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    無(wú)塵車(chē)間,如何應用三維設計與虛擬施工技術(shù)


    隨著(zhù)光電、半導體、制藥、醫療、航空航天及精密制造等各類(lèi)需求潔凈環(huán)境的行業(yè)的發(fā)展,潔凈室結構變得更加復雜,潔凈等級要求也越來(lái)越高,風(fēng)、水、氣、電及其他各種特殊管線(xiàn)、設備組織越來(lái)越復雜,需要協(xié)同的設計施工等單位越來(lái)越多,各種設備管線(xiàn)的碰撞及各施工單位施工過(guò)程碰撞越來(lái)越多,需要無(wú)塵車(chē)間技術(shù)人員提高對工程組件和施工過(guò)程的預知能力。三維設計及可視化設計為此提供了條件,為解決設計工工中所面臨的問(wèn)題提供了可能。


    三維設計集成工程項目中各種相關(guān)的信息與數據,提供了可視化的思路,將設計圖紙中線(xiàn)條式的構件以三維立體實(shí)物的形式展現出來(lái)。設計師通過(guò)建立三維模型,并依據模型存儲了包括:平面圖、立面圖和剖面圖、表格、文字說(shuō)明及材料清單等所有的相關(guān)信息。這些信息全部根據模型生成,并隨著(zhù)模型的改變而調整。


    可視化的模型使結構直觀(guān)模擬成為可能,使碰撞檢查及優(yōu)化效率更高。目前三維設計技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)設計、動(dòng)畫(huà)設計及機械、飛機、汽車(chē)、造船業(yè)、建筑等多個(gè)行業(yè)中廣泛應用。尤其是建筑業(yè),近幾年發(fā)展迅速,BIM即是以三維數字化技術(shù)為基礎的建筑信息模型,現已在全球范圍內得到建筑業(yè)界的廣泛認可。國內,涌現出一大批相關(guān)三維數字技術(shù)軟件,并各有專(zhuān)長(cháng),在建筑設計施工中應用也已經(jīng)如火如荼,如深圳灣體育中心,深圳平安大廈,上海巨無(wú)霸上海中心等大型樓宇場(chǎng)館均使用了BIM技術(shù),工業(yè)園區建筑也在逐步引入BIM,如正在建設的深圳灣科技生態(tài)園。


    潔凈行業(yè)與建筑緊密聯(lián)系,在設計施工中也應當根據行業(yè)的特點(diǎn)引入三維設計技術(shù),提高無(wú)塵車(chē)間設計施工水平。



    三維設計技術(shù)特點(diǎn)及應用價(jià)值


    可視化設計

     

    基于三維設計軟件的三維潔凈室系統模型,通過(guò)三維效果圖、虛擬漫游、虛擬施工、虛擬剖切等手段將隔離系統、送回風(fēng)系統、空調水,蒸汽、純水、純氣、電器管線(xiàn)及潔凈設備、過(guò)濾末端、照明直觀(guān)展示給工程設計人員、施工人員及業(yè)主(圖1)。


    參數化設計

      

    三維建模過(guò)程即是參數化設計,將潔凈室構件、設備,包括管線(xiàn)以及外部建筑通過(guò)參數屬性定義,并通過(guò)這些屬性自動(dòng)統計、計算、分析,對三維模型參數修改、調整達到細節設計精確設計的目的和模型驅動(dòng)的作用。結合可視化效果圖,工程圖紙將工程信息準確傳達到工程技術(shù)人員及項目管理人員。

     


    關(guān)聯(lián)修改

    在無(wú)塵車(chē)間項目設計中,工程圖各個(gè)視圖與三維模型參數實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián),在設計中或者評審過(guò)程中增加、刪除或者修改三維特征時(shí),各個(gè)視圖全部自動(dòng)更新,提高設計與設計變更效率,減少漏畫(huà)、少畫(huà)等工程圖失誤發(fā)生(圖2)。
     

