基于BIM的轨道交通HBAS技术探索与实践

郭 伟

苏州市轨道交通集团有限公司 江苏 苏州 215004

1 研究现状

车站通风空调系统作为轨道交通系统的一个组成部分，通常采用全空气一次回风系统，由空调箱、回排风机、新风机、风管、各类阀门等组成。由于系统内设备和管线体量较大，且受到土建方案及规模限制，使得本系统的管路设计、施工与调试成为一项既重要又繁琐的难点工作。在设计过程中，需对管路进行水力计算，以便确定管道尺寸及动力设备型号和能耗，是流体输配管网设计的基本手段，也是管网设计质量的基本保证。

虽然在设计深化过程中已经进行了相关计算修正，但在施工安装过程中，仍存在未及时对调整的管路进行系统阻力校验、现场管线走向与设计图纸存在差异、零部件多样化导致各环路阻力与理论计算有偏差、管路漏风量较大等不确定性因素。在调试过程中，各线系统调试时间紧任务重，现场调试工作缺乏科学的指导依据，通常是凭借工人经验进行反复迭代，调试周期长、效率低。综合一系列不利因素的叠加与影响，使得在运营过程中，系统运行偏离设计状态点，部分车站风口实际风量与设计值偏差较大，这一直是困扰各方的难题。

HBAS（Hydraulic Balance Analysis and Simulation），风系统风量平衡分析计算与仿真。目前常用的水力计算软件有鸿业、天正、华电源等，这些软件可以自动生成水力计算结果，但存在一些局限性，比如是基于二维图纸，必须在对应平台上建模、无法指导现场调试、输配管网中各环路阀门开度值未知等。

BIM技术能有效的解决二维图纸中风管路由不明确，翻弯数量不确定造成的风量损失无法估算等问题，但是现阶段基于BIM技术的三维正向设计以确定管线空间定位为主，缺乏成熟的结合BIM模型的自动校验、分析计算与仿真功能软件，极大地制约了三维正向设计的生产力。

近年来建筑信息模型（BIM）是继CAD（计算机辅助设计）技术后出现的建筑业又一项重要的计算机应用技术，它在建筑全生命期的应用大大提高了项目的建设效率和信息集成化程度，能够给建筑业带来巨大的效益。

苏州轨道交通从2014年3、5号线建设开始，逐步开启了BIM技术的研究和应用。经过几年的努力，BIM在苏州城市轨道交通中的实践应用，经历了从“原始简单”的管线碰撞检测到尝试“高大全”建筑全生命周期BIM应用的“进化”。苏州市轨道交通集团近年来致力于BIM技术的探索与实践，一方面遵循国际BIM技术发展的客观规律，另一方面确立适应自身特点的各类建设标准，在具备了一定的BIM技术应用经验以及相应的BIM应用标准、BIM设计协同与建设管理平台后，基于6、7、8、S1线，全面深入推进苏州市轨道交通BIM技术应用，使其切实服务于苏州市轨道交通的规划、勘察、设计及工程建设和运维等业务领域，提高建设与运维质量和管理水平，具备开展基于BIM的轨道交通车站HBAS技术探索与实践的基础条件。

2 研究目的与意义

基于BIM的轨道交通车站HBAS的软件开发，充分发挥BIM模型价值，通过计算机开展BIM模型自动校验、分析计算与模拟仿真，为轨道交通通风空调风系统的设计、实施及调试提供依据，打通设计到施工安装、调试的全过程，填补国内该领域的空白[1]。

基于BIM的轨道交通车站HBAS的研究，综合设计水力计算与模型自动校验功能开展地铁车站风系统三维正向设计，大大提高了设计人员的生产效率。

基于BIM的轨道交通车站HBAS软件的应用与实施，将大大促进轨道交通BIM模型数据在项目全生命期各阶段的有效传递，为轨道交通工程规划设计、施工、运维提供可靠的数据参考与支撑，科学的指导施工安装，降低由于设计的不合理性或施工的复杂性、误差性导致的成本浪费和潜在返工误工风险，具有显著的经济效益。通过提高风系统的平衡率，可大大提高系统利用效率，有效降低轨道交通站空调系统能耗。

3 实施方案及研究过程

3.1 需求

随着BIM应用的不断成熟，参与苏州轨道交通建设的设计单位广泛的在探索并开展基于BIM的三维正向设计，通过应用软件的系统实现BIM模型自动校验，判断设计BIM模型系统以及数据的完整性、准确性，缩短人工审核的周期。

