侯全記，劉付朝，魏博華，孫敬太，周鵬

（1.中建交通建設(shè)集團(tuán)鐵路工程有限公司，北京 100166；2.山東格瑞德集團(tuán)有限公司，山東 德州 253079；3.山東博冉企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著機(jī)房行業(yè)貫徹落實(shí)《中國(guó)制造2025》《綠色制造工程實(shí)施指南（2016—2020年）》等指導(dǎo)方針，遵循綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的新時(shí)代發(fā)展要求，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，裝配式機(jī)房呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。裝配式機(jī)房施工可減少現(xiàn)場(chǎng)施工煙塵、垃圾的產(chǎn)生，保證機(jī)房?jī)?nèi)整潔，符合安全高效、綠色環(huán)保的施工要求［1-2］。

1 裝配式工藝原理及實(shí)施流程

裝配式機(jī)房即采用BIM技術(shù)，充分考慮施工安裝、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等因素，設(shè)計(jì)人性化、智能化、綠色節(jié)能的高精度機(jī)房模型，再出具工業(yè)級(jí)裝配式工藝原理圖紙，在預(yù)制加工廠進(jìn)行模塊化預(yù)制，待具備施工條件后，將模塊運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配。模塊運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，安裝人員根據(jù)裝配圖，結(jié)合二維碼標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，利用管段和螺栓連接起各個(gè)模塊，就像“搭積木”一樣，實(shí)現(xiàn)全程無焊作業(yè)，完成機(jī)房安裝［3-4］。具體實(shí)施流程見圖1。

圖1 實(shí)施流程

2 裝配式操作要點(diǎn)

2.1 CAD圖紙會(huì)審

基于設(shè)計(jì)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)房系統(tǒng)方案圖紙進(jìn)行初審。校核計(jì)算冷卻水、冷凍水等系統(tǒng)管道管徑、負(fù)荷和水泵等設(shè)備參數(shù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)勘察

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量機(jī)房各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括實(shí)際層高、實(shí)際土建結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)留洞口實(shí)際位置等，以防實(shí)際施工與圖紙存在較大誤差。利用3D激光全站掃描儀對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位的精確掃描測(cè)量（誤差為±1 mm），測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入Revit并以其為依據(jù)對(duì)BIM模型進(jìn)行修正，以保證模型精度。

2.3 BIM模型設(shè)計(jì)

機(jī)房系統(tǒng)完成二次深化設(shè)計(jì)后，需對(duì)機(jī)房進(jìn)行三維建模，模型精度需達(dá)到LOD400，即工廠預(yù)制加工精度［5-6］。

2.3.1 模塊化設(shè)計(jì)

通過BIM模塊化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成實(shí)際裝配單元，例如冷水機(jī)組半模塊化設(shè)計(jì)和泵組模塊化設(shè)計(jì)（見圖2、圖3），基于BIM模型的高精度、可視化特點(diǎn)，將水泵、閥部件、管道、支吊架等進(jìn)行一體化整合設(shè)計(jì)，形成預(yù)制管組裝配單元和循環(huán)泵組裝配單元。

圖2 冷水機(jī)組半模塊化設(shè)計(jì)

圖3 泵組模塊化設(shè)計(jì)

裝配單元分組考慮因素為：循環(huán)水泵的選型、數(shù)量、系統(tǒng)分類等；機(jī)房?jī)?nèi)的綜合布置情況；裝配單元的運(yùn)輸、吊裝就位、安裝條件等限制因素。

2.3.2 支架設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)輸、安裝，根據(jù)各設(shè)備外形尺寸，分別設(shè)計(jì)綜合支吊架系統(tǒng)［7］。所有支吊架均經(jīng)受力計(jì)算分析，目前主要采用10#、12#、14#槽鋼制作。常見的支架方式見圖4。

圖4 常見的支架方式

設(shè)備及管道安裝采用3種支架形式，設(shè)備組合安裝采用模塊框架，多管道安裝采用綜合支架，另外為便于安裝，部分位置采用可拆卸式設(shè)計(jì)，先對(duì)管道吊裝，再對(duì)支吊架橫擔(dān)進(jìn)行安裝，即采用單管道彎頭可拆卸式支架。

