蔡崇慶，張雪晴，蔡亞橋

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 城市軌道與地下工程設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

21世紀以來，BIM技術被引入建筑行業(yè)，從設計角度來看，當前BIM軟件無法快速完成專業(yè)設計及相關性能分析，導致BIM設計推廣受到一定限制。設計仍以翻模為主，即在常規(guī)CAD設計基礎上，完成模型建立，形成對既有設計的校核或深化設計，不僅增加設計周期而且加大設計工作量。通過BIM技術可實現全生命周期信息傳遞，但需要專業(yè)軟件開發(fā)和參數化的支持。

正向設計對大規(guī)模推廣BIM技術尤為重要，需在BIM軟件基礎上進行相關開發(fā)，以滿足暖通專業(yè)設計需求。當前，鴻業(yè)、天正等國內廠商已在這方面進行了探索，開發(fā)出相關軟件，在一定程度上推進了BIM軟件使用。但各大專業(yè)軟件公司針對軌道交通領域的相關研究卻相對較少。

軌道交通領域的設計周期短、方案變化頻繁，尤其在與土建專業(yè)協(xié)同設計時，這種矛盾尤為突出。因此為了快速應對建筑方案變化，完成暖通專業(yè)BIM設計，針對地鐵車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)），在Revit原有功能基礎上，通過二次開發(fā)設計1套能通過窗口直觀輸入參數、實現快速創(chuàng)建模型的程序，完成標準車站大系統(tǒng)的自動化設計。

1 地鐵車站大系統(tǒng)參數化設計解決方案

1.1 總體架構

按照Revit一般操作步驟，創(chuàng)建1個大系統(tǒng)風管模型需要以下步驟：

（1）在新建Revit項目上鏈接建筑模型。

（2）運用外部計算書計算出相應負荷及風量。

（3）利用Revit的繪制及布置風管命令進行風管、風口、風管設備建模，并通過明細表對風管、風口速度進行調整。

（4）布置閥門附件及風管設備，并通過明細表對閥門進行編號。按一般Revit流程，風管大系統(tǒng)的負荷計算無法與模型進行關聯(lián)，需要通過外部計算書進行計算，計算結果無法與空間信息、風管、風口風量直接關聯(lián)，并且閥門編號需要手動輸入編號，因此容易出現錯漏和閥門增減造成的重復編號。

為解決上述問題，提出1套符合規(guī)范要求的通用性解決方案［1-2］：

（1）開發(fā)的軟件要滿足通用性需求，需了解大系統(tǒng)的相關特點。對不同地區(qū)大系統(tǒng)負荷計算中參數參變性、風管布置氣流組織形式、閥門布置位置、閥門編號特點等進行了解，確定參數化、智能化設計的基本框架。

（2）了解設計人員在大系統(tǒng)設計過程中的思維和習慣，梳理出大系統(tǒng)設計的一般流程。

（3）對于研究所需BIM基礎理論進行梳理，研究Revit二次開發(fā)技術，通過Revit Application Program Interface（API）對模型進行控制。

（4）研究界面開發(fā)技術，針對Revit平臺上交互式設計流程及操作特點，通過搭建窗體對話框形式的插件系統(tǒng)，實現運行過程中的數據傳遞，開發(fā)地鐵車站大系統(tǒng)設計程序的專用界面。通過該解決方案，可在Revit界面按工程需求在建筑模型基礎上創(chuàng)建大系統(tǒng)風管模型，實行三維可視化操作。

1.2 Revit二次開發(fā)

為實現大系統(tǒng)風管的創(chuàng)建，介紹Revit二次開發(fā)技術，并充分發(fā)揮其可擴展性。Revit具有完整的應用程序編程接口，可用Visual Basic.NET、C#以及C++/CLI等任何與.NET兼容的編程語言進行編程。通過Revit API對模型對象進行訪問、編輯和創(chuàng)建。RevitAPI.dll包含在數據庫層，是控制Revit應用、文檔、對象和參數的方法，而RevitAPIUI.dll包含Revit在操作和用戶界面層的所有自定義API接口［3］。

通過對Revit API提供的創(chuàng)建和訪問方法進行研究，實現了對項目文件和族文件的訪問，從而實現大系統(tǒng)模型快速創(chuàng)建程序的二次開發(fā)。

1.3 大系統(tǒng)參數化創(chuàng)建程序

基于Revit使用C#語言進行二次開發(fā)，主要包含兩部分內容：基于Revit模型的負荷計算、大系統(tǒng)管線的快速建模。

在數學理論、建模方法和編程技術的支撐下，首先設計編制基本單元和基本組合的數據處理模塊，分析Revit文件的數據結構，利用API提供的函數，根據輸入參數計算出負荷及風量等數據，然后交由大系統(tǒng)風管系統(tǒng)將模塊布置在Revit視圖界面中，以快速生成大系統(tǒng)風管模型。