    協(xié)同設計

    無(wú)塵車(chē)間涉及到暖通空調、給排水、建筑、電氣、自動(dòng)控制、機械、結構等多個(gè)專(zhuān)業(yè)。工程設計中,尤其是大型潔凈項目中,各專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員需要各自開(kāi)展工作,同步進(jìn)行,而各專(zhuān)業(yè)人員對其他專(zhuān)業(yè)知識了解有限,造成溝通不暢,協(xié)同困難(圖3)。在參數化三維設計中,各專(zhuān)業(yè)設計僅需基于相同的三維設計平臺就可以實(shí)現多專(zhuān)業(yè)、多團隊的協(xié)作,輔以實(shí)時(shí)協(xié)同與階段性的控制點(diǎn)協(xié)同,三維校審等方法,及時(shí)解決各種錯漏及碰撞,提高無(wú)塵車(chē)間的設計質(zhì)量與設計速度。
                 
              
    設計成果性能分析
       
    三維設計是參數化設計,模型構建完成后可以利用設計平臺自身的分析功能進(jìn)行基本的參數分析,對于一些特殊的模擬,如:CFD對潔凈室氣流組織模擬、熱傳導與熱流組織模擬??梢岳迷O計平臺的格式轉換工具,將三維設計模型轉化為適合分析平臺或軟件認可的格式,再在轉換格式的基礎上進(jìn)行修改調整即可對模型進(jìn)行功能分析與調試,無(wú)需二次建立三維邊界。通過(guò)對設計成果參數分析,指導送回風(fēng)、照明、設備及出入口等結構布局,為潔凈度、氣流速度、氣流組織等功能參數優(yōu)化提供依據,消除使用過(guò)程中可能存在的隱患,實(shí)現建造成果可控。

    三維設計交付
       
    三維設計帶來(lái)了直觀(guān)的可視化三維模型、準確的二維表達的工程圖紙和詳盡的自動(dòng)生成的包含功能參數及性能特點(diǎn)的物料清單,使設計成果交付更加直觀(guān)、詳盡,成為無(wú)塵車(chē)間設計交付或者設計交底的新模式。


    三維設計在無(wú)塵車(chē)間中的應用優(yōu)勢

    設計階段工作重點(diǎn)提前

    隨著(zhù)無(wú)塵車(chē)間技術(shù)的發(fā)展與管理水平的提高,無(wú)塵車(chē)間項目管理與其他項目管理一樣將由粗放型向集約型轉變,要求設計文件更加詳細、準確,要求工程設備及配件更加精密,促進(jìn)潔凈室施工模式向裝配模式轉變。裝配模式致使無(wú)塵車(chē)間項目的方案設計、施工圖設計、施工過(guò)程所占用工期比例改變。以某無(wú)塵車(chē)間項目為例,二維設計方式和三維設計方式各階段占用的工期如圖4。
                

    從圖4可看出,二維設計中,設計人員根據以往經(jīng)驗及參數進(jìn)行設計,花費大量的時(shí)間在制圖、清單編制和協(xié)調上,而與項目質(zhì)量關(guān)系密切的方案比選、專(zhuān)業(yè)技術(shù)設計等重要部分卻花費的時(shí)間比較少。三維設計由于可以自動(dòng)生成各種工程圖紙和清單,提高了無(wú)塵車(chē)間項目的設計效率和質(zhì)量,設計人員有更多的時(shí)間用在三維模型及方案的比選,專(zhuān)業(yè)設計、優(yōu)化及協(xié)同上,詳細的三維模型設計及優(yōu)化協(xié)同的結果也促進(jìn)潔凈室構件尺寸更加精密,參數化的構件設計圖紙更適宜于工程構件工廠(chǎng)化、標準化生產(chǎn)、縮短現場(chǎng)施工時(shí)間,工程構件的產(chǎn)品化生產(chǎn)進(jìn)一步促進(jìn)裝配式施工模式發(fā)展。

    虛擬裝配促使現場(chǎng)施工簡(jiǎn)易化,提高質(zhì)量

    與二維設計相比,三維設計中,潔凈室構件通過(guò)參數化三維數據展現,工程計算以三維建模相融合自動(dòng)更新,數據信息完整,傳遞過(guò)程無(wú)信息損失,可以進(jìn)行校核計算及模擬,并且可以根據計算結果調整設計參數(圖5,圖6)。設計調整后的三維設計成果與實(shí)物構件一致??蛇M(jìn)行虛擬裝配施工,使無(wú)塵車(chē)間從3D設計轉向4D施工。
     
