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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淨環境的行業的發展,潔淨室結構變得更加複雜,潔淨等級要求也越來越高,風、水、氣、電及其他各種特殊管線、設備組織越來越複雜,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爲此提供了條件,爲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,並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,並隨著模型的改變而調整。


可視化的模型使結構直觀模擬成爲可能,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、建築等多個行業中廣泛應用。尤其是建築業,近幾年發展迅速,BIM即是以三維數字化技術爲基礎的建築信息模型,現已在全球範圍內得到建築業界的廣泛認可。國內,湧現出一大批相關三維數字技術軟件,並各有專長,在建築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,工業園區建築也在逐步引入BIM,如正在建設的深圳灣科技生態園。


洁净行业与建筑紧密联系,在设计施工中也应当根据行业的特点引入三维设计技术,提高無塵車間设计施工水平。



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淨室系統模型,通過三維效果圖、虛擬漫遊、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、電器管線及潔淨設備、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

  

三维建模过程即是參數化設計,将洁净室构件、设备,包括管线以及外部建筑通过参数属性定义,并通过这些属性自动统计、计算、分析,对三维模型参数修改、调整达到细节设计精确设计的目的和模型驱动的作用。结合可视化效果图,工程图纸将工程信息准确传达到工程技术人员及项目管理人员。

 


關聯修改

在無塵車間项目设计中,工程图各个视图与三维模型参数实时关联,在设计中或者评审过程中增加、删除或者修改三维特征时,各个视图全部自动更新,提高设计与设计变更效率,减少漏画、少画等工程图失误发生(图2)。
 

協同設計

無塵車間涉及到暖通空调、给排水、建筑、电气、自动控制、机械、结构等多个专业。工程设计中,尤其是大型洁净项目中,各专业技术人员需要各自开展工作,同步进行,而各专业人员对其他专业知识了解有限,造成沟通不畅,协同困难(图3)。在参数化三维设计中,各专业设计仅需基于相同的三维设计平台就可以实现多专业、多团队的协作,辅以实时协同与阶段性的控制点协同,三维校审等方法,及时解决各种错漏及碰撞,提高無塵車間的设计质量与设计速度。
             
          
設計成果性能分析
   
三维设计是參數化設計,模型构建完成后可以利用设计平台自身的分析功能进行基本的参数分析,对于一些特殊的模拟,如:CFD对洁净室气流组织模拟、热传导与热流组织模拟。可以利用设计平台的格式转换工具,将三维设计模型转化为适合分析平台或软件认可的格式,再在转换格式的基础上进行修改调整即可对模型进行功能分析与调试,无需二次建立三维边界。通过对设计成果参数分析,指导送回风、照明、设备及出入口等结构布局,为洁净度、气流速度、气流组织等功能参数优化提供依据,消除使用过程中可能存在的隐患,实现建造成果可控。

三維設計交付
   
三维设计带来了直观的可视化三维模型、准确的二维表达的工程图纸和详尽的自动生成的包含功能参数及性能特点的物料清单,使设计成果交付更加直观、详尽,成为無塵車間设计交付或者设计交底的新模式。


三维设计在無塵車間中的应用优势

設計階段工作重點提前

随着無塵車間技术的发展与管理水平的提高,無塵車間项目管理与其他项目管理一样将由粗放型向集约型转变,要求设计文件更加详细、准确,要求工程设备及配件更加精密,促进洁净室施工模式向装配模式转变。装配模式致使無塵車間项目的方案设计、施工图设计、施工过程所占用工期比例改变。以某無塵車間项目为例,二维设计方式和三维设计方式各阶段占用的工期如图4。
            

从图4可看出,二维设计中,设计人员根据以往经验及参数进行设计,花费大量的时间在制图、清单编制和协调上,而与项目质量关系密切的方案比选、专业技术设计等重要部分却花费的时间比较少。三维设计由于可以自动生成各种工程图纸和清单,提高了無塵車間项目的设计效率和质量,设计人员有更多的时间用在三维模型及方案的比选,专业设计、优化及协同上,详细的三维模型设计及优化协同的结果也促进洁净室构件尺寸更加精密,参数化的构件设计图纸更适宜于工程构件工厂化、标准化生产、缩短现场施工时间,工程构件的产品化生产进一步促进装配式施工模式发展。

虛擬裝配促使現場施工簡易化,提高質量

与二维设计相比,三维设计中,洁净室构件通过参数化三维数据展现,工程计算以三维建模相融合自动更新,数据信息完整,传递过程无信息损失,可以进行校核计算及模拟,并且可以根据计算结果调整设计参数(图5,图6)。设计调整后的三维设计成果与实物构件一致。可进行虚拟装配施工,使無塵車間从3D设计转向4D施工。
 
洁净室虚拟施工即先试,后建。即在开工之前,基于虚拟环境,模拟、分析、检测设计结果与施工组织设计方案的可行性,进而优化和调整,获得最佳方案。因此虚拟施工不仅仅是一个设计绘图过程,而是设计方案、成果比选过程。在洁净室虚拟施工中,除了虚拟的所有洁净室原型构件外,还需要通过三维可视化平台创造一个虚拟的现实施工环境,资源模型及过程模型,实现施工过程有效可视化模拟。通过原型构件的模拟施工,减少各系统间结构碰撞与工期碰撞优化设计方案与施工方案,提高设计准确度与设计精确度,提高施工精度和無塵車間质量。

施工成本優化

在無塵車間中,工程的规模及复杂程度一般没有大型建筑工程大,所以不会建立工期.成本数学模型,再通过复杂的迭代过程优化成本。在無塵車間中,可通过三维设计与施工技术将工程项目分部、分段,通过三维可视化模型,对施工过程进行模拟,构件材料更加精确(图1)。模拟过程对施工方案优化以使施工组织更加合理、有序。通过提高人、材、机综合配备能力和提高施工管理能力来降低损耗和成本。


三维技术在無塵車間中的应用
  
目前三维设计平台及软件较多,包括各种建筑BIM软件,如Autodesk的Revit等;机械类的如Pro-e,Solidworks的三维工程软件等。但结合無塵車間装配式施工的特点,建筑BIM软件、机械类的软件都有欠缺,这也是为什么無塵車間行业在三维设计及应用方面发展缓慢的原因。以下以某项目Solidworks模型为例介绍無塵車間三维设计及应用过程。
   
步驟1,虛擬現實:對外部環境,如建築等建模,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,建立基准面模型:根據建築網格及虛擬現實模型,潔淨室的主要構件等高線建立基准面,方便後期各類組件裝配、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,潔淨室平面規劃。
 
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,組件生産。
   
步驟11,工程現場裝配施工。
   
步驟12,三維交付。


結語
   
目前,BIM技术在建筑行业逐渐被广人世计、施工人员接受并运用,也是工程技术发展的方向。但無塵車間中较少应用到,在無塵車間设计和施工中引入并应用三维设计技术及4D/5D技术,创建洁净室信息模型,使洁净室在设计建造过程更加高效,在整个运行寿命期内更加节能、绿色、环保。


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