負荷計算是創(chuàng)建大系統(tǒng)模型的核心步驟。首先針對車站公共區(qū)（車站內供乘客進行售檢票、通行和乘降的區(qū)域）熱、濕負荷計算的相關參數，梳理出可根據模型自動獲取的參數和需預設的參數兩部分，然后基于焓濕圖對大系統(tǒng)空氣處理過程各狀態(tài)點計算公式進行理論研究，開發(fā)焓濕圖自動計算系統(tǒng)，從而計算出大系統(tǒng)風量及冷量。

（1）地鐵空調負荷組成。地鐵車站公共區(qū)空調負荷主要由以下幾部分組成：人員散熱、散濕負荷，照明、廣告牌、指示牌發(fā)熱負荷，自動扶梯、電梯負荷，通信設備、銀行、商鋪及其他負荷，出入口滲透負荷，風道及屏蔽門系統(tǒng)下引起的額外負荷損失。

根據地鐵車站公共區(qū)相關研究［4-6］，人員負荷大小直接取決于站內人員數量、活動程度以及停留時間長短；照明負荷、廣告牌、指示牌大小直接取決于公共區(qū)站廳層及站臺層面積；自動扶梯、電梯負荷，自動售檢票機、閘機、通信設備及其他負荷主要取決于設備數量及單臺設備自發(fā)熱量；商鋪、銀行主要受其面積影響；車站出入口滲透風的熱量按照出入口實際面積計算；風道及屏蔽門引起的負荷根據區(qū)間與站臺溫差和屏蔽門傳熱系數計算。

從上述負荷組成梳理出大系統(tǒng)負荷計算中需要的主要參數有超高峰系數、客流量、站臺門長度、公共區(qū)設備數量、站廳/站臺層公共區(qū)面積、出入口斷面面積、站廳/站臺層高等。其中可以從建筑模型中自動獲取的參數有站臺門長度、站廳/站臺層高、公共區(qū)面積、公共區(qū)設備數量，其他參數根據前期工程經驗進行預設后，在實際項目中根據上下游專業(yè)提資進行手動調整。

（2）大系統(tǒng)空氣處理過程。典型地鐵車站大系統(tǒng)空氣處理焓濕圖見圖1，從圖中可以看出，室外狀態(tài)點W的新風與混風室狀態(tài)點C'的回風混合后，達到新回風混合點H，組合式空調機組把狀態(tài)點H的混合空氣冷卻減濕到機器露點L，考慮1℃的管道溫升，送風從L點到達室內送風狀態(tài)點O，然后分別送入站廳層／站臺層公共區(qū)，吸收公共區(qū)余熱余濕后分別變?yōu)檎緩d層公共區(qū)狀態(tài)點NT和站臺層公共區(qū)狀態(tài)點Nt。公共區(qū)回排風經風管收集混合后達到混合點C，排風部分經排風亭排出至室外，回風部分回到混風室狀態(tài)點C'。

圖1 典型地鐵車站大系統(tǒng)空氣處理焓濕圖

對于特定的城市，圖中室外新風狀態(tài)點W是確定值。根據規(guī)范可知，室外空氣設計參數由室外干球溫度和濕球溫度確定，其他狀態(tài)點的參數可根據規(guī)范要求及相應的焓濕圖公式計算得到［4，7-11］，主要狀態(tài)點計算公式如下：

（1）機器露點L。根據地鐵設計規(guī)范，機器露點可按干球溫度19℃、相對濕度95%確定，含濕量dL通過下式進行計算：

式中：P為大氣壓力，Pa；Pq為濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa。

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（2）送風狀態(tài)點O。O點的干球溫度比機器露點L溫度高1℃，tO=tL+1=20℃，含濕量與L點含濕量相同，dO=dL。O點的焓值h、相對濕度φ可通過下式計算：

式中：t為干球溫度；d為含濕量；Pq為濕空氣的實際水蒸氣分壓力，Pa；Pqb為濕空氣的飽和水蒸氣分壓力，Pa；T為濕空氣的絕對溫度，K；c1～c6為系數，c1=-5800.2206，c2=1.391 499 3，c3=-0.048 602 39，c4=0.417 647 68×10-4，c5=-0.144 520 93×10-7，c6=6.545 967 3。

（3）站廳/站臺層公共區(qū)室內狀態(tài)點NT/Nt。地鐵車站空調系統(tǒng)設計中，一般取站廳、站臺公共區(qū)干球溫度分別為30、28℃。在已知熱濕比的前提下，根據以下熱濕比ε的定義式可分別計算得到NT、Nt點的焓值。

