郭 偉

蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司 江蘇 蘇州 215004

1 研究現(xiàn)狀

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為軌道交通系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，通常采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，由空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)、新風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、各類閥門(mén)等組成。由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備和管線體量較大，且受到土建方案及規(guī)模限制，使得本系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)、施工與調(diào)試成為一項(xiàng)既重要又繁瑣的難點(diǎn)工作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需對(duì)管路進(jìn)行水力計(jì)算，以便確定管道尺寸及動(dòng)力設(shè)備型號(hào)和能耗，是流體輸配管網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本手段，也是管網(wǎng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的基本保證。

雖然在設(shè)計(jì)深化過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算修正，但在施工安裝過(guò)程中，仍存在未及時(shí)對(duì)調(diào)整的管路進(jìn)行系統(tǒng)阻力校驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)管線走向與設(shè)計(jì)圖紙存在差異、零部件多樣化導(dǎo)致各環(huán)路阻力與理論計(jì)算有偏差、管路漏風(fēng)量較大等不確定性因素。在調(diào)試過(guò)程中，各線系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間緊任務(wù)重，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作缺乏科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)，通常是憑借工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)迭代，調(diào)試周期長(zhǎng)、效率低。綜合一系列不利因素的疊加與影響，使得在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)，部分車站風(fēng)口實(shí)際風(fēng)量與設(shè)計(jì)值偏差較大，這一直是困擾各方的難題。

HBAS（Hydraulic Balance Analysis and Simulation），風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量平衡分析計(jì)算與仿真。目前常用的水力計(jì)算軟件有鴻業(yè)、天正、華電源等，這些軟件可以自動(dòng)生成水力計(jì)算結(jié)果，但存在一些局限性，比如是基于二維圖紙，必須在對(duì)應(yīng)平臺(tái)上建模、無(wú)法指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、輸配管網(wǎng)中各環(huán)路閥門(mén)開(kāi)度值未知等。

BIM技術(shù)能有效的解決二維圖紙中風(fēng)管路由不明確，翻彎數(shù)量不確定造成的風(fēng)量損失無(wú)法估算等問(wèn)題，但是現(xiàn)階段基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)以確定管線空間定位為主，缺乏成熟的結(jié)合BIM模型的自動(dòng)校驗(yàn)、分析計(jì)算與仿真功能軟件，極大地制約了三維正向設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力。

近年來(lái)建筑信息模型（BIM）是繼CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)后出現(xiàn)的建筑業(yè)又一項(xiàng)重要的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，它在建筑全生命期的應(yīng)用大大提高了項(xiàng)目的建設(shè)效率和信息集成化程度，能夠給建筑業(yè)帶來(lái)巨大的效益。

蘇州軌道交通從2014年3、5號(hào)線建設(shè)開(kāi)始，逐步開(kāi)啟了BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾年的努力，BIM在蘇州城市軌道交通中的實(shí)踐應(yīng)用，經(jīng)歷了從“原始簡(jiǎn)單”的管線碰撞檢測(cè)到嘗試“高大全”建筑全生命周期BIM應(yīng)用的“進(jìn)化”。蘇州市軌道交通集團(tuán)近年來(lái)致力于BIM技術(shù)的探索與實(shí)踐，一方面遵循國(guó)際BIM技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，另一方面確立適應(yīng)自身特點(diǎn)的各類建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在具備了一定的BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及相應(yīng)的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、BIM設(shè)計(jì)協(xié)同與建設(shè)管理平臺(tái)后，基于6、7、8、S1線，全面深入推進(jìn)蘇州市軌道交通BIM技術(shù)應(yīng)用，使其切實(shí)服務(wù)于蘇州市軌道交通的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)及工程建設(shè)和運(yùn)維等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，提高建設(shè)與運(yùn)維質(zhì)量和管理水平，具備開(kāi)展基于BIM的軌道交通車站HBAS技術(shù)探索與實(shí)踐的基礎(chǔ)條件。