在深化应用阶段，通过识别Revit模型中的风系统管道与设备，自动分析识别各构件的承继关系、管道尺寸、材质等，并结合风机性能曲线、风阀阻力曲线、管道部件阻力等，自动计算各支路的阻力，进行校核计算与分析。通过计算结果，判断深化方案的可行性，同时可以指导风机选型优化和风阀开度选型[2]。

在实施阶段，结合风量平衡计算后的BIM模型，导出数据分析表，用于指导风系统的施工安装，科学的指导现场实施，提高施工效率，压缩调试周期，降低整体安装成本。

3.2 关键技术

3.2.1 模型校验（validation）

与风系统设计沟通风系统BIM模型校验需求，对接风系统类型、组成、功能，确定模型系统完整性校验库；对风系统BIM模型构件进行分类，针对性梳理不同构件的数据要求，确定模型构件数据校验库。

将模型系统完整性校验库与模型构建数据校验库以计算机的语言写入程序。软件自动提取设计BIM模型，基于校验库对风系统模型开展分析，针对构件中特定属性进行布尔检查及非零检查，判断模型系统的完整性与数据的准确性。

将模型校验成果形成BIM模型校验分析表，自动列举出存在差异的位置，进行不同颜色标记，并通过点击报表中某项，模型将自动跳转至该处，辅助设计完成模型修改工作。

1) 存在风管未连接到风机上；

2) 存在风机/组合式空调机组未连接系统风管；

3) 存在风系统风道末端缺少封堵；

4) 存在风系统无风口；

5) 存在一个风系统中有多种系统风管；

6) 存在风系统风口风量流向不正确；

7) 存在风口、风机、风管、组合式空调机组无风量属性或风量为零；

8) 存在风口未通过接头正确连接到风管上；

9) 存在管件缺少各接口的尺寸信息；

10) 存在调节风阀属性不完整。

3.2.2 分析计算（analysis）

当用户完成风系统的绘制后，需要对风系统进行设计计算或者校核计算以确认风系统各风管的管径是否符合设计要求。计算完成后，会得到风系统的各管网的管径以及阻力，最不利环路，不平衡率等数据。根据不平衡率和最不利环路的阻力，需要对风管管网进行调节，以避免因为不平衡导致的窝风等情况的出现。根据调节后的最不利环路的阻力对风机进行选型。

关于分析计算的具体步骤如下：

获取系统所有分支：对BIM模型中目标风系统进行分支分析，以系统靠近风机系统管道为起端编号为1。按照风管的前后承继关系依次类推，将获取到的各风系统构件分成若干个分支。

计算分支阻力：通过获取BIM模型中风系统连接各风道末端的风量，得出各个风管管道的供风量。结合风管的规格尺寸获得风管的水力半径及风速。同时风管管件如弯头、三通、四通、静压箱等通过依照《实用供热空调设计手册》（暖通红宝书）进行局阻系数选取。最后将分支中若干风管沿程阻力及管件的局部阻力进行整合得出该分支的阻力值。

风管沿程阻力公式计算：

△Pm——计算管段的沿程水头损失（Pa）

L=计算管段长度（m）

λ——关断的摩擦阻力系数；

de——风道当量直径（m），对于圆形风管de=d，对于矩形风管de=2ab/(a+b)，d为圆形风管直径（m），a、b为矩形风管宽、高（m）；

ρ——流体的密度（kg/m3），空气的密度标注状态时为1.2Kg/m3；

v——流体在管内的流速，根据风量、管径计算确定（m/s）。

局部阻力计算公式（本次计算选型需要用到的公式）：

△Pj——计算管段的沿程水头损失（Pa）；

ξ——局部阻力系数（通过红宝书等指导书籍可查出，调节风阀该系数需要结合风阀的阻力曲线）；

ρ——流体的密度（kg/m3），空气的密度标注状态时为1.2Kg/m3；

v——流体在管内的流速，根据风量、管径计算确定（m/s）。

分支平衡计算与调节：在获得到各分支阻力后，找出阻力最大的分支为最不利分支，其余分支与最不利分支的差值，该差值与最不利分支阻力值的比，成为此分支的不平衡率。通过调节风阀的开度，达到调整风阀阻力值的变换，最终抵消掉这部分差值引起的分支不平衡，进而达到分支平衡的效果。

