男Ч?/p>

廠區(qū)環(huán)境綠色分析側(cè)重于濟(jì)南市氣象數(shù)據(jù)的分析、車間采光分析、車間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音污染情況分析等方面。從而確定廠區(qū)建筑最佳朝向、熱舒適度、采光方案及噪音污染治理措施等。

3.1 廠區(qū)環(huán)境綠色分析

由全年各月風(fēng)頻圖可知濟(jì)南主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，夏季主導(dǎo)為西南風(fēng)，設(shè)計(jì)中加以利用夏季主導(dǎo)風(fēng)，同時(shí)對(duì)冬季主導(dǎo)風(fēng)向加以防范。

各種被動(dòng)設(shè)計(jì)策略舒適度百分比影響如圖5，在濟(jì)南地區(qū)，自然通風(fēng)策略與高熱容材料運(yùn)用得當(dāng)，可大幅度提高室內(nèi)熱舒適度。

圖5 被動(dòng)設(shè)計(jì)策略分析

通過組織自然通風(fēng)，在5、6、7、8、9、12 月能大幅改善室內(nèi)熱舒適度。本方案結(jié)合建筑布局及平面形狀考慮了自然風(fēng)的導(dǎo)入，以利于室內(nèi)的通風(fēng)。

通過利用高熱容材料的熱惰性,可減小室內(nèi)環(huán)境溫度隨室外環(huán)境溫度的波動(dòng)，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性（1/2/12 月無作用），尤其在4/5/6/9/10 月份。本方案墻體、屋面、地面等實(shí)體結(jié)構(gòu)均采用了隔熱性能和蓄熱性能較好的材料,阻止熱量進(jìn)入室內(nèi)并降低室外溫度波動(dòng)對(duì)室內(nèi)溫度的影響,提高室內(nèi)熱舒適度。

從圖6 中可以看出在6/7/8 月通過利用機(jī)械通風(fēng)可滿足室內(nèi)舒適度要求,本工程結(jié)合建筑布局進(jìn)行建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)，減小空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)間，從而降低建筑能耗。各種顏色區(qū)塊表示所采用的主動(dòng)式降溫策略,藍(lán)線在區(qū)塊內(nèi)部的部分,則表明該藍(lán)線所代表的時(shí)間段可采用的最佳主動(dòng)式降溫策略。

圖6 焓濕圖分析

濟(jì)南光氣候區(qū)為Ⅲ類，車間采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)，采光形式為側(cè)面采光兼頂部采光。由于各種因素，設(shè)計(jì)難以滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，需輔以人工照明。輔以人工照明后，車間內(nèi)平均照度大于300lux，滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求（圖7）。

圖7 采光分析

落砂機(jī)在不影響功能的情況下采用半密閉罩；除塵風(fēng)機(jī)采取密閉罩隔聲措施，風(fēng)機(jī)出口設(shè)置阻性或阻抗復(fù)合式消聲器；水泵設(shè)置在水泵房?jī)?nèi)，基礎(chǔ)均設(shè)置隔聲墊，水泵進(jìn)出水管上設(shè)避震喉，可降低水泵的噪聲和震動(dòng)；空壓機(jī)采用低噪聲的螺桿空壓機(jī)，空壓站在建筑上采用隔聲門窗及內(nèi)墻貼附吸聲材料等消聲降噪措施；各工作時(shí)震動(dòng)大的設(shè)備采用減震基礎(chǔ)，減少震動(dòng)時(shí)的噪聲和減輕振動(dòng)的傳播。

考慮采取以上措施后，模擬分析出廠界噪音白天低于60dB（圖8），滿足《工廠企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 噪音分析

3.2 鑄造車間CFD 模擬

鑄造車間CFD 模擬分析重點(diǎn)研究車間的主廠房，并根據(jù)需要對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，模擬出車間在室外有風(fēng)和無風(fēng)兩種狀態(tài)下運(yùn)行的最不利工況。

（1）工況一：室外無風(fēng)，熔化、澆鑄、開箱同時(shí)進(jìn)行

平衡狀態(tài)下，鑄造車間1.5 m 高度溫度分布以發(fā)熱體為中心呈放射狀分布（圖9），溫度沿放射方向快速遞減，輻射范圍與發(fā)熱體體積和溫度成正比。車間內(nèi)大部分區(qū)域溫度與環(huán)境溫度相同為35℃，澆鑄區(qū)溫度在40℃以下，熔化區(qū)溫度在47℃以下，開箱區(qū)溫度最高，影響范圍最大，靠近鑄件處溫度超過70℃。鑄造車間溫度分布大致趨勢(shì)還是以發(fā)熱體為中心呈放射狀分布，但沿豎直方向遞減較水平方向緩慢，這主要是受熱浮力流動(dòng)的影響。

圖9 1.5 m 高度速度分布圖

平衡狀態(tài)下，鑄造車間豎直方向速度分布分層明顯，車間氣流主要受車間開窗位置和發(fā)熱構(gòu)件布置影響。

平衡狀態(tài)下，鑄造車間豎直方向上壓力分布分層明顯（圖10），主要受重力因素影響，1.5 m 高度上，車間左側(cè)由于高溫構(gòu)件集中分布而靜壓略高。

（2）工況二：室外有風(fēng)，在工況一基礎(chǔ)上加入室外風(fēng)環(huán)境的影響

圖10 1.5 m 高度壓力分布圖

濟(jì)南市夏季盛行西南風(fēng)，風(fēng)速取平均值3 m/s。受室外風(fēng)環(huán)境影響，鑄造車間1.5 m 高度速度分布左側(cè)略高，大部分區(qū)域風(fēng)速為0.4 m/s，右側(cè)略低，大部分區(qū)域風(fēng)速為0.15 m/s，總體速度分布比較均勻。分析發(fā)現(xiàn)，冷熱空氣交匯產(chǎn)生明顯的渦流區(qū)，有利于加快冷熱空氣混合和熱空氣的排出（圖11）。

1.5 m 高度溫度分布分區(qū)明顯，大部分區(qū)域與環(huán)境溫度相同，為35℃；左側(cè)開箱區(qū)和澆鑄區(qū)受高溫鑄件影響，溫度較高，但大部分區(qū)域溫度在41℃以下，這主要是由于渦流的出現(xiàn)加快冷熱空氣混合和熱空氣的排出。

溫度分布受氣流導(dǎo)向作用明顯，熱空氣可以就近排出室外，下層空氣被高溫鑄件加熱后與空氣快速混合，經(jīng)氣流誘導(dǎo)排出室外。

4 結(jié)束語

該項(xiàng)目利用數(shù)字模擬和仿真技術(shù)對(duì)總圖方案、工藝設(shè)計(jì)、綜合管線布局進(jìn)行了分析、比較，獲得最優(yōu)方案，提高了現(xiàn)代化工廠的設(shè)計(jì)水平。項(xiàng)目的建筑智能化系統(tǒng)主要包括火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及消防控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)及系統(tǒng)集成平臺(tái)等，為公司的管理提供真實(shí)、可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

[1]路甬祥.走向綠色和智能制造——中國(guó)制造發(fā)展之路[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2010(3):24-29.