2 研究目的與意義

基于BIM的軌道交通車站HBAS的軟件開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮BIM模型價(jià)值，通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)展BIM模型自動(dòng)校驗(yàn)、分析計(jì)算與模擬仿真，為軌道交通通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施及調(diào)試提供依據(jù)，打通設(shè)計(jì)到施工安裝、調(diào)試的全過(guò)程，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白[1]。

基于BIM的軌道交通車站HBAS的研究，綜合設(shè)計(jì)水力計(jì)算與模型自動(dòng)校驗(yàn)功能開(kāi)展地鐵車站風(fēng)系統(tǒng)三維正向設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)人員的生產(chǎn)效率。

基于BIM的軌道交通車站HBAS軟件的應(yīng)用與實(shí)施，將大大促進(jìn)軌道交通BIM模型數(shù)據(jù)在項(xiàng)目全生命期各階段的有效傳遞，為軌道交通工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維提供可靠的數(shù)據(jù)參考與支撐，科學(xué)的指導(dǎo)施工安裝，降低由于設(shè)計(jì)的不合理性或施工的復(fù)雜性、誤差性導(dǎo)致的成本浪費(fèi)和潛在返工誤工風(fēng)險(xiǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)提高風(fēng)系統(tǒng)的平衡率，可大大提高系統(tǒng)利用效率，有效降低軌道交通站空調(diào)系統(tǒng)能耗。

3 實(shí)施方案及研究過(guò)程

3.1 需求

隨著B(niǎo)IM應(yīng)用的不斷成熟，參與蘇州軌道交通建設(shè)的設(shè)計(jì)單位廣泛的在探索并開(kāi)展基于BIM的三維正向設(shè)計(jì)，通過(guò)應(yīng)用軟件的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)BIM模型自動(dòng)校驗(yàn)，判斷設(shè)計(jì)BIM模型系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性，縮短人工審核的周期。

在深化應(yīng)用階段，通過(guò)識(shí)別Revit模型中的風(fēng)系統(tǒng)管道與設(shè)備，自動(dòng)分析識(shí)別各構(gòu)件的承繼關(guān)系、管道尺寸、材質(zhì)等，并結(jié)合風(fēng)機(jī)性能曲線、風(fēng)閥阻力曲線、管道部件阻力等，自動(dòng)計(jì)算各支路的阻力，進(jìn)行校核計(jì)算與分析。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，判斷深化方案的可行性，同時(shí)可以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化和風(fēng)閥開(kāi)度選型[2]。

在實(shí)施階段，結(jié)合風(fēng)量平衡計(jì)算后的BIM模型，導(dǎo)出數(shù)據(jù)分析表，用于指導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)的施工安裝，科學(xué)的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，提高施工效率，壓縮調(diào)試周期，降低整體安裝成本。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 模型校驗(yàn)（validation）

與風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溝通風(fēng)系統(tǒng)BIM模型校驗(yàn)需求，對(duì)接風(fēng)系統(tǒng)類型、組成、功能，確定模型系統(tǒng)完整性校驗(yàn)庫(kù)；對(duì)風(fēng)系統(tǒng)BIM模型構(gòu)件進(jìn)行分類，針對(duì)性梳理不同構(gòu)件的數(shù)據(jù)要求，確定模型構(gòu)件數(shù)據(jù)校驗(yàn)庫(kù)。

將模型系統(tǒng)完整性校驗(yàn)庫(kù)與模型構(gòu)建數(shù)據(jù)校驗(yàn)庫(kù)以計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言寫(xiě)入程序。軟件自動(dòng)提取設(shè)計(jì)BIM模型，基于校驗(yàn)庫(kù)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)模型開(kāi)展分析，針對(duì)構(gòu)件中特定屬性進(jìn)行布爾檢查及非零檢查，判斷模型系統(tǒng)的完整性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

