BIM技術在冷凍水閥組關鍵節點上的應用★

王 浩 馮志明 劉洪超 馮 彬 曾琦杰

(中國汽車工業工程有限公司，天津 300113)

1 BIM技術在暖通工程中的應用概況

BIM技術在我國起步較晚但是發展迅速。BIM技術在工程領域的應用主要在深化設計和數字化施工等。

BIM設計具有實時性，實體性，可視性的特點，能夠讓業主等非本專業人員更多的參與到設計中，工程設計人員能夠盡可能多的收集到來自各方面的需求意見，及時發現問題，修改不合理的設計，盡可能減少后期設計變更。通過對BIM模型的深化設計與數據集成，可以獲得具有時效性和合理性的虛擬建筑。該模型能夠容納從設計到使用甚至是到周期終結的全過程信息，可以持續的提供項目設計范圍、進度、成本等信息。

傳統的暖通工程管線施工，通常是根據圖紙設計要求，在現場對各種管線進行組裝，切割，焊接等工作。工廠化預制加工的應用還不夠廣泛，這主要是由于傳統的設計方法，管線布置無法做到非常精確，限制了工廠化預制的發展。尤其是與如鋼結構、玻璃幕墻等傳統建筑行業相比，精細化設計還非常不夠。

2 傳統設計方式在冷凍水閥組節點上出現的問題

2.1 冷凍水閥組結構復雜

冷凍水閥組是暖通專業冷凍水系統上的關鍵節點。與車間冷凍水系統相比，閥組接管復雜，直管段少，彎頭、三通、閥門管件等數量眾多，焊縫多，空間受限，閥門操作位置，儀表顯示位置等不容易明確(見圖1)。傳統二維設計方式，公用設計時難以考慮細節，通常只能現場考慮，這會帶來很多問題。

2.2 二維設計表達方式存在局限

傳統二維設計中，通常是通過符號和線段來代表閥門、管線，如圖2所示。

這種做法的優點是簡單，有利于整體信息的傳遞，缺點是不夠直觀，需要讀圖人有一定的識圖能力和專業基礎，同時，平面制圖具有善于表達平面信息，難以表達立體信息的特點。由于閥組實際的安裝位置難以確定，接管方式不夠明確，上下支管難以在圖上表示，這種設計方式往往需要施工方進行二次深化設計。但是在實際操作中，通常只是施工單位根據自己的經驗和現場實際情況直接制作，非常依賴于實際施工者的經驗。

2.3 閥組節點表達困難

冷凍水閥組的安裝位置和管道連接關系通常在冷凍水平面圖和系統圖上體現。車間冷凍水系統的體量很大，細節很少，通常是由大段的長直管道和少部分的彎頭、三通、上翻下翻等構成。與之相反，閥組本身的體量很小，但是細節眾多，尤其是一些結構復雜的冷凍水閥組，其所包含的閥門、管件等非直管段構件的數量能夠超過60個。

車間冷凍水圖紙上只能夠標明每個閥組的大致位置和基本信息，閥組的詳細信息，例如閥組的閥門、管件順序等信息往往無法詳細表述。進一步來說，閥組的上下支管，閥組與設備連接匯管等更是難以在圖紙上體現。上下支管和設備連接匯管往往是閥組安裝中變化最大，最難以體現的部分，也是在前期預算和后期結算中最難以準確統計工程量的部分。

傳統設計方式通常不會表示閥組框架，管箍等內容，實際施工中就可能出現管箍的位置與閥門管件沖突，閥門管件之間螺栓安裝困難，閥門手柄被框架阻擋影響操作等情況。這一方面增加了施工中的不確定性，影響進度質量，另一方面也容易造成浪費，制作不夠合理緊湊。

2.4 傳統設計方式對現場施工的制約

閥組不是孤立存在的，通常為設備服務，但是暖通閥組的施工方與設備施工方往往不同，不同專業的工作面存在交叉。閥組制作安裝的工作面受限，容易成為施工現場的進度制約因素，也會影響其他施工工序，還有可能出現例如阻擋道路，難以檢修，影響操作，不易查看，安裝困難等問題。很多細節部分，實際施工中需要現場工程師進行確定，但由于施工過程中不可能一開始就考慮周全，所以往往出現“誰先到誰先得”“只管本專業，不管其他專業”等情況。

