BIM新技术在暖通空调领域的应用探索

发布时间：2021-11-30

　　摘要 以 BIM 技术新方向探索为主要目标，基于暖通空调领域的应用特点，引入以综合数据平台、数据库技术、地理信息技术、三维扫描技术等 BIM 新技术。利用暖通空调领域的设计流程和工程经验给出新技术选择的基本要求，按照提高生产效率的目标寻找对应的有效途径，给出相关应用实例。研究表明，BIM 技术对暖通空调全寿命周期的设计、施工及运维的质量有较大提升，同时能缩短设计施工周期，减少相关过程中的矛盾。

　　关键词 暖通空调 建筑信息模型 数据库 地理信息系统 三维扫描

　　BIM(buildinginformationmodel)技术是指将建筑工程项目中的每个单一构件都看作一个基本元素，将描述基本元素的几何数据、物理特性、施工要求、价格等所有相关信息有机整合，形成一个完全数据化的建筑模型，以此作为整个建筑工程项目的数据资料库。所有建筑物构件整合的数据不仅反映了建筑元素的几何特征、物理属性等特性，而且相互之间还保持着作为建筑整体一部分的空间关系和逻辑关系，作为虚拟空间的数字化建筑物，形成了一套完整的、有层次的信息系统。由于一些重点 项 目 整 体 采 用 BIM 技 术，一 些 地 区 也 针 对BIM 技术提出了鼓励发展的政策，也 有 越 来 越 多的软件服务商开始关注 BIM 技术与暖通专业的结合，BIM 技术在暖通空调行业的发展已经从萌芽阶段转向提速发展期，越来越多的新技术被引入暖通空调行业。

　　本研究结合以综合数据平台、数据库 技 术、地理信息技术、三维扫 描 技 术 等 BIM 新 技 术 为 中 心的各种计算机辅助技术和信息技术，结合暖通空调领域的设计流程和工程经验，探索能够提高生产效率的应用方式及有效途径。

　　1 研究体系

　　暖通空调在建筑中的应用流程一般分为方案阶段、设计阶段、施工阶段和运营阶段。这个流程与建筑的全寿命周期较为吻合。目前设计和施工阶 段 对 BIM 软 件 应 用 较 多。设计阶段主要应用BIM 设计软件和辅助设计软 件，施 工 阶 段 主 要 应用施工方案组织、工程量计算等施工辅助软件，方案和运营阶段 相 对 应 用 较 少。因 此，目 前 BIM 技术在暖通空调领域应用主要体现在三维设计施工模型的建立、管线综合布置、三维模型分析与展示、基于模型的施工流程管理与工程量计算以及项目级构件库的建立等。这些广泛使用的技术有些共同的特点，如专业性较强，仅仅在设计或施工的某一个阶段使用，向上向下的信息传递方面受到软件的较大约束，通用性较差等。

　　总体而言，暖通空调是基于风、水等介质，研究建筑热环境及舒适度的学科，因此模拟分析可以有效指导设计和施工。此外，由于风管水管以及对应附件的自身属性，暖通空调领域对吊顶、机房、管井等空间更加关注，引入、加强该方面的信息技术会更加容易提高主要环节的质量。

　　基于以上几点，可以得到以下发掘适用于暖通空调领域信息化技术的原则：

　　1)在应用阶段方面，有效的应用技术应立足于设计和施工阶段，同时对应用不足的方案和运营阶段进行拓展和延伸，应用尽可能对全过程都能起到作用;

　　2)在应用工具方面，各类新技术需要考虑是否能有效 将 风 光 热 等 分 析 工 具 纳 入 BIM 应 用 体系，对原有 BIM 技术应用进行补充;

　　3)在研究重点方面，对能够提高暖通空调专业空间的利用率以及布置合理性的技术，要深入研究，抓住主要问题;

　　4)在软件层面，新技术应尽可能不受软件和接口限制，突破软件公司的壁垒，选择对 BIM 将来全寿命周期发展有益的信息化技术。

　　2 研究内容

　　针对目前 BIM 应用现状，在选择新技术时 要注意解 决 一 些 实 际 问 题。目 前，由于缺乏统一标准，在设计中使用的暖通空调的模拟软件，会有部分数据不能相互传递或被直接传递到下一阶段的情况，其原因是软件开发商出于商业目的，各软件支持不同的格式。虽然已经有一部分主要软件支持通过IFC 的 数 据 传 输，但 目 前 这 些 软 件 都 仅 仅留出了应用接口，相互转换程度较低。

　　另外，暖通空调的许多设计数据和施工数据无法有效衔接，无法将施工结果与设计思想进行对比验证，一是无法确认施工是否完全满足设计要求，二是无法通过施工结果对设计提出更好的改进建议。暖通空调专业还会碰到地下和室外复杂管线交错等实际问题。

　　根据以上特点，结合目前信息化技术的几个主流方向，选择几个较为典型的、同时在暖通空调领域应用适宜的技术(综合数据平台———解决不同软件间在工作流程中的数据沟通和展示问题，数据库技术———数据底层互通，地理信息技术———对小市政管线问题提出解决方案，三维扫描技术———施工结果验证对比手段)进行阐述。