將模型校驗(yàn)成果形成BIM模型校驗(yàn)分析表，自動(dòng)列舉出存在差異的位置，進(jìn)行不同顏色標(biāo)記，并通過(guò)點(diǎn)擊報(bào)表中某項(xiàng)，模型將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至該處，輔助設(shè)計(jì)完成模型修改工作。

1) 存在風(fēng)管未連接到風(fēng)機(jī)上；

2) 存在風(fēng)機(jī)/組合式空調(diào)機(jī)組未連接系統(tǒng)風(fēng)管；

3) 存在風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道末端缺少封堵；

4) 存在風(fēng)系統(tǒng)無(wú)風(fēng)口；

5) 存在一個(gè)風(fēng)系統(tǒng)中有多種系統(tǒng)風(fēng)管；

6) 存在風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)口風(fēng)量流向不正確；

7) 存在風(fēng)口、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、組合式空調(diào)機(jī)組無(wú)風(fēng)量屬性或風(fēng)量為零；

8) 存在風(fēng)口未通過(guò)接頭正確連接到風(fēng)管上；

9) 存在管件缺少各接口的尺寸信息；

10) 存在調(diào)節(jié)風(fēng)閥屬性不完整。

3.2.2 分析計(jì)算（analysis）

當(dāng)用戶完成風(fēng)系統(tǒng)的繪制后，需要對(duì)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或者校核計(jì)算以確認(rèn)風(fēng)系統(tǒng)各風(fēng)管的管徑是否符合設(shè)計(jì)要求。計(jì)算完成后，會(huì)得到風(fēng)系統(tǒng)的各管網(wǎng)的管徑以及阻力，最不利環(huán)路，不平衡率等數(shù)據(jù)。根據(jù)不平衡率和最不利環(huán)路的阻力，需要對(duì)風(fēng)管管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免因?yàn)椴黄胶鈱?dǎo)致的窩風(fēng)等情況的出現(xiàn)。根據(jù)調(diào)節(jié)后的最不利環(huán)路的阻力對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。

關(guān)于分析計(jì)算的具體步驟如下：

獲取系統(tǒng)所有分支：對(duì)BIM模型中目標(biāo)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分支分析，以系統(tǒng)靠近風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道為起端編號(hào)為1。按照風(fēng)管的前后承繼關(guān)系依次類推，將獲取到的各風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)件分成若干個(gè)分支。

計(jì)算分支阻力：通過(guò)獲取BIM模型中風(fēng)系統(tǒng)連接各風(fēng)道末端的風(fēng)量，得出各個(gè)風(fēng)管管道的供風(fēng)量。結(jié)合風(fēng)管的規(guī)格尺寸獲得風(fēng)管的水力半徑及風(fēng)速。同時(shí)風(fēng)管管件如彎頭、三通、四通、靜壓箱等通過(guò)依照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（暖通紅寶書(shū)）進(jìn)行局阻系數(shù)選取。最后將分支中若干風(fēng)管沿程阻力及管件的局部阻力進(jìn)行整合得出該分支的阻力值。

風(fēng)管沿程阻力公式計(jì)算：

△Pm——計(jì)算管段的沿程水頭損失（Pa）

L=計(jì)算管段長(zhǎng)度（m）

λ——關(guān)斷的摩擦阻力系數(shù)；

de——風(fēng)道當(dāng)量直徑（m），對(duì)于圓形風(fēng)管de=d，對(duì)于矩形風(fēng)管de=2ab/(a+b)，d為圓形風(fēng)管直徑（m），a、b為矩形風(fēng)管寬、高（m）；

