BIM设计平台下的暖通空调系统工程结构体集成化设计方法

发布时间：2021-11-30

　　摘要 建筑信息模型(BIM)技术虽已被建筑业广泛接受，但基于 BIM 设计平台的现有工程设计方法变化不大，基本是原有工程设计方法的延续，导致基于 BIM 平台的工程设计普遍存在效率低、正向设计难等问题。分析了 BIM 平台下现有暖通空调系统工程设计方法存在的问题，提出了工程结构体集成化设计方法及暖通空调系统工程结构体创建方法。针对某工程制冷机房，分析了工程结构体集成化设计方法的工效，结果表明，使用该方法可大幅提高设计效率。

　　关键词 建筑信息模型 集成化设计方法 工程结构体 暖通空调系统 工效分析

　　引言

　　目前，集图形表达和数字化、参数化表 达 于 一体的 BIM 设计技 术，已 广 泛 应 用 于 建 筑、结 构、暖通及其他机 电 设 备 专 业 的 工 程 设 计 过 程，功 能 强大、使 用 便 捷 的 智 能 化 BIM 工 程 设 计 软 件 包 括AutodeskRevit，ArchiCAD，Bentley 等。暖 通 空调系统作为当下 BIM 设计技术的主要应用对象之一，BIM 建 模[1]、管 线 综 合 设 计[2]、机 房 预 制[3-4]、自动设计[5-6]、能 耗 模 拟[7]等 成 为 研 究 热 点。与 此同时，由于 BIM 设计平 台 对 工 程 设 计 参 数 化 的 要求，工程师在绘制工程图形后还要处理与图形相对应的大量的 设 计 参 数 信 息，从 而 增 加 了 设 计 工 作量，设计师普遍反映 采 用 BIM 技 术 没 有 提 高 设 计工作效率，出现了“做 BIM 翻 模 的 多、做 正 向 设 计的少”等问题，影响了 BIM 技术在我国的创新发展和推广应用。为 此，笔者深入剖析了应用 BIM 技术的工程设计过程及其设计方法，发现现有的机电设备系统 BIM 技术工程设计方法仍采用传统的基于图板和 AutoCAD设计平台的设计模式，BIM 设计流程缺乏变革，不 利 于 发 挥 BIM 设 计 平 台 所 具有的智能化和参数化设计功能和优势。

　　因此，为充分发挥BIM 设计平台参数化、智能化的功能和优势，非常有必要深入研究BIM 设计平台的智能化特点，发展适于BIM 环境下的智能化和自动化工程设计新方法，以提高暖通空调系统的工程设计效率，使设计师从繁重的制图工作中解脱出来，有更多精力优化工程方案、研究环境调控效果和能源利用效率等。为此，本文针对BIM 设计平台，提出一种集成化的暖通空调系统工程设计新方法。

　　1 BIM 平台下现有工程设计方法及其存在的问题

　　现有的暖通空调系统工程设计主要包括方案初步设计、负荷计算、方案确定、风量计算、设备选型、水力计算及工程制图等过程。就制图而言，现有 AutoCAD平台下的暖通空调系统工程设计是 “设备+管线+部件+……+标注”逐项拼接式的绘制方式。表1以1台循环泵管线系统为例，给出了 AutoCAD平台下现有工程设计方法的制图过程，即绘制水 泵→添 加 部 件→绘 制 管 线→添 加 标注。可以看出，AutoCAD 平台下的 设 计 方 法 是 用抽象的专业图例和符号来表达水泵和部件，其好处是工程图纸表达简洁、明了，易于标准化、规范化;其缺点是对于抽象的图形符号，非专业人员很难看懂，无法见图知义、一目了然，同时图形模型和信息模型分离或部分分离，需要配以设备表等来建立二者之间的关联关系。

　　现有的 BIM 设计继承了上述工程设计方法，并出现了“翻模”和 正 向 设 计 等 设 计 概 念(前 者 是先用 AutoCAD绘 制 工 程 图 纸，再 建 立 其 BIM 模型;后者即直接采用 BIM 设计平台进行各专业的协调设 计)，但究其工程设计 方 法，仍 然 是“设 备+管线+部件+……+标 注”逐项拼接式的绘制方式。关于 BIM 正向设计，现阶段除了强调各专业之间协同设计外，仍缺乏能够 体 现 BIM 设 计 平台智能化优势和 参 数 化 设 计 特 色 的、具 体 的 工 程设计方法，这在一定程度上制约 了 BIM 设 计 平 台的普遍应 用。表2给 出 了 BIM 平台下现有工程的设计 流 程，可 以 看 出，与 AutoCAD 相 比，二 者的图形模型创建过程是一致的，但 BIM 平 台 下 的工程设计方法增 加 了 信 息 模 型 创 建 过 程，且 图 形模型与 信 息 模 型 一 一 对 应，具 有 突 出 的 孪 生 特性。