由于傳統設計方式在信息表達方面的缺陷，很多工作需要現場工程師與業主方、施工單位等進行協調，這對于實際工程量的統計，進度的把控都會有影響。

3 BIM設計在冷凍水閥組節點上的優勢

3.1 BIM設計可以提前發現問題

閥組節點的特點就是閥門管件多，構件形式復雜，外購件數量多且規格復雜。BIM設計時可以做到明確閥組的制作細節，包括閥組上下支管制作等內容，省去了現場實際測量的工作量。由于設計過程中，BIM建模是根據實際尺寸，實際定位完成，模型和現場施工會高度一致，同時由于模型的特性，這些難以在平面圖紙上表達的信息可以很容易通過模型表現出來，這樣就把很多需要現場處理的問題解決在設計階段，消弭于無形之中。

3.2 BIM設計可以實現標準化

利用BIM技術，對閥組節點按照通用標準構件和非標準外購件進行分類詳細設計，詳細的得出該閥組所需要的閥門、管件、管道的數量、型號、尺寸和附屬的支架的各種參數。同時加強外購件的管控和數據統計，在設計中進行標準化工作，建立起外購件數據庫，設計形式的標準閥組，設計人在閥組設計時主要在標準閥組的基礎上進行調整，設計中更多的是數據的錄入和標準模塊的調用工作，這樣不但可以大大提高設計速度，也可以降低設計出現問題的可能性。

3.3 BIM精細設計避免浪費

BIM精細化設計，能夠大大降低材料和工序的浪費現象。通過BIM技術，能夠準確的統計工程所需材料數量，為工程項目中的材料采購提供數據支撐，這樣不但能夠有效避免資源浪費，還能夠準確制定材料到場計劃，對于項目的資金，材料管理非常有利。無論是對前期的施工準備，施工時的進度控制，還是后期的工程量結算等均有促進。

3.4 BIM技術實現精細化施工

利用BIM技術，工程管理人員可以及時遇見施工中可以出現的問題，尤其是一些并不直接干涉，但是影響使用功能或者影響安裝工序的軟碰撞。工程項目管理人員可以將BIM技術與項目管理工作進行融合，優化項目施工資源，合理調配施工人員，提高人員設備的利用效率，擴展工作面。通過合理組織安排，實現工程項目施工方案的最優化，進而提高工程本身的效益。BIM技術能夠大大降低設計階段的錯誤和返工，根據統計，最多可降低90%的設計問題，大大降低二次施工頻率，也可以使工程質量得到保障。

4 BIM技術在冷凍水閥組節點上的應用分析

接下來以實際工程中閥組設計對比來對BIM技術冷凍水閥組節點的應用進行分析。

4.1 二維冷凍水圖紙的缺陷

傳統二維設計中的冷凍水閥組平面圖，在該圖紙上，冷凍水閥組的安裝位置，連接方式等僅為示意，并沒有詳細表示出來。在二維圖紙上，該表示方式已經較為精細，但是仍有大量信息無法得到反映(見圖3)。

圖4為傳統二維設計中的冷凍水閥組系統圖，對于專業工程師來說，該圖紙已經完全夠用，但是對于非相關專業人員和缺少經驗的施工人員來說，該圖紙不夠直觀，尤其是對于閥組與主管道、閥組與設備連接管道的表示往往與實際情況不符。

4.2 冷凍水閥組的BIM模型

圖5為與工藝專業模型整合前的BIM模型，可以看到，由于模型的尺寸、位置、連接關系等均遵照實際大小，多數細節得到體現，同時，傳統設計中沒有考慮到的一些問題，例如閥組閥門的安裝高度，閥組儀表的可視角度，排氣閥的安裝位置等得到了考慮。

圖6為整合了工藝模型之后的BIM模型。由于工藝模型，其他土建公用專業模型已經整合進來，模型已經非常精細，與傳統的二維設計相比，此時的可以通過該模型，避免例如影響通道，難以檢修，無法安裝等問題，為之后的實際現場施工提供便利條件。避免不必要的返工，保證工期，進而控制成本。

