某科技园项目 (见图1) 位于深圳市南山区科技园, 建筑功能包括办公、酒店及商业。总建筑面积40.5万m², 地上结构包括2栋超高层塔楼及9层裙房。其中A塔1~44层为办公区, 45~58层为五星级酒店, 建筑高度249.20m。B塔为纯办公建筑, 共54层, 建筑高度为235.10m。为满足大面积、超高度及多业态的需求, 本项目制冷机房采用分区域、分系统、大体量空调系统, 包括办公区域动态冰蓄冷制冷机房以及裙房酒店配套区域制冷机房。

制冷机房位于地下3层, 总面积1 280m², 其中制冷主机、水泵等设备安装占875m², 冰槽占405m²。制冷机房层高6.25m, 主梁800mm, 回填300mm, 有效安装净高5.15m。制冷机房内设有9台制冷主机、33台水泵、6台板式换热器及78组蓄冰槽、356个阀门等配件, 主管道1 500m长, 如表1所示。制冷机房内为800mm的冷却水主管, 700mm的冷冻水主管, 同时制冷机房内还包括大量给排水系统、电气系统、空调系统及消防系统管线及设备, 包括4台风机、150mm的消防喷淋主管、800mm×150mm的高压主桥架、1 000mm×150mm的低压主桥架。

整个制冷机房内机电管线错综复杂、密集交错, 安装场地狭小, 施工空间有限, 各机电专业交叉作业多、工期紧, 同时本项目质量目标为创国家级优质工程, 对机电安装工程质量要求极高。综合考虑后, 项目部决定将BIM技术应用于装配式制冷机房施工, 整合建筑、结构、机电等专业, 进行深化设计及施工, 以减少拆除返工、方案修改、材料浪费、工期延误、成本增加等问题。

在装配式制冷机房中, 预制构件主要包括单管段预制构件、管段和阀门预制构件、管道附件预制构件以及设备管道集成整体模块预制构件, 其构件之间的连接方式主要以法兰连接及部分卡箍连接为主, 现场焊接量低。构件的固定方式以及型材规格由预制构件的质量精确计算得出, 并根据现场实际施工环境确定固定方式, 如门型型钢支吊架、落地工字钢门形整体支吊架。

在装配式制冷机房中采用BIM技术, 需充分考虑施工安装、节能环保、运营维护等因素, 设计出人性化、智能化、绿色节能的高精度模型, 再输出工业级装配图纸, 在预制加工厂进行模块化预制, 待具备施工条件后, 将预制好的模块化构件运输至现场进行装配, 通过可靠的连接方式, 安全高效地完成机房的拼装。

项目根据装配式制冷机房模拟建造的实际需要, 引入多种BIM软件进行高精度建模, 并联合各软件的优势功能, 以提高模拟建造的信息化程度、精度及效率。

项目采用Autodesk Revit结合施工图纸进行全专业 (建筑、结构、机电) 三维建模并深化, 采用Autodesk Navis Works进行施工方案演示模拟、进度模拟, 采用Solid Works精细化建模并生成预制加工图纸及构件清单明细、Autodesk CAD进行辅助设计。

为保证模型的精确性及实时性, 通过现场测绘技术进行现场信息采集, 采集梁、板、柱、墙体等现场实际定位数据。将现场实际数据与BIM数据进行精确对比, 根据差值对建筑及结构BIM模型进行相应的修改调整。实现模型与现场的高度一致, 为机电BIM的精确定位、深化设计打下基础。

1) 基准点确定在制冷机房内现场选定 (1) 结构柱的1个棱边作为水平定位坐标xy的基准点 (0, 0) , 现场选定墙体上的建筑1m线作为竖向定位坐标z的基准点 (0) 。

2) 关键点测绘复核现场选定测量关键点并依次标记为BXL-1, BXL-2……, 对所有关键点进行测绘, 如图2所示。将得到的现场实际数据与BIM设计数据进行误差比对分析, 对于超出误差范围的, 全部在建筑及结构模型中予以修正, 确保模型与现场高度一致。

1) 根据设计院图纸以及现场测绘复核的数据, 建立并修正制冷机房结构及建筑模型。

2) 根据设计院图纸及厂家设备图纸创建机电各系统模型。根据厂家提供的设备二维图纸创建各设备、阀门、管线配件等族库, 并将其加入机电各系统模型, 如图3所示。机电各系统之间、系统内部各子系统之间采用统一标准色彩表内的不同颜色加以区分。在软件中设置各机电管线的属性, 如管道材质、管道壁厚、保温厚度、弯头大小、连接方式等, 保证各属性与实际现场一致, 如图4所示, 充分考虑模型及后期施工中存在的潜在影响因素。