式中：hN為站廳或站臺公共區(qū)的焓值，kJ/kg干空氣；dN為站廳或站臺公共區(qū)的含濕量，kg/kg干空氣。

（4）站廳站臺混合點C。根據熱平衡原理，C點的焓值hC、含濕量dC、干球溫度tC可根據下式求得：

（5）回至混風室狀態(tài)點C'?？紤]1℃的管道溫升，C'點的溫度tC'=tC+1，含濕量與C點含濕量相同，dC'=dC。C'點的焓值及相對濕度可參考送風狀態(tài)點O中對應公式求得。

（6）新回風混合點H。根據熱平衡原理，H點的焓值hW、含濕量dW、干球溫度tW可根據下式求得：

根據上述狀態(tài)點計算規(guī)則，編寫相應程序實現焓濕圖上各狀態(tài)點自動計算及焓濕圖空氣處理過程的自動繪制。

1.3.2 大系統(tǒng)風管模型快速創(chuàng)建

為了使車站公共區(qū)送排風氣流更均勻，公共區(qū)氣流組織采用上送上回、兩送兩回的送排風形式（見圖2），站臺層采用一側送一側回的送排風形式（見圖3）。

圖2 站廳層送排風形式

圖3 站臺層送排風形式

大系統(tǒng)風管模型快速創(chuàng)建主要根據以下思路進行：

（1）從站廳、站臺層風管送排風布置形式，梳理出大系統(tǒng)自動生成需進行約束的相關參數。

（2）確定送、排風口布置間距，風口及風管速度范圍，高度及水平位置定位信息，送排風主管位置及送風管形式等。

（3）對公共區(qū)大系統(tǒng)負荷進行計算后，將計算后的風量及冷量值賦值給站廳/站臺公共區(qū)每端的空間內，根據上述約束規(guī)則快速創(chuàng)建出大系統(tǒng)風管模型。

（4）在生成風管模型的基礎上，補充布置相應閥門及大系統(tǒng)空調設備，根據先站廳后站臺、先送風再排風的規(guī)則進行自動閥門編號。

2 項目應用

針對上述研究成果，以武漢某地鐵站為例，通過實際工程項目測試其有效性。

第1步：創(chuàng)建空間。新建項目鏈接某地鐵站建筑模型，利用空間分隔線繪制出站廳站臺層公共區(qū)域并放置空間，分別命名為站廳層、站臺層，并根據建筑層高設定空間高度偏移量，風室空間按公共區(qū)進行放置修改。

第2步：大系統(tǒng)負荷計算。運行風管計算軟件，在彈出界面（見圖4），按提示輸入超高峰系數、客流量信息，選取相應的站廳站臺空間、站臺屏蔽門長度及項目地點等信息，計算出地鐵車站風量及負荷值。

圖4 大系統(tǒng)負荷計算界面

第3步：大系統(tǒng)風管模型快速創(chuàng)建。運行大系統(tǒng)風管系統(tǒng)軟件，在參數設置界面，送風管、排風管站廳站臺層均按默認參數設置，選擇站廳層公共區(qū)左右兩端送排風主管位置，且送風管布置選擇不帶支管，并點擊選擇大小端風管起始位置，創(chuàng)建出大系統(tǒng)風管模型（見圖5）。

圖5 大系統(tǒng)風管自動生成設置界面

第4步：完善模型。在自動生成的大系統(tǒng)風管模型基礎上，補充布置風管閥門、空調機房空調機組及風機、空調機房排煙風管、排煙風機，完善后對閥門進行自動編號。由于空調機房涉及風管，且相關設備復雜，無法設定相應規(guī)則進行自動布置，因此需要針對空調機房管線進行模型的手動完善，最終生成的大系統(tǒng)風管模型見圖6。

圖6 大系統(tǒng)風管模型

程序最終實現了在較短時間內參數化創(chuàng)建符合工程要求的大系統(tǒng)BIM模型，二次開發(fā)快速建模與Revit常規(guī)建模時間對比見圖7，測試結果非常理想。相對于手工負荷計算，通過參數自動拾取模型相關信息具有更高的準確性，且閥門編號更加準確高效，方便管理，大大減少后期增加、刪除和修改工作，提高設計人員工作效率。

圖7 二次開發(fā)快速建模與Revit常規(guī)建模時間對比

3 結束語

針對軌道交通地下車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)，基于Revit軟件開發(fā)出1種快速建模程序，同時對BIM設計自動化進行了探索，結果表明：BIM設計自動化可行，設計自動化可以極大促進正向設計效率及質量提升。該研究是基于標準化地鐵車站，后續(xù)將在換乘站進行深入研究，同時對軌道交通地下車站空調小系統(tǒng)、空調水系統(tǒng)等進行開發(fā)，形成1套快速建模體系，實現空調系統(tǒng)建模的規(guī)范化、標準化。