ρ——流體的密度（kg/m3），空氣的密度標(biāo)注狀態(tài)時(shí)為1.2Kg/m3；

v——流體在管內(nèi)的流速，根據(jù)風(fēng)量、管徑計(jì)算確定（m/s）。

局部阻力計(jì)算公式（本次計(jì)算選型需要用到的公式）：

△Pj——計(jì)算管段的沿程水頭損失（Pa）；

ξ——局部阻力系數(shù)（通過(guò)紅寶書(shū)等指導(dǎo)書(shū)籍可查出，調(diào)節(jié)風(fēng)閥該系數(shù)需要結(jié)合風(fēng)閥的阻力曲線）；

ρ——流體的密度（kg/m3），空氣的密度標(biāo)注狀態(tài)時(shí)為1.2Kg/m3；

v——流體在管內(nèi)的流速，根據(jù)風(fēng)量、管徑計(jì)算確定（m/s）。

分支平衡計(jì)算與調(diào)節(jié)：在獲得到各分支阻力后，找出阻力最大的分支為最不利分支，其余分支與最不利分支的差值，該差值與最不利分支阻力值的比，成為此分支的不平衡率。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開(kāi)度，達(dá)到調(diào)整風(fēng)閥阻力值的變換，最終抵消掉這部分差值引起的分支不平衡，進(jìn)而達(dá)到分支平衡的效果。

3.2.3 仿真（simulation）

結(jié)合風(fēng)閥生產(chǎn)廠家提供的風(fēng)閥阻力系數(shù)與風(fēng)閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系或者風(fēng)閥阻力曲線，擬合出風(fēng)閥的阻力與開(kāi)度的關(guān)聯(lián)公式。并將公式嵌入到風(fēng)閥構(gòu)件中。在對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)閥選型計(jì)算時(shí)，程序通過(guò)假定流速法對(duì)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，產(chǎn)生的分支不平衡率所得到的差值即為風(fēng)閥所需要提供的差值。通過(guò)風(fēng)閥需要提供的阻力值結(jié)合風(fēng)閥所處風(fēng)管的風(fēng)速，依照局部阻力公式進(jìn)行計(jì)算，即可得出風(fēng)閥的開(kāi)度選型結(jié)果。

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.軟件架構(gòu)基于Revit2018的開(kāi)發(fā)，利用現(xiàn)有成熟BIM基礎(chǔ)軟件，短平快的快速開(kāi)發(fā)，綜合開(kāi)發(fā)基于BIM模型校驗(yàn)、分析計(jì)算、模擬仿真功能，及時(shí)投入設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)用。

2.梳理風(fēng)系統(tǒng)模型校驗(yàn)規(guī)則庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)開(kāi)展全專業(yè)模型校驗(yàn)功能打下基礎(chǔ)。

3.基于revit模型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段模型計(jì)算功能，在計(jì)算過(guò)程中無(wú)數(shù)據(jù)丟失與失真，結(jié)合該軟件開(kāi)展三維正向設(shè)計(jì)，解放設(shè)計(jì)生產(chǎn)力。

5 技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)模型校驗(yàn)指標(biāo)：結(jié)合校驗(yàn)?zāi)K，確定評(píng)判指標(biāo)與評(píng)判系統(tǒng)，以此為依據(jù)確定模型通過(guò)率；結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際安裝和調(diào)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，要求軟件計(jì)算的風(fēng)閥開(kāi)度偏差控制在15%以內(nèi)。

6 技術(shù)路線

7 研究結(jié)果

7.1 基于BIM的的軌道交通HBAS軟件研發(fā)成果

通過(guò)針對(duì)性功能需求對(duì)接，制定符合實(shí)施需求技術(shù)路線，成功開(kāi)發(fā)出一款基于BIM技術(shù)的HBAS專業(yè)軟件。

該軟件系統(tǒng)具備BIM模型校驗(yàn)功能，并具備結(jié)合BIM模型開(kāi)展風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量平衡分析計(jì)算、模擬仿真功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)完整性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性校驗(yàn)，通過(guò)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析計(jì)算以及模擬仿真，進(jìn)而得出風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)閥的開(kāi)度選型結(jié)果，基于此計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)的施工安裝和調(diào)試工作。