3) 将结构模型、建筑模型、机电模型整合成全专业BIM模型, 如图5所示。

全专业模型深化包括机电各专业管线之间的碰撞深化, 以及机电管线与建筑结构的冲突深化。

在机电各专业管线深化过程中充分考虑各方需求, 包括考虑阀门开启方向、阀门及管线配件的安装位置、各管线的固定方式、集成设备钢平台底座的设计空间是否充裕、设备配电的主桥架以及支吊架形式、机房内灯具的布置等。设计深化的主要方式包括管线合理分层分区排布、管线合理翻弯、修改管线路等。

在机电管线与建筑结构的冲突深化中, 充分考虑后期设备使用、维修保护、参观等因素, 其深化问题主要包括机房墙体成排管线孔洞预留、设备基础深化、机房内排水沟深化, 踏步及门窗位置合理布局、设备检修空间预留、机房内参观通道预留等。

深化后的模型及图纸, 由甲方、设计单位、预制加工厂方、专业分包方共同进行图纸会审并确认最终模型。

制冷机房在模型实际深化过程中, 发现并解决了多处碰撞及冲突问题, 避免了后期施工问题的发生, 项目制冷机房设计图纸如图6所示。主要深化问题包括。

1) 制冷机房内冷却水泵、冷冻水泵、乙二醇水泵原设计为卧式泵, 但制冷机房空间有限, 设备安装后参观通道过于狭窄。深化方案经过设计沟通后, 将卧式泵全部改为立式泵, 增大参观通道, 同时立式泵体积更小, 便于水泵模块的集成。

2) 原设计分水器和集水器位于机房东西两侧南北向放置, 安装空间不足, 不方便后期管路施工。深化方案将分水器和集水器均移位至结构柱北侧东西向放置, 增大安装空间, 方便管路安装连接, 同时将分水器和集水器移出酒店区域, 使制冷机房内的酒店区域与办公区域之间的分隔更加清晰明确, 为后期业主对酒店区域及办公区域制冷机房实行分隔管理提供基础及可行性。

3) 原设计冷冻水、冷却水、乙二醇空调管路均为同程式系统, 但制冷机房空间狭小, 排布空间不足。深化方案将空调管路全部改为异程式系统, 并加设静态平衡阀, 在保证系统平衡的前提下, 解决空调管路排布空间问题。

4) 原设计中2台冷冻水泵与结构柱之间空间过小, 导致无检修空间。深化方案为冷冻水泵按45°方向放置, 避开柱, 预留充足检修空间。

5) 板式换热器区域管线密集, 管道旁通多、无法施工且无参观通道。深化方案为压缩板式换热器间距、调整板式换热器。

6) 原设计管道弯头处的部分支撑落在水沟位置。深化方案为重新规划设备基础及水沟的位置。

7) 原设计防火门FMa1822, 由于靠近水泵模块无法通行。深化方案将防火门FMa1822移位至墙体北侧, 避开水泵模块。

8) 制冷机房上方机电管线密集, 导致机房内部分吊装灯具无固定位置。深化方案为重新排布灯具位置, 使得灯具标高一致, 成排成线。

支吊架是装配式制冷机房大管道的最主要固定方式, BIM团队在深化过程中考虑了支吊架的形式、规格以及布置位置。在经过专业的受力计算分析后, 保证支吊架不仅能够满足管道的承重要求, 而且最大化地利用制冷机房内的有效空间, 使整个机房管线排布科学、整齐、美观。制冷机房空调大管道整体支吊架模型如图7所示。

关键深化问题包括以下几点。

1) 由于制冷机房内管线密集, 在深化设计过程中将支吊架与机电管线视为整体, 充分考虑并解决支吊架与机电管线之间存在的潜在冲突问题, 同时确保吊杆或者落地支撑有合适的固定空间。

2) 根据管道实际运行中的受力分析确定支吊架的材料及规格, 深化确认的初始方案发送至设计方并进行结构复核, 根据设计方所提要求再次修改并确认支吊架方案。

3) 参照梁柱的配筋图纸, 确定支吊架在梁柱上的固定位置, 确保膨胀螺栓避开梁、柱钢筋, 避免其对结构产生损伤。

从安装效率和便利性考虑, 构件装配率越高越好, 最大限度地集成各类设备及管道, 使各部分的排布更加合理, 有利于设备后期的运输、拼装和检修维护。本项目模型构件模块化拆分过程中, 为使构件模块达到机械零件加工标准, 提高加工、装配效率及精度, 引入Solid Works机械三维制图软件, 对构件进行精确设计优化并附加各构件信息, 将精度提高到mm级。

1) 根据拼装顺序, 在模型中对所有管道及构件进行编号, 并将编号结果与构件信息编辑成表格形式。

2) 在与主管相连的管道三通处设置一段调整管段, 调整管段与法兰盘的焊接形式为点焊, 以保证现场机电专业间以及建筑结构误差有调整的余地。本项目制冷机房乙二醇泵Solid Works模型如图8所示, 乙二醇泵组Solidworks模型如图9所示。