　　2.1 综合数据平台

　　综合数据平台的应用起源于各个子项技术的发 展[1]，特别是暖通空调专业的设计软件、辅 助设计的分析软件、施 工 流 程 和 方 案 组 织 软 件 以 及工程量计 算 软 件 等，由 于 在 工 程 中 广 泛 应 用，有越来越多的暖通 空 调 模 型 和 信 息 需 要 进 行 交 互，因此需要建立一 个 集 中 的 综 合 数 据 平 台，以 提 高工作效率。

　　综合数据平台是一个满足各流程软件需求的整体接口 转 换 平 台，可 以 由 各 类 设 计 单 位、咨 询公司、施工单位和 物 业 管 理 部 门 根 据 自 身 应 用 软件进行开发。由于 该 平 台 要 应 用 于 各 个 阶 段，因此需要制定各个 阶 段 的 模 型 和 信 息 保 留 标 准，以此对模型和信息 的 传 递 作 出 规 定。目 前，可 以 借助云平台和互联网技术解决 综合数据平台的硬件问题，同 时，利 用 软 件 开 发 定 制 各 个 部 门 需 要的软件平台。

　　以设计阶段为例，暖通空调专业对建筑模型的要求就有所不同：

　　1)在概念阶段，暖通空调专业对建筑模型只分析室外条件，以体块为主，对于周围遮挡物重点考虑其高度，忽略那些对建筑外部风场和温度场几乎没有影响的遮挡物。

　　2)在方案阶段，建筑专 业 在 确 定 几 种 方 案 的前提下，分 析 仍 以 室 外 为 主，适 当 考 虑 各 个 方 案的围护结构，方便 进 行 围 护 结 构 的 能 耗 比 较。遮挡物选 择 参 照 概 念 阶 段 的 原 则。与 前 一 阶 段 不同的是，在方案阶段需要考虑道路和树木等的高度关系。

　　3)在初步设计阶段，由于室外条件基本确定，主要模拟对象转为室内，仅有围护结构考虑室外条件。此时主要考虑各个主要空间的划分，门、窗和墙是主要考虑的物理基本构件，层高等确定空间体量的参数也 必 须 加 入 模 型，可以忽略梁等结构构件，重点集中在水暖相关的出入口的高度和尺寸上。

　　4)在施工图设计阶段，除了初设阶段的建模原则外，建模时可以考虑各设备的体量、装修层高、风口等细化元素。

　　以已经应用过的三维设计和辅助设计软件综合应用 平 台 为 例，说明综合数据平台的作用。以Revit作为主要输入模型，Ecotect结合IES进行模型转换和一 般 模 拟，CFX 进行风热环境的细化模拟分析指导 设 计，Trnsys作为机电系统一体化设计的分析软件对整体效果进行分析。

　　一个较为完整的三维数据转换过程如图1所示。利用IES的各类模拟模块较为完整的特性，可以减少模型在数据传递中 信息失真严重对设计和辅 助 设 计 工 作 量 的 影 响，大大提高工作效率。实际设计与辅 助 设 计 交 互 对 比 表 明，采 用 统一数据平台比分别使用其他软件减少30%左 右的工作时间。

　　2.2 数据库技术

　　暖通的 BIM 技术应用发展到较高水平时，有关专业的所有基本构件的有关数据都应存放在统一的数据库中，实现信息集成[2]。虽然不同软件的数据库结构有所不 同，但 BIM 暖 通 数 据 库 中 存 储的建筑信息可以被其他专业共享。该数据库在构造中应注意以下3点：

　　1)数据库用以存储的建筑信息模型是整个建筑在全寿命周期中所产生的所有信息，设计施工运行管理各方都可以利用此数据库中的数据信息来完成自己的工作。

　　2)数据库可以储存多个项目的信息模型，因为目前主流的信息储存方式是以文件为单位的储存方式，在面对 BIM 技 术 时，存 在 数 据 量 大、文 件存读取困难、难以共享等缺点，而利用数据库对多个项目的建 筑 信 息 模 型 进 行 存 储，可 以 解 决 此 问题。

　　3)数据库的储存形式应遵循其标准。如果标准不同、数据的形式不同，就可能在文件的传输过程中出现缺失或错误等问题。

　　数据在软硬件的流动过程如图2所 示。暖 通的 BIM 软件和 BIM 辅 助 软 件 都 属 于 数 据 库 上 游的协同软件与办公软件，数据输入到应用软件平台后进入数据库的软件基础架构平台，在这里，数据流被分解为各类不同的数据，然后进入基础软件平台，分别被存储到硬件存储器中。

　　以暖通专业的风管系统为例。从设计 软 件 中读出的风管、风管阀件以及风管附件信息存入数据库，可直接被分析软件读取，用于分析风管系统阻力以及送风效果;可直接传递给施工模型，用于施工时与其他管线进行综合布线，指导安装阀门位置等;可传递给运营维护模型，作为物业数据库的基本维护参数。