支架均在地面預(yù)裝厚度為10 mm的鐵板，支架直接安裝于鐵板上，可節(jié)約工時(shí)，便于安裝及拆卸。對(duì)于承重較大的支架，支架側(cè)面采用角鐵進(jìn)行斜拉固定，以增加支架穩(wěn)定性。吊架布置時(shí)均固定于結(jié)構(gòu)梁，防止固定于頂板出現(xiàn)塌漏事故，增加安全性。另外對(duì)橫擔(dān)核算應(yīng)以荷載最大的中心為對(duì)象，其中最大受剪力、最大受軸力、最大受彎矩均應(yīng)滿足要求。

2.4 模型優(yōu)化

將搭建好的模型和制作的三維漫游視頻相結(jié)合，并在設(shè)計(jì)、施工、加工、運(yùn)輸、運(yùn)維檢修等方面進(jìn)行組織評(píng)審，提出評(píng)審意見，并對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，保證模型精確度，直接指導(dǎo)項(xiàng)目施工。優(yōu)化原則如下：

（1）符合系統(tǒng)運(yùn)行原理，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足之處進(jìn)行更改，滿足使用功能；

（2）對(duì)所有支吊架進(jìn)行載荷計(jì)算，保證施工安全質(zhì)量；

（3）修改設(shè)備、管道的布置，最大化機(jī)房空間；

（4）優(yōu)化閥門設(shè)置、管道標(biāo)高，便于使用、檢修；

（5）保證機(jī)房實(shí)際應(yīng)用的同時(shí)，達(dá)到最佳感官效果。

另外制冷換熱機(jī)房管道繁多復(fù)雜，設(shè)備布置分散，管段長(zhǎng)；管道交叉彎頭較多，將會(huì)增加沿程阻力，損耗設(shè)備。因此在優(yōu)化管道時(shí)，首先進(jìn)行優(yōu)化段水力計(jì)算，計(jì)算方法如下：

式中：d為水管管徑，m；L為水流量，m3/h；v為水流速，m/s。

式中：Q為冷熱量，kW。

流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體內(nèi)摩擦而產(chǎn)生阻力，阻力大小與路程長(zhǎng)度成正比的稱為沿程阻力（摩擦阻力）ΔPm，即：

當(dāng)直管段長(zhǎng)度I=1 m時(shí)，，則：

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；I為直管段長(zhǎng)度；d為管道直徑，m；R為單位長(zhǎng)度直管段的摩擦阻力（比摩阻），Pa/m；ρ為水的密度，kg/m3；v為水的流速，m/s。

對(duì)于紊流過渡區(qū)域的摩擦阻力系數(shù)λ，可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。當(dāng)水溫為20℃時(shí)，冷水管道的摩擦阻力可以從《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［8］中查詢。根據(jù)管徑、流速，查出管道動(dòng)壓、流量、比摩阻等參數(shù)。

計(jì)算管道沿程阻力時(shí)，室內(nèi)冷、熱負(fù)荷是計(jì)算管道管徑大小的基本依據(jù)，計(jì)算PAU機(jī)組管道管徑時(shí)，應(yīng)考慮其提供的僅為新風(fēng)負(fù)荷，室內(nèi)負(fù)荷由風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)。所以這種空調(diào)末端承擔(dān)負(fù)荷應(yīng)計(jì)算精確，以避免負(fù)荷重復(fù)計(jì)算。同時(shí)應(yīng)清楚了解水管系統(tǒng)的接管方式，如同程式、異程式。不同的接管方式對(duì)沿程阻力具有不同的影響。在工程計(jì)算中，比摩阻宜控制在100～300 Pa/m，通常不應(yīng)超過400 Pa/m。

2.5 出圖和工廠化預(yù)制

2.5.1 出圖

整體方案確定及模型信息同步完成后，直接利用Revit模型輸出整套施工深化圖，具體包括：基礎(chǔ)布置圖、設(shè)備布置圖、排水溝布置圖、機(jī)電綜合圖、機(jī)電專業(yè)圖、裝配單元加工圖、預(yù)制管段加工圖、支吊架加工圖等。