　　上 述 具 体 案 例 表 明，BIM 设 计 平 台 下 的 暖 通空调系统工程设计具有突出的参数化和集成化特点。

　　首先，参数化设计特点一方面要求工程设计过程所涉及的所有工程图形均应完成参数设置，即创建信息模型，以实现工程的图形模型与其参数信息模型的孪生，为工程图形模型的后续智能化应用和管理提供数据基础。图1为1台冷水机组及其管路系统的 BIM 工程图，其中冷水机组和管路的参数设置如表3所示。另一方面，参数化设计反过来可以通过参数驱动来实现对工程图形模型的制图操作和图形修改，即参数驱动图形，从而可以通过编程对参数进行自动修改以实现对工程图形的自动化修改，进而实现工程制图的自动化和智能化。

　　其次，BIM 设计的集成化特点一方面是指工程图形模型的集成化，即相对于应用专业符号和形似图形的图板制图和 AutoCAD制图而言，BIM 设计平台下的暖通空调系统工程设计具有设备、管路和部件见图知义的特点，工程图形模型为形似实体信息模型的集合，不再是抽象的工程符号、图例和线段的集成，具有突出的去符号化和集成化特征，设计师也无 需 用 多 幅 平、剖面图来表达自己的思想。另一方面，集成化特点还体现在工程图形模型与其参数信息模型的集成(即孪生)，即工程图形模型与参数信息模型密不可分。

　　通过上述分 析 可 以 发 现，BIM 平 台 下 现 有 的 “设备+管线+部件+……+标注”逐项拼接式绘制工程设计方法不利于充分发挥 BIM 设计平台参数化、集成化、智能化的优势和特点。究其原因，这不是 BIM 设计平台的 问 题，而是现有的工程设计方法的问 题。研 究 和 工 程 实 践 表 明，BIM 设 计 比传统 AutoCAD设计 在 工 作 量 上 增 加 了2～4倍。因此，亟需针对 BIM 平台所具有的智能化优势 和特点，研究开发适于 BIM 平台的新的暖通空调系统工程设计方法，特别是如何充分利 用 BIM 平 台所提供的丰富的 API接口，实现对 BIM 设计软件的二次开发，进而实现暖通空调系统工程设计的智能化和自动化，大幅度提高建筑机电设备系统的工程设计效率。

　　2 暖通空调系统标准化模块的划分及工程结构体的提出

　　集中式空调系统是大型公共建筑中常用的空调系统形式，水冷式冷水机组加冷却塔是常见的空调冷源方式，末端设备形式主要为全空气空调系统和风机盘管+新风机组等。图2所示为常见的集中式空 调 水 系 统 原 理 图。该 水 系 统 包 括 冷 源、热源、输配系统、末端设备、连接管线五大组成部分：冷源由2台冷水机组、2台冷却塔构 成;热 源 为 市政热网;输送设备包括2台冷水泵、2台 热 水 泵、2台冷却水泵、2台 补 水 泵、1台 分 水 器 及1台 集 水器;末端设备包括空调机组、新风机组及风机盘管。若将设备、设备相连的管线、相连管线上的部件看作1个模块，那么该水系统就是由模块组成的，如冷水机组模块、冷却塔模块等，如图2中双点划线框中部分所示。

　　暖通空调系统经过近几十年的发展，积累了大量的工程实践经验并形成了大量的标准图集。到目前为止，暖通空调系统的组成模块已基本确定，即模块内的设备、管线、部件、连接关系在工程中已基本稳定，为暖通空调系统标准化模块的提出奠定了坚实的基础。笔者认为，根据标准图集、工程需要及设备厂家的要求，将基本单元内部构件的结构关系及与外部构件的连接关系进行统一化的过程即为标准化过程。通过标准化过程确立的、整体呈现某一功能的、可重复调用的机电设备系统的基本单元就是该机电设备系统的标准化模块。这里将基于 BIM 设计平台的、可用数字化形式表达的标准化模块称之为机电设备系统的工程结构体。

　　暖通空调水系统标准化模块(分/集水器除外)的划分以标准化模块内的设备数量为主要依 据。若标准化模块中仅包含1个核心设备，则其边界应划分至包含该核心设备相连管路中的主要管路附件的管道位置。在暖通空调系统中，设备相连管路一般会设置调节阀或两通阀，且调节阀或两通阀阀前通常设置了管路附件，所以包含核心设备相连管路中主要管路附件的管道位置为调节阀或两通阀的位置。若基本单元包含多个并联设备，则其边界应划分至 并 联 主 管 道 与 其 他 管 道 相 连 接 的 位 置。暖通空调水系统中常见的标准化模块见表4。分/集水器的标准化模块划分以分/集水器接口数量为依据，其标准化模块见表5。

　　全空气空调风系统及新风系统原理如图3所示。其中，空调机组、新风机组、相连管路及相连管路上的附件构成空调机组模块及新风机组模块，如图3中 双 点 划 线 框 中 部 分 所 示。空调机组及新风机组的标准化模块以空气处理过程及机组功能段的配置为划分依据，暖通空调风系统中常见的标准化模块见表6，7。此外，暖通空调风系统中还涉及到风机盘管模块，其标准化模块如图4所示。