    潔凈室虛擬施工即先試,后建。即在開(kāi)工之前,基于虛擬環(huán)境,模擬、分析、檢測設計結果與施工組織設計方案的可行性,進(jìn)而優(yōu)化和調整,獲得最佳方案。因此虛擬施工不僅僅是一個(gè)設計繪圖過(guò)程,而是設計方案、成果比選過(guò)程。在潔凈室虛擬施工中,除了虛擬的所有潔凈室原型構件外,還需要通過(guò)三維可視化平臺創(chuàng )造一個(gè)虛擬的現實(shí)施工環(huán)境,資源模型及過(guò)程模型,實(shí)現施工過(guò)程有效可視化模擬。通過(guò)原型構件的模擬施工,減少各系統間結構碰撞與工期碰撞優(yōu)化設計方案與施工方案,提高設計準確度與設計精確度,提高施工精度和無(wú)塵車(chē)間質(zhì)量。

    施工成本優(yōu)化

    在無(wú)塵車(chē)間中,工程的規模及復雜程度一般沒(méi)有大型建筑工程大,所以不會(huì )建立工期.成本數學(xué)模型,再通過(guò)復雜的迭代過(guò)程優(yōu)化成本。在無(wú)塵車(chē)間中,可通過(guò)三維設計與施工技術(shù)將工程項目分部、分段,通過(guò)三維可視化模型,對施工過(guò)程進(jìn)行模擬,構件材料更加精確(圖1)。模擬過(guò)程對施工方案優(yōu)化以使施工組織更加合理、有序。通過(guò)提高人、材、機綜合配備能力和提高施工管理能力來(lái)降低損耗和成本。


    三維技術(shù)在無(wú)塵車(chē)間中的應用
      
    目前三維設計平臺及軟件較多,包括各種建筑BIM軟件,如Autodesk的Revit等;機械類(lèi)的如Pro-e,Solidworks的三維工程軟件等。但結合無(wú)塵車(chē)間裝配式施工的特點(diǎn),建筑BIM軟件、機械類(lèi)的軟件都有欠缺,這也是為什么無(wú)塵車(chē)間行業(yè)在三維設計及應用方面發(fā)展緩慢的原因。以下以某項目Solidworks模型為例介紹無(wú)塵車(chē)間三維設計及應用過(guò)程。
       
    步驟1,虛擬現實(shí):對外部環(huán)境,如建筑等建模,也是設計師對環(huán)境的立體認識,也可以由其他BIM軟件轉換外部現實(shí)環(huán)境載入。
      
    步驟2,建立基準面模型:根據建筑網(wǎng)格及虛擬現實(shí)模型,潔凈室的主要構件等高線(xiàn)建立基準面,方便后期各類(lèi)組件裝配、定位,以及在方案設計,施工圖毆計,施工等階段組件替換,模型調整、修改。
     
    步驟3,潔凈室平面規劃。
     
    步驟4,三維模型創(chuàng )建(圖7)。

    步驟5,虛擬碰撞檢查(圖8)。

    步驟6,模型系統整體調試、分析。

    步驟7,虛擬施工及調整(圖9)。
     

      
    步驟8,總平面圖,各系統詳圖轉換,物料清單生成(如圖2)。
       
    步驟9,組件詳圖轉換。
       
    步驟10,組件生產(chǎn)。
       
    步驟11,工程現場(chǎng)裝配施工。
       
    步驟12,三維交付。


    結語(yǔ)
       
    目前,BIM技術(shù)在建筑行業(yè)逐漸被廣人世計、施工人員接受并運用,也是工程技術(shù)發(fā)展的方向。但無(wú)塵車(chē)間中較少應用到,在無(wú)塵車(chē)間設計和施工中引入并應用三維設計技術(shù)及4D/5D技術(shù),創(chuàng )建潔凈室信息模型,使潔凈室在設計建造過(guò)程更加高效,在整個(gè)運行壽命期內更加節能、綠色、環(huán)保。


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