（1）出圖原則。根據(jù)機(jī)房管線綜合布置情況，考慮預(yù)制加工成品管段運(yùn)輸、就位、裝配等條件限制，在預(yù)制加工條件允許的情況下，盡量減少分段，避免由于分段過多造成漏水隱患點(diǎn)的增加。對(duì)每個(gè)管段進(jìn)行編號(hào)，并出具管段定位圖及加工詳圖。在工廠預(yù)制化加工階段，將生產(chǎn)詳圖轉(zhuǎn)交工廠，生產(chǎn)預(yù)制前進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)交底。

（2）圖紙拆分。分系統(tǒng)分構(gòu)件、考慮吊裝及裝配操作空間、結(jié)合生產(chǎn)與裝配工藝對(duì)已優(yōu)化模型進(jìn)行拆分，一級(jí)拆分為若干裝配模塊，二級(jí)拆分裝配模塊為若干管道構(gòu)件及閥組構(gòu)件。

（3）出具預(yù)制加工圖。出具拆分后管道構(gòu)件及閥組構(gòu)件生產(chǎn)加工圖紙，圖紙包含裝配模塊整體結(jié)構(gòu)、管道構(gòu)件系統(tǒng)編號(hào)、構(gòu)件編號(hào)及名稱索引、構(gòu)件結(jié)構(gòu)、規(guī)格、數(shù)量、加工工藝、技術(shù)要求等信息。

（4）出具系統(tǒng)裝配圖紙。根據(jù)一級(jí)拆分成的裝配模塊出具包含裝配工藝、可吊裝位置及裝配模塊標(biāo)識(shí)等信息的現(xiàn)場(chǎng)裝配圖紙。

2.5.2 工廠化預(yù)制

工廠預(yù)制生產(chǎn)前，應(yīng)充分了解系統(tǒng)的運(yùn)行原理、壓力等級(jí)、管道的總體布置和作用，工廠預(yù)制加工流程見圖5，其中裝配構(gòu)件標(biāo)識(shí)化是對(duì)加工完成的裝配模塊張貼二維碼，二維碼中顯示標(biāo)注系統(tǒng)類型、裝配順序編號(hào)、模型整體尺寸等信息標(biāo)識(shí)，提高模塊組裝效率，減少現(xiàn)場(chǎng)尋找管件的工時(shí)浪費(fèi)。

圖5 工廠預(yù)制加工流程

另外，管件在加工預(yù)制中的除銹、切割下料、組隊(duì)、焊接、預(yù)裝、氣壓試驗(yàn)等各個(gè)工序應(yīng)做嚴(yán)格要求，其中焊接技術(shù)控制見表1。

表1 焊接技術(shù)控制

2.6 設(shè)備運(yùn)輸及管理

為了避免裝配模塊及構(gòu)件在運(yùn)輸過程中的損壞與變形，可利用BIM技術(shù)，進(jìn)行預(yù)制裝配單元和預(yù)制管組的裝車運(yùn)輸模擬，合理擺放預(yù)制成品構(gòu)件，研發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)制成品構(gòu)件的可拆卸組合式承載框架，充分利用運(yùn)輸車的空間，最大限度提升運(yùn)輸效率及成品保護(hù)。

2.7 安裝部署

安裝前需精細(xì)策劃所有預(yù)制構(gòu)件的裝配順序、裝配方法等，并且在三維模型中進(jìn)行虛擬建造，確保裝配方案的可行性。同時(shí)，依托BIM模型，編制裝配實(shí)施方案，進(jìn)行裝配方案的三維技術(shù)交底。以冷水機(jī)組設(shè)備為例，因其較大、較重，設(shè)備安裝順序見圖6。

圖6 冷水機(jī)組設(shè)備安裝順序

安裝過程中主要的施工措施包括運(yùn)輸措施、吊裝措施，具體如下：

（1）運(yùn)輸措施。設(shè)備采用滾動(dòng)法運(yùn)輸，滾送的坡度不大于20°，滾送搭設(shè)布置平整、堅(jiān)實(shí)、接頭錯(cuò)開。運(yùn)輸時(shí)緩慢滾動(dòng)，同時(shí)設(shè)置防護(hù)牽引繩，在滾送一側(cè)的車體下面用枕木墊實(shí)。