　　3 暖通空调系统工程结构体的创建

　　工程结构体是设备、管件、部件等不同 类 型 的构件按照工程系统工艺流程所形成的有序集合，包括工程结构体图形模型和信息模型两部分，二者是孪生的，不可 分 割。本 章 基 于 Revit软 件，阐 述 暖通空调系统常用工程结构体的创建方法。

　　在暖通空调系统工程结构体内，各部件的关系定义为两级嵌套关系，如图5所示，图中的核心设备是指冷水机组、水泵等机械设备，接管是指核心设备前后包含相应管路附件的管道，接管相对于工程结构体为一级嵌套，管路附件相对于接管为一级嵌套，相对于工程结构体为二级嵌套。基于此嵌套关系，工程结构体的创建流程如图6所示。水泵工程结构体的创建流程及结果如表8所示，表8中所列的信息模型的内容为各构件的核心信息。在创建过程中，还会产生一部分辅助信息，该部分信息没有典型的物理意义，主要作用是与构件的几何形体关联以驱动几何形体变化。以图7所示的止回阀为例，在驱动止回阀几何形体变化的过程中，需 要 “高度2”、“高度3”2个参数辅助，以驱动止回阀在竖直方向的变化，而“高度2”、“高度3”2个参数没有明确的物理含义，因此这2个参数为辅助信息。

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　　在工程结构体的创建过程中应注意以下问题：1)创建工程结构体时的参照标高应与项目模型文件的参照标高相同，以确保工程结构体在项目模型文件中与其他构件采 用 同 一 套 标 高 体 系;2)应 保证工程结构体嵌套关系的准确性及信息模型的完整性;3)辅助信息与几何形体关联时，不可形成信息的闭环关联。信息的闭环关联一是指公式的闭环关联，如假设有3个参数A，B，C，在参数A 中输入公式A=B+C，在参数B 中输入公式B=A-C，则形成公式的闭环关联;二是指参照平面的闭环关联，在创建几何模型的过程中，常规做法是将几何模型与参照平面进行锁定，控制几何模型变化的参数与参照平面进行关联并锁定。在关联过程中，若对所有的参照平面均进行了参数关联及锁定，即形成了信息的闭环关联。

　　工程结构体的审核评价包括以下要点：1)工程结构体的嵌套关系 准 确;2)图 形 模 型 与 信 息 模型完整、准确;3)图形模型随着辅助信息的变化而发生变化，且不会发生构件错位、分离等情况。

　　随着工程结构体应用场景的不同，其几何模型和信息模型有所不同。笔者所在团队针对设计需求及装配式施工需求创建了面向设计的工程结构体及面向施工的工程结构体，并分别匹配了其信息模型。在工程结构体应用过程中，通过选择面向不同需求的工程结构体来保证工程结构体的适用性。

　　4 暖通空调系统工程结构体集成化设计方法

　　通过上述分析可知，暖通空调系统由工程结构体及工程结构体之间的连接管线构成。如果事先可以建立参数自动可调的工程结构体，并将工程结构体存储于数据库中，在应用的过程中以插件或其他方式引入项目，那么暖通空调系统的设计所要解决的主要问题即为连接工程结构体的管线的绘制，这种方法可以提高工作效率。

　　笔者将以工程结构体为基本单元，进行设备及管路的理论计算、设备选型、工程图形模型和参数信息模型创建的设计方法称为暖通空调系统的工程结构体集成化设计方法。工程结构体集成化设计方法有2层 含 义：一是工程图形模型层面的集成，该层面的集成为提高工程设计的工作效率奠定了基础;二是参数信息模型层面的集成，该层面的集成是指工程结构体内部构件的信息及工程结构体自身信息的集成，保 证 了 BIM 技 术 所 要 求 的 信息完整性，也为后续工程计算量统计等应用奠定了基础。以图8所示的冷水机房为例，暖通空调系统工程结构体集成化设计方法与现有方法实施步骤的对比见表9。

　　5 暖通空调系统工程结构体集成化设计方法工效分析

　　以图8所示的冷水机房为例，对集成化设计方法的工效进行分析。若采用现有的 BIM 设计方法进行绘制，每一根管路上的压力表、温度计、阀门等管路附件，均需逐一添加，而采用集成化设计方法，设计者节省了绘制温度计、压力表、阀门等管路附件的时间。以管路附件和设备的数量作为工作量的衡 量 标 准，2 种 绘 制 方 法 的 工 作 量 的 对 比 见 表10。由表10结果计算可知，采用集成化设计方法，其工作量减少了92%。

　　6 结论

　　1)工程结构体集成化设计方法满足 BIM 平台的设计要求，可以大幅提高设计效率。

　　2)工程结构体集成化设计方法将基于 BIM设计平台的设计流程由“理论计算→设备选型→设备布置→连接管线→添加附件”转变为“设备及管路的理论计算→设备选型→工程图形模型和参数信息模型创建(布置工程结构体)→连接管线”，为基于 BIM 平台的暖通空调系统的自动化设计提供了新的思路和方法。

　　3)下一步 的 工 作 是 完 善 面 向 不 同 设 备 类 型、系统形式、应用需求的工程结构体、相应数据库及管理平台。——论文作者：唐新鑫☆ 梁若冰 张吉礼△