　　可以看到，利用数据库技术可以大大提高信息流转的速度，避开软件服务商自身接口的问题，是提供 BIM 技术在暖通空调全寿命周期整体性解决方案的理想形式。

　　2.3 地理信息技术

　　在 暖 通 空 调 领 域，地 理 信 息 技 术 GIS(geographicinformationsystem)主要用于室外需要明确标高定位的管线布置以及地势较为复杂的风环境模拟等。场地模型可以采用精确的地理信息进行描述，利用点云进行建模可以精确给出场地的实际情况，方便进行风环境的模拟和对管线标高进行定位。

　　具体实例见图3，4。图3是 一 个 建 立 在 坡 地上的某小区地理 模 型 转 换 成 的 建 筑 场 地 模 型，可以看到内 部 道 路、水 系 的 高 差，可以方便地进行风模拟 以 及 光 照 辐 射 模 拟 来 辅 助 暖 通 设 计。这样的模型若用人 工 建 模，将耗费大量的时间和精力，且不能 满 足 需 要 的 精 度，使模拟失去其应有的价值。

　　图4是 某 园 区 的 地 下 管 网 的 三 维 模 型，利 用地理信息给出地 面 标 高，对应建立地下管网的三维模型，既能提高设计 的精度，也能更好指导施工，为施工 安 排 工 序，也便于日后的管线维护和保养。

　　2.4 三维扫描技术

　　三维扫描是集光、机、电和计算机技术 于 一 体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在 CAD，CAM，CIMS等 技 术应用日益普及的今天很受欢迎[3]。

　　对于暖通空调专业而言，三维扫描主要应用于改造项目和对施工结果的验收。对于改造项目来说，原有管线的布置对于设计和施工来说都至关重要，如何摸清现状，如何在设计和施工过程中保留和利用部分原有管道，更换和增加的管道如何进行布置，都需要对现状进行准确的测量和定位。目前许多项目采用人工测量和定位，存在大量误差，也耗费较多人力、物 力。而 对 于 基 于 BIM 模 型 的 设计和施工，如何检验施工成果是否与模型一致，也需要三维扫描技术的协助。

　　图5，6是一个改造项目在改造初期进行的三维扫描成果与之前竣工模型的对比。图6中蓝色构件表示点云模型，图5的白色构件表示 BIM 结构模 型，两图中的红色区域表示点云模型 与 BIM模型的差别。可以看到，即便是施工单位的竣工模型，仍然和施工场地现场扫描得到的点云有较大出入，主要集中在部分结构构件以及层高方面，这对暖通空调的施工定位和层高控制有极大影响，也凸显出三维扫描技术在项目改造中的作用。

　　3 研究结论和展望

　　BIM 技术作为目前信息化技术在建筑领域应用的主要方向，有许多信息化的技术需要根据专业特点和应用范围进行选择。因此，在选择适用于暖通空调领域的 BIM 技术时，要注意整体性、前后关联性和上下游信息传递相关技术，同时关注所需要的专业空间和分析工具的整合。

　　经过对目前暖通空调的应用特点的分析，笔者认为在数据贯通、设计施工相互验证以及室外管线方面有一些技术值得进行研究，结合工程实例，得到以下结论：

　　1)综合数据平台技术方面，需要制定各个阶段的模型和信息保留标准，通过软件接口转换，实现数据在各阶段内和各阶段之间的整体贯通，可以大大提高暖通空调专业工作效率。

　　2)数据库作为较高水平的基础信息流通机制，由于不存在各类软件不同接口问题，能带来最高的工作效率。目前亟需解决的问题是暖通空调专用数据库的标准和结构。

　　3)地理信息技术有助于辅助暖通专业作场地的相关风热环境分析及室外管线排布，目前的问题是地理信息的获取和整合还缺乏标准流程。

　　4)三维扫描技术在暖通空调改造项目方面有明显优势，可以 帮 助 了 解 摸 清 建 筑 管 线 的 现 状以及目前可利用 空 间 的 具 体 情 况 等;也 可 作 为 设计施工在建成后 进 行 验 收 的 途 径 之 一，提 高 整 体建筑暖 通 空 调 设 计 施 工 的 质 量。该 技 术 应 用 的工程实例较少，在 运 营 维 护 方 面 的 应 用 还 有 待 研究。参考文献：[1] 张洋.基 于 BIM 的建筑工程信息集成与管理研究[D].北京：清华大学，2009：33-35[2] 李犁，邓 雪 原.基 于IFC 标准 BIM 数据库的构建与应用[J].四川建筑科学，2013，39(6)：，296-301[3] 赵静.基于 GIS的三维管线激光扫描建模专题研究[J].大众科技，2013，15(3)：68-71——论文作者：梁 楠☆ 徐宏庆 陈 媛

　　相关期刊推荐：《暖通空调》创刊于1971年，本刊为月刊，主要阐述建筑物在热、湿及污染物干扰条件下控制的基本概念和基本技术手段，详细阐述了室内环境冷热湿负荷计算、空调及供暖系统、室内气流组织、建筑室内环境安全、通风除尘与净化技术等内容。为提高学生的基本设计技能，特别编写了以空气调节、工业通风、供热工程单体设计为主的工程案例设计。