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無塵車間,如何應用三維設計與虛擬施工技術


隨著光電、半導體、制藥、醫療、航空航天及精密制造等各類需求潔凈環境的行業的發展,潔凈室結構變得更加復雜,潔凈等級要求也越來越高,風、水、氣、電及其他各種特殊管線、設備組織越來越復雜,需要協同的設計施工等單位越來越多,各種設備管線的碰撞及各施工單位施工過程碰撞越來越多,需要無塵車間技術人員提高對工程組件和施工過程的預知能力。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題提供了可能。


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


可視化的模型使結構直觀模擬成為可能,使碰撞檢查及優化效率更高。目前三維設計技術已經在工業設計、動畫設計及機械、飛機、汽車、造船業、建筑等多個行業中廣泛應用。尤其是建筑業,近幾年發展迅速,BIM即是以三維數字化技術為基礎的建筑信息模型,現已在全球范圍內得到建筑業界的廣泛認可。國內,涌現出一大批相關三維數字技術軟件,并各有專長,在建筑設計施工中應用也已經如火如荼,如深圳灣體育中心,深圳平安大廈,上海巨無霸上海中心等大型樓宇場館均使用了BIM技術,工業園區建筑也在逐步引入BIM,如正在建設的深圳灣科技生態園。


潔凈行業與建筑緊密聯系,在設計施工中也應當根據行業的特點引入三維設計技術,提高無塵車間設計施工水平。



三維設計技術特點及應用價值


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、送回風系統、空調水,蒸汽、純水、純氣、電器管線及潔凈設備、過濾末端、照明直觀展示給工程設計人員、施工人員及業主(圖1)。


參數化設計

  

三維建模過程即是參數化設計,將潔凈室構件、設備,包括管線以及外部建筑通過參數屬性定義,并通過這些屬性自動統計、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人員及項目管理人員。

 


關聯修改

在無塵車間項目設計中,工程圖各個視圖與三維模型參數實時關聯,在設計中或者評審過程中增加、刪除或者修改三維特征時,各個視圖全部自動更新,提高設計與設計變更效率,減少漏畫、少畫等工程圖失誤發生(圖2)。
 

協同設計

無塵車間涉及到暖通空調、給排水、建筑、電氣、自動控制、機械、結構等多個專業。工程設計中,尤其是大型潔凈項目中,各專業技術人員需要各自開展工作,同步進行,而各專業人員對其他專業知識了解有限,造成溝通不暢,協同困難(圖3)。在參數化三維設計中,各專業設計僅需基于相同的三維設計平臺就可以實現多專業、多團隊的協作,輔以實時協同與階段性的控制點協同,三維校審等方法,及時解決各種錯漏及碰撞,提高無塵車間的設計質量與設計速度。
             
          
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行修改調整即可對模型進行功能分析與調試,無需二次建立三維邊界。通過對設計成果參數分析,指導送回風、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化提供依據,消除使用過程中可能存在的隱患,實現建造成果可控。

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


三維設計在無塵車間中的應用優勢

設計階段工作重點提前

隨著無塵車間技術的發展與管理水平的提高,無塵車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,促進潔凈室施工模式向裝配模式轉變。裝配模式致使無塵車間項目的方案設計、施工圖設計、施工過程所占用工期比例改變。以某無塵車間項目為例,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驗及參數進行設計,花費大量的時間在制圖、清單編制和協調上,而與項目質量關系密切的方案比選、專業技術設計等重要部分卻花費的時間比較少。三維設計由于可以自動生成各種工程圖紙和清單,提高了無塵車間項目的設計效率和質量,設計人員有更多的時間用在三維模型及方案的比選,專業設計、優化及協同上,詳細的三維模型設計及優化協同的結果也促進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化、標準化生產、縮短現場施工時間,工程構件的產品化生產進一步促進裝配式施工模式發展。

虛擬裝配促使現場施工簡易化,提高質量

與二維設計相比,三維設計中,潔凈室構件通過參數化三維數據展現,工程計算以三維建模相融合自動更新,數據信息完整,傳遞過程無信息損失,可以進行校核計算及模擬,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物構件一致??蛇M行虛擬裝配施工,使無塵車間從3D設計轉向4D施工。
 
潔凈室虛擬施工即先試,后建。即在開工之前,基于虛擬環境,模擬、分析、檢測設計結果與施工組織設計方案的可行性,進而優化和調整,獲得最佳方案。因此虛擬施工不僅僅是一個設計繪圖過程,而是設計方案、成果比選過程。在潔凈室虛擬施工中,除了虛擬的所有潔凈室原型構件外,還需要通過三維可視化平臺創造一個虛擬的現實施工環境,資源模型及過程模型,實現施工過程有效可視化模擬。通過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,提高施工精度和無塵車間質量。

施工成本優化

在無塵車間中,工程的規模及復雜程度一般沒有大型建筑工程大,所以不會建立工期.成本數學模型,再通過復雜的迭代過程優化成本。在無塵車間中,可通過三維設計與施工技術將工程項目分部、分段,通過三維可視化模型,對施工過程進行模擬,構件材料更加精確(圖1)。模擬過程對施工方案優化以使施工組織更加合理、有序。通過提高人、材、機綜合配備能力和提高施工管理能力來降低損耗和成本。


三維技術在無塵車間中的應用
  
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;機械類的如Pro-e,Solidworks的三維工程軟件等。但結合無塵車間裝配式施工的特點,建筑BIM軟件、機械類的軟件都有欠缺,這也是為什么無塵車間行業在三維設計及應用方面發展緩慢的原因。以下以某項目Solidworks模型為例介紹無塵車間三維設計及應用過程。
   
步驟1,虛擬現實:對外部環境,如建筑等建模,也是設計師對環境的立體認識,也可以由其他BIM軟件轉換外部現實環境載入。
  
步驟2,建立基準面模型:根據建筑網格及虛擬現實模型,潔凈室的主要構件等高線建立基準面,方便后期各類組件裝配、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。
   
步驟11,工程現場裝配施工。
   
步驟12,三維交付。


結語
   
目前,BIM技術在建筑行業逐漸被廣人世計、施工人員接受并運用,也是工程技術發展的方向。但無塵車間中較少應用到,在無塵車間設計和施工中引入并應用三維設計技術及4D/5D技術,創建潔凈室信息模型,使潔凈室在設計建造過程更加高效,在整個運行壽命期內更加節能、綠色、環保。


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