3) 将拆分好的构件依次导出构件的三视图并附加构件信息表, 完成构件三维信息向二维信息的转换。

在模型构件模块化拆分过程中, 由于装配式制冷机房构件与构件间大部分通过法兰连接, 因此拆分过程中尽量利用阀门的法兰作为构件的首末端, 减少法兰的数量, 最大程度地保留管段的整体性, 减少构件连接处的漏水隐患。同时, 在拆分过程中必须考虑施工现场塔式起重机能力限制、现场预留吊装口尺寸、运输限高限宽限重约束、道路路况限制等因素。

1) 质量限制考虑工厂起重机起重能力, 工厂桁式起重机一般为12~15t;施工现场塔式起重机起重能力一般<10t;车辆限重一般为20~30t;运输路线中受道路、桥梁等限重要求。

2) 尺寸限制运输超宽限制为2.2~2.45m;运输超高限制为4m, 车体高度为1.2m, 构件高度需要在2.8m以内;运输长度依据车辆不同, 最长≤15m;运输路线道路转弯半径、隧道或电线通信线路的限高要求。

3) 形状限制充分考虑构件在运输过程中的固定方式, 防止不规则构件运输过程中产生形变, 引起后期装配误差。

1) 预制加工厂的选择预制工厂首先应距离工程地点近、交通便利;其生产能力必须满足项目的整体安装进度;其产能需要与本工程相匹配, 无论是机械设备的投入还是劳动力熟练度都要满足项目的需求。本项目预制加工厂位于深圳市坪山区, 为大型预制工厂, 工厂内设备齐全, 包括除锈机、管道组对机、管道坡口机及自动焊接机等专业机械加工设备。

2) 材料管理为避免二次转运, 材料进场时, 直接运输至预制加工厂材料堆放区。项目部严格按照国家现行有关标准和设计文件的规定, 对材质、规格、型号、数量、标识、外观质量和几何尺寸进行验收;项目部验收合格后, 预制单位对材料进行二次验收, 在验收的过程中与项目部共同按照预制单位材料管理办法完成材料的标识工作;加工余料与废料同预制成品一起移交项目部并填写移交记录;预制厂房材料堆放区必须配备灭火器材, 材料应该分类整齐摆放并做好防潮措施。

3) 自动焊接机房构件的加工除了部分小管径接口处, 基本上都采用自动焊接设备完成。为了加快整个项目的施工进度, 为项目的顺利完工提供有力帮助, 特制定焊接流程。

在管道预制生产线作业过程中, 管道所有的断料及坡口都应由机械切断坡口一体机、火焰等离子切段坡口一体机完成。坡口的形式及尺寸应符合设计规范要求。焊完焊缝后, 焊工应清除飞溅物, 打磨干净进行自检, 经外观检查合格后, 进行无损检测, 检测标准符合设计文件。

4) 工厂预拼装为保证各构件在施工现场能够顺利拼装, 本项目引入预拼装技术。虚拟预拼装技术是在软件中进行构件的虚拟拼装, 其主要目的是验证现场施工工艺及拼装工序。另一种是在加工厂内实体预拼装, 其目的是对各构件的加工误差进行二次复核, 如模型误差值、铅锤度误差值等。

预制加工厂根据项目BIM团队提供的加工图纸加工好相关构件, 前期模型拆分过程已经考虑了构件尺寸、形状、质量等信息。基于预制构件信息模型中的构件尺寸和重要信息, 项目部在计算机中模拟预制构件虚拟运输, 提出了最优的运输方案, 最大程度地满足预制构件运输能力。项目部选定相应荷载能力的运输车辆, 根据深圳市交通情况制订了最优的运输路线以及运输时间, 根据项目已有机械情况, 制定了构件现场卸车的方案。

构件运输到现场后, 安装人员根据上述各模块构件图纸、支吊架安装图、装配图、施工图等, 并结合上述构件的二维码, 进行构件确认、排列及拼装。拼装过程 (见图10) 中, 为保证安装精度, 项目通过上述调整管段校正构件间的安装误差。完成拼装后再次进行复核, 并进行标识等后续工作。

预制加工构件采用自动焊接流水线作业, 提高了焊缝的质量, 对于部分防锈防腐要求较高的构件, 进行整体镀锌处理。自动化加工生产减少了人工操作的不确定性因素, 大幅提升了构件及机房整体质量。

制冷机房在设备招投标确认后, 便进行制冷机房的设计, 待土建移交工作面后, 制冷机房的部分构件已经成形, 制冷机房施工正式启动, 制冷机房施工工期比计划工期提前105d。通过将BIM技术与装配式技术相结合, 制冷机房在设计、生产、施工等环节中的成本均有所降低, 综合节约成本21.56万元。