（2）吊裝措施。①借助模塊裝配單元主體構(gòu)架間的組合式支吊架，將機(jī)房?jī)?nèi)的各組模塊進(jìn)行聯(lián)接，形成穩(wěn)固的支吊架系統(tǒng)，增加機(jī)房整體的安全穩(wěn)固性；②對(duì)于成排或密集預(yù)制管組，聯(lián)合預(yù)制支吊架進(jìn)行地面整體拼裝，可采用預(yù)制管排整體提升技術(shù)，通過組合式支吊架進(jìn)行螺栓栓接固定；③為提高施工現(xiàn)場(chǎng)的裝配效率，可自主研發(fā)應(yīng)用“行車系統(tǒng)”，幫助裝配工人搬運(yùn)小型預(yù)制管組或設(shè)備管件等，利用機(jī)械化作業(yè)，可極大提高施工速度；④在“行車系統(tǒng)”施工范圍以外的位置，采取在結(jié)構(gòu)梁上安裝吊點(diǎn)，利用電動(dòng)葫蘆吊裝管路的吊裝措施。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

新建北京—張家口鐵路ZFSG4標(biāo)張家口站項(xiàng)目位于河北省張家口市橋東區(qū)南站街道，該站為大型旅客車站，建設(shè)用地面積114 255 m2，總建筑面積為95 560 m2（地上32 295 m2，地下63 265 m2），最高聚集人數(shù)6 000人。站房建筑地上2層，地下1層，主要包括高架候車廳、售票用房、進(jìn)出站大廳、站房設(shè)備用房、旅客服務(wù)、管理辦公用房及工藝設(shè)備用房等。

建筑高度以站臺(tái)面為準(zhǔn)，屋頂最高標(biāo)高38 m，南廣場(chǎng)地面高度-4 m，北廣場(chǎng)地面高度-1 m。車站南側(cè)規(guī)劃有新的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，新建張家口南站作為南北城市的重要連接節(jié)點(diǎn)，是經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)對(duì)外聯(lián)系的重要門戶。

3.2 工程應(yīng)用

為保證綠色、節(jié)能、精品工程的建造，新建北京—張家口鐵路ZFSG4標(biāo)張家口站項(xiàng)目采用裝配式制冷換熱機(jī)房。機(jī)房?jī)?nèi)有3臺(tái)磁懸浮離心式冷水機(jī)組（甲供）、3臺(tái)冷凍泵、3臺(tái)冷卻泵、3臺(tái)熱水循環(huán)泵、2臺(tái)板式換熱器、2臺(tái)分集水器、1套自動(dòng)隔離軟化真空霧化排氣定壓補(bǔ)水機(jī)組、1套全自動(dòng)智能控制加藥裝置、1套能量計(jì)量裝置，共計(jì)19臺(tái)（套）設(shè)備及153套閥門部件安裝，涉及800多處焊縫制作。裝配式施工預(yù)制加工周期15 d，現(xiàn)場(chǎng)安裝配置管理人員4人，技術(shù)工人24人，正式開始時(shí)間為2019年8月23日，完成時(shí)間為2019年8月25日，實(shí)際安裝時(shí)間30 h，保溫試壓時(shí)間為10 d。目前該工程裝配式機(jī)房安裝已全部施工完畢，機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)安裝效果見圖7—圖9，較傳統(tǒng)施工方式取得了良好效果。其中人工費(fèi)節(jié)省約30%，高空作業(yè)施工安全隱患減少90%，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)減少100%，裝配效率提升90%。

圖7 設(shè)備安裝效果

圖8 裝配式模塊安裝效果

圖9 裝配式管道安裝效果

4 結(jié)論

通過BIM采用更高程度的數(shù)字化及信息整合技術(shù)對(duì)包括設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工和運(yùn)維在內(nèi)的建筑全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)全信息傳遞。

相比傳統(tǒng)式機(jī)房施工，裝配式機(jī)房大大縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期，將大量的現(xiàn)場(chǎng)切割、焊接工序移至工廠內(nèi)，采用先進(jìn)的相貫線切割機(jī)、自動(dòng)焊接機(jī)等設(shè)備進(jìn)行預(yù)制加工，一方面縮短整體工期，另一方面也利用工廠日工資低于現(xiàn)場(chǎng)工人日工資的優(yōu)勢(shì)，降低了施工成本。雖然一定程度增加了運(yùn)輸成本，但整體成本下降，同時(shí)提升了焊接裝配質(zhì)量。