5 冷凍水閥組工廠化預制

BIM設計可以準確、真實的反映出閥門管件的實際尺寸和相對關系，這也為閥組的工廠化預制奠定了基礎。

5.1 閥組工廠化預制的優勢

傳統的閥組現場制作安裝過程，管道的測量，切割，焊接等工作要耗費大量時間，同時，閥組往往結構復雜，重量較大，整體搬運也存在困難。工廠化預制的閥組安裝采用已經事先完成焊接的構件，閥組中的管道與法蘭連接，管道與管件連接等工作已經預先完成，現場主要為法蘭螺栓連接的方式和少量焊接工作，這可以大大降低現場施工的時間成本和管理難度。施工同時由于施工現場焊接動火作業將大大減少，施工安全也會隨之改善。

5.2 閥組工廠化預制流程

閥組的工廠化預制施工需要預先建立詳細的閥組模型，包括閥組的管段、管件、閥門等外形尺寸、類型、定位等信息。然后對不同專業的模型進行工程匯總，碰撞檢查，進而提前發現問題，調整優化設計。模型檢查通過后，對閥組模型進行處理分解，設計焊縫等。閥組模型處理完成后，應當導出加工圖紙，材料明細表等，將圖紙和明細表提供給加工廠進行預制加工。最后根據現場的施工進度，合理安排預制好的組件進場安裝。閥組的工廠化預制施工流程如圖7所示。

5.3 BIM設計閥組工廠化預制應用

冷凍水閥組預制安裝中，管道、管件、法蘭之間的焊接工作是非常重要的一環。在模型深化設計完成后，對閥組本體，閥組上下支管等進行分解，在模型相應的位置建立焊縫，得出帶有焊縫的BIM模型。根據焊縫位置進行管段、管件組對，是進行焊接預制加工的重要保障。依據設計好的模型，對各個管段、管件、法蘭等進行編號，方便管段組對的時候選用正確的組件。同時利用BIM技術導出管段明細表，形成管段分段表，通過合理的管段排布，減少焊縫數量和余料浪費。圖8為已經設計完成，能夠進行分解的閥組模型。閥組模型管道分段分解見圖9。

焊縫應根據實際工程需要確定并按照工藝要求預留合理間隙。主要有管道與法蘭連接焊縫，管道與管件連接焊縫，管道與管道連接焊縫等。按照安裝順序不同，需要將焊縫分為預制加工焊縫，現場安裝焊縫兩種。BIM設計的優勢就在于可以盡可能多的讓焊縫作為預制加工焊縫，采用工廠方式加工，既能夠提高速度，也能夠保證質量。同時，為了保證現場安裝，考慮加工安裝誤差，也應該合理設計現場安裝焊縫，可以通過改變連接管段長度，保證在誤差范圍內，閥組可以方便安裝。

合理的利用Revit軟件的過濾器，明細表等功能，對閥組的各種組成部分進行歸類和統計。再利用Revit軟件的導出功能，導出明細表。明細表可以根據需要進行逐項列舉或者統計總數。表1為分段統計的管道，可以用于管道分段和下料，表2為管道總量表，主要用于管道材料的采購，表3為法蘭統計表，用于統計法蘭數量。法蘭與管道之間的焊接工作是預制工作中的重要組成部分。

表1 管道分段統計表

續表

表2 管道總量統計表

表3 法蘭明細表

圖10，圖11及對應的表4，表5分別為閥組的管件和閥門統計，利用軟件自身的統計功能，不但可以使統計工作更準確和高效，而且能夠在圖形中大致反映出管件和閥門的安裝位置，為實際的閥門安裝和閥組構件預制提供參考。

表4 管件明細表

表5 閥門明細表

圖12,圖13分別為閥組框架示意圖和兩視圖，閥組框架結構簡單，且由于BIM設計能夠實現精細化建模，可以準確設計出閥組框架的外形尺寸，更適合實現工廠化預制。

6 BIM技術未來展望

BIM設計現在還是一個不成熟的領域，存在著速度較慢的問題，但是隨著該技術的不斷成熟，標準化越來越多，設計的速度也會越來越快，而且由于精度的提高，實際效果好于傳統二維設計，時間和經濟成本均可以得到優化。