隨著光電、半導體、制藥、醫(yī)療、航空航天及精密制造等各類需求潔凈環(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(xié)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(shù)據(jù)，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(xiàn)出來。設計師通過建立三維模型，并依據(jù)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(jù)模型生成，并隨著模型的改變而調(diào)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(yōu)化效率更高。目前三維設計技術已經(jīng)在工業(yè)設計、動畫設計及機械、飛機、汽車、造船業(yè)、建筑等多個行業(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(shù)字化技術為基礎的建筑信息模型，現(xiàn)已在全球范圍內(nèi)得到建筑業(yè)界的廣泛認可。國內(nèi)，涌現(xiàn)出一大批相關三維數(shù)字技術軟件，并各有專長，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，上海巨無霸上海中心等大型樓宇場館均使用了BIM技術，工業(yè)園區(qū)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(jù)行業(yè)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(tǒng)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(tǒng)、送回風系統(tǒng)、空調(diào)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(yè)主（圖1）。
參數(shù)化設計
三維建模過程即是參數(shù)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(shù)屬性定義，并通過這些屬性自動統(tǒng)計、計算、分析，對三維模型參數(shù)修改、調(diào)整達到細節(jié)設計精確設計的目的和模型驅(qū)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。
在無塵車間項目設計中，工程圖各個視圖與三維模型參數(shù)實時關聯(lián)，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(fā)生(圖2)。無塵車間涉及到暖通空調(diào)、給排水、建筑、電氣、自動控制、機械、結構等多個專業(yè)。工程設計中，尤其是大型潔凈項目中，各專業(yè)技術人員需要各自開展工作，同步進行，而各專業(yè)人員對其他專業(yè)知識了解有限，造成溝通不暢，協(xié)同困難（圖3）。在參數(shù)化三維設計中，各專業(yè)設計僅需基于相同的三維設計平臺就可以實現(xiàn)多專業(yè)、多團隊的協(xié)作，輔以實時協(xié)同與階段性的控制點協(xié)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(zhì)量與設計速度。三維設計是參數(shù)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(shù)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(zhuǎn)換工具，將三維設計模型轉(zhuǎn)化為適合分析平臺或軟件認可的格式，再在轉(zhuǎn)換格式的基礎上進行修改調(diào)整即可對模型進行功能分析與調(diào)試，無需二次建立三維邊界。通過對設計成果參數(shù)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(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，消除使用過程中可能存在的隱患，實現(xiàn)建造成果可控。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(shù)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。隨著無塵車間技術的發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)以往經(jīng)驗及參數(shù)進行設計，花費大量的時間在制圖、清單編制和協(xié)調(diào)上，而與項目質(zhì)量關系密切的方案比選、專業(yè)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(zhì)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(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)同的結果也促進潔凈室構件尺寸更加精密，參數(shù)化的構件設計圖紙更適宜于工程構件工廠化、標準化生產(chǎn)、縮短現(xiàn)場施工時間，工程構件的產(chǎn)品化生產(chǎn)進一步促進裝配式施工模式發(fā)展。虛擬裝配促使現(xiàn)場施工簡易化，提高質(zhì)量與二維設計相比，三維設計中，潔凈室構件通過參數(shù)化三維數(shù)據(jù)展現(xiàn)，工程計算以三維建模相融合自動更新，數(shù)據(jù)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(jù)計算結果調(diào)整設計參數(shù)（圖5，圖6）。設計調(diào)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(zhuǎn)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(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，進而優(yōu)化和調(diào)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(chuàng)造一個虛擬的現(xiàn)實施工環(huán)境，資源模型及過程模型，實現(xiàn)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(tǒng)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，提高施工精度和無塵車間質(zhì)量。在無塵車間中，工程的規(guī)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(shù)學模型，再通過復雜的迭代過程優(yōu)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(yōu)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。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(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模型為例介紹無塵車間三維設計及應用過程。步驟1，虛擬現(xiàn)實：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(zhuǎn)換外部現(xiàn)實環(huán)境載入。步驟2，建立基準面模型：根據(jù)建筑網(wǎng)格及虛擬現(xiàn)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(diào)整、修改。步驟6，模型系統(tǒng)整體調(diào)試、分析。步驟8，總平面圖，各系統(tǒng)詳圖轉(zhuǎn)換，物料清單生成（如圖2）。目前，BIM技術在建筑行業(yè)逐漸被廣人世計、施工人員接受并運用，也是工程技術發(fā)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(chuàng)建潔凈室信息模型，使?jié)崈羰以谠O計建造過程更加高效，在整個運行壽命期內(nèi)更加節(jié)能、綠色、環(huán)保。
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