7.2 基于五號(hào)線石城站BIM模型HBAS應(yīng)用

7.2.1 應(yīng)用過(guò)程說(shuō)明

結(jié)合現(xiàn)有已運(yùn)行的蘇州軌道交通5號(hào)線石城站模型進(jìn)行模擬計(jì)算。石城站BIM模型經(jīng)設(shè)計(jì)深化后移交機(jī)電施工單位，機(jī)電施工單位依據(jù)工藝需求，結(jié)合設(shè)計(jì)模型開(kāi)展施工深化應(yīng)用后出具BIM圖紙，現(xiàn)場(chǎng)按BIM圖紙施工。

針對(duì)石城站機(jī)電施工BIM模型，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核車站風(fēng)系統(tǒng)管線走向，完善BIM模型中管線路由、尺寸、翻彎、風(fēng)閥、風(fēng)口布置等細(xì)節(jié)，確保模型與現(xiàn)場(chǎng)的一致性。

利用HBAS軟件中的模型自動(dòng)校驗(yàn)功能，對(duì)模型中的構(gòu)件進(jìn)行風(fēng)系統(tǒng)完整性的檢查，形成校驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)提示功能，使用戶對(duì)問(wèn)題構(gòu)件進(jìn)行預(yù)覽以及定位修改。通過(guò)反復(fù)迭代校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。此版BIM模型作為HBAS軟件計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 HBAS軟件中的模型自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)表

啟動(dòng)HBAS軟件中的計(jì)算與仿真功能，程序自動(dòng)獲取用戶選定的風(fēng)系統(tǒng)BIM模型，自動(dòng)拾取風(fēng)管以及風(fēng)管附件參數(shù)，基于軟件程序的內(nèi)置算法，自動(dòng)對(duì)選定的風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)閥的開(kāi)度選型計(jì)算，生成帶有風(fēng)管編號(hào)與風(fēng)閥標(biāo)注的鎖定視角單系統(tǒng)軸測(cè)圖以及風(fēng)閥選型數(shù)據(jù)表。

7.2.2 計(jì)算結(jié)果說(shuō)明

以石城站大系統(tǒng)送風(fēng)為例，計(jì)算結(jié)果分析如下。

大系統(tǒng)送風(fēng)自小軸端環(huán)控機(jī)房，分別向站廳層與站臺(tái)層送風(fēng)，具體路由如圖2所示，該送風(fēng)系統(tǒng)涉及三個(gè)調(diào)節(jié)閥，閥門(mén)定位如圖3所示。結(jié)合軌道交通地鐵車站HBAS軟件，該風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖2 大系統(tǒng)送風(fēng)路由圖

圖3 大系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)閥定位圖

圖4 石城站環(huán)控大系統(tǒng)送風(fēng)HBAS計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)圖

8 結(jié)論與展望

1.本軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)試情況偏差在11%左右，可以用來(lái)指導(dǎo)安裝和調(diào)試，基本滿足軟件開(kāi)發(fā)要求。

2.課題在開(kāi)發(fā)過(guò)程中為了保證自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)系統(tǒng)提取，使用的風(fēng)系統(tǒng)完整性檢查功能，不僅可以檢查風(fēng)系統(tǒng)連接情況，還能檢查相關(guān)設(shè)備的信息。對(duì)于地鐵車站模型的整體檢查也有很大借鑒意義。

3.風(fēng)系統(tǒng)模型校驗(yàn)功能經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，能快速檢測(cè)模型問(wèn)題，以風(fēng)系統(tǒng)校驗(yàn)功能為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)全專業(yè)模型校驗(yàn)功能。

4.嘗試基于BIM的軌道交通HBAS軟件與蘇州軌道交通集團(tuán)BIM設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺(tái)結(jié)合，計(jì)算與自動(dòng)校驗(yàn)程序融合設(shè)計(jì)交付與施工深化管理流程。