3.2.3 仿真（simulation）

结合风阀生产厂家提供的风阀阻力系数与风阀开度对应关系或者风阀阻力曲线，拟合出风阀的阻力与开度的关联公式。并将公式嵌入到风阀构件中。在对目标系统进行风阀选型计算时，程序通过假定流速法对风系统运行情况进行模拟，产生的分支不平衡率所得到的差值即为风阀所需要提供的差值。通过风阀需要提供的阻力值结合风阀所处风管的风速，依照局部阻力公式进行计算，即可得出风阀的开度选型结果。

4 技术创新点

1.软件架构基于Revit2018的开发，利用现有成熟BIM基础软件，短平快的快速开发，综合开发基于BIM模型校验、分析计算、模拟仿真功能，及时投入设计生产应用。

2.梳理风系统模型校验规则库与数据库，为后续开展全专业模型校验功能打下基础。

3.基于revit模型开发设计阶段模型计算功能，在计算过程中无数据丢失与失真，结合该软件开展三维正向设计，解放设计生产力。

5 技术指标

设计模型校验指标：结合校验模块，确定评判指标与评判系统，以此为依据确定模型通过率；结合项目实际安装和调试结果进行比对，要求软件计算的风阀开度偏差控制在15%以内。

6 技术路线

7 研究结果

7.1 基于BIM的的轨道交通HBAS软件研发成果

通过针对性功能需求对接，制定符合实施需求技术路线，成功开发出一款基于BIM技术的HBAS专业软件。

该软件系统具备BIM模型校验功能，并具备结合BIM模型开展风系统风量平衡分析计算、模拟仿真功能。实现对风系统模型进行系统完整性、数据准确性校验，通过对风系统模型进行分析计算以及模拟仿真，进而得出风系统中风阀的开度选型结果，基于此计算结果可以指导风系统的施工安装和调试工作。

7.2 基于五号线石城站BIM模型HBAS应用

7.2.1 应用过程说明

结合现有已运行的苏州轨道交通5号线石城站模型进行模拟计算。石城站BIM模型经设计深化后移交机电施工单位，机电施工单位依据工艺需求，结合设计模型开展施工深化应用后出具BIM图纸，现场按BIM图纸施工。

针对石城站机电施工BIM模型，现场复核车站风系统管线走向，完善BIM模型中管线路由、尺寸、翻弯、风阀、风口布置等细节，确保模型与现场的一致性。

利用HBAS软件中的模型自动校验功能，对模型中的构件进行风系统完整性的检查，形成校验报告，通过提示功能，使用户对问题构件进行预览以及定位修改。通过反复迭代校验，确保数据准确。此版BIM模型作为HBAS软件计算的数据基础。

图1 HBAS软件中的模型自动校验数据表

启动HBAS软件中的计算与仿真功能，程序自动获取用户选定的风系统BIM模型，自动拾取风管以及风管附件参数，基于软件程序的内置算法，自动对选定的风系统进行风阀的开度选型计算，生成带有风管编号与风阀标注的锁定视角单系统轴测图以及风阀选型数据表。

7.2.2 计算结果说明

以石城站大系统送风为例，计算结果分析如下。

大系统送风自小轴端环控机房，分别向站厅层与站台层送风，具体路由如图2所示，该送风系统涉及三个调节阀，阀门定位如图3所示。结合轨道交通地铁车站HBAS软件，该风系统计算结果如图4所示。

图2 大系统送风路由图

图3 大系统送风风阀定位图

图4 石城站环控大系统送风HBAS计算结果数据图

8 结论与展望

1.本软件计算结果与实际调试情况偏差在11%左右，可以用来指导安装和调试，基本满足软件开发要求。

2.课题在开发过程中为了保证自动进行风系统提取，使用的风系统完整性检查功能，不仅可以检查风系统连接情况，还能检查相关设备的信息。对于地铁车站模型的整体检查也有很大借鉴意义。

3.风系统模型校验功能经实践应用，能快速检测模型问题，以风系统校验功能为基础，进一步开发全专业模型校验功能。

4.尝试基于BIM的轨道交通HBAS软件与苏州轨道交通集团BIM设计协同管理平台结合，计算与自动校验程序融合设计交付与施工深化管理流程。