无尘车间,如何应用三维设计与虚拟施工技术?

2022-09-02 07:35:00

随着光电、半导体、制药、医疗、航空航天、精密制造等需要清洁环境的行业的发展,洁净室结构变得更加复杂,对清洁等级的要求也越来越高。风、水、气、电等道、设备组织越来越复杂,越来越多的单位需要协调设计和施工,各种设备管道和施工单位施工过程碰撞越来越多,无尘车间技术人员需要提高工程部件和施工过程的预测能力。三维设计和可视化设计为解决设计工人面临的问题提供了条件。

三维设计集成工程项目中的各种相关信息和数据提供了可视化的思路,以三维实物的形式展示设计图纸中的线条构件。通过建立三维模型,设计师根据模型存储所有相关信息,包括平面图、立面图和剖面图、表格、文字说明和材料清单。所有这些信息都是根据模型生成的,并随着模型的变化而调整。

可视化模型使结构直观模拟成为可能,提高碰撞检查和优化效率。目前,三维设计技术已广泛应用于工业设计、动画设计和机械、飞机、汽车、造船、建筑等行业。特别是建筑业,近年来发展迅速,BIM也就是说,基于三维数字技术的建筑信息模型已经得到了全球建筑业的广泛认可。在中国,出现了大量相关的三维数字技术软件,各有专业知识,在建筑设计和施工中的应用也如火如荼,如深圳湾体育中心、深圳平安大厦、上海巨无霸上海中心等大型建筑场馆BIM技术、工业园区建筑也在逐步引进BIM,如正在建设的深圳湾科技生态园。

洁净行业与建筑密切相关。在设计施工中,还应根据行业特点引入三维设计技术,提高无尘车间的设计施工水平。

三维设计技术特点及应用价值

可视化设计

基于三维设计软件的三维洁净室系统模型,通过三维渲染、虚拟漫游、虚拟施工、虚拟切割等方式将隔离系统、送回风系统、空调水、蒸汽、纯水、纯气、电气管道和清洁设备、过滤端、照明直观地展示给工程设计人员、施工人员和业主(图1)。

参数化设计

三维建模过程是参数设计,通过参数属性定义洁净室组件、设备,包括管道和外部建筑,并通过这些属性自动统计、计算、分析、修改三维模型参数、调整,达到设计和模型驱动的目的。结合可视化渲染,工程图纸将工程信息准确地传达给工程技术人员和项目管理人员。

关联修改

在无尘车间项目设计中,工程图各视图与三维模型参数实时相关,在设计或评审过程中增加,删除或修改三维特征,自动更新各视图,提高设计变更效率,减少漏画、少画等工程图错误(图2)。

协同设计

无尘车间涉及暖通空调、给排水、建筑、电气、自动控制、机械、结构等专业。在工程设计中,特别是在大型清洁项目中,专业技术人员需要同时工作,专业人员对其他专业知识的理解有限,导致沟通不良和协作困难(图3)。在参数三维设计中,各专业设计只能基于同一三维设计平台实现多专业、多团队合作,辅以实时协作和分阶段控制点协作、三维校准等方法,及时解决各种错误和碰撞,提高无尘车间的设计质量和速度。

设计结果性能分析

三维设计是参数设计。模型构建完成后,可以利用设计平台本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模拟洁净室气流组织、热传导和热流组织。可以利用设计平台的格式转换工具,将三维设计模型转换为适合分析平台或软件识别的格式,然后在转换格式的基础上进行修改和调整,无需二次建立三维边界,即可对模型进行功能分析和调试。通过对设计结果参数的分析,指导回风、照明、设备、出入口的结构布局,为优化洁净度、气流速度、气流组织等功能参数提供依据,消除使用过程中可能存在的隐患,实现施工结果的可控性。

三维设计交付

三维设计带来了直观的可视化三维模型、准确的二维表达工程图纸和详细的自动生成材料清单,包括功能参数和性能特征,使设计结果交付更加直观、详细,成为无尘车间设计交付或设计交底的新模式。

无尘车间三维设计的应用优势

设计阶段工作重点提前工作

随着无尘车间技术的发展和管理水平的提高,无尘车间项目管理将由粗放型向集约型转变,要求设计文件更加详细、准确,工程设备及配件更加,促进洁净室施工模式向装配模式的转变。装配模式导致无尘车间项目方案设计、施工图设计和施工过程中工期比例的变化。以无尘车间项目为例,二维设计方法和三维设计方法各阶段的工期如图4所示。

从图4可以看出,在二维设计中,设计师根据以往的经验和参数进行设计,花费了大量的时间在绘图、清单编制和协调上,而与项目质量密切相关的方案选择、专业技术设计等重要部分花费的时间相对较少。由于三维设计可以自动生成各种工程图纸和清单,提高了无尘车间项目的设计效率和质量。设计师有更多的时间用于三维模型和方案的选择、专业设计、优化和协作。详细的三维模型设计和优化协作的结果也促进了洁净室构件尺寸的精度,参数化的构件设计图纸更适合工程构件的工厂化、标准化生产,缩短了现场施工时间。

虚拟装配使现场施工简化,提高质量

与二维设计相比,在三维设计中,洁净室部件通过参数三维数据显示,工程计算通过三维建模自动更新,数据信息完整,传输过程无信息损失,可进行验证计算和模拟,设计参数(图5、图6)可根据计算结果进行调整。设计调整后的三维设计结果与物理部件一致。可进行虚拟装配施工,使无尘车间从3开始D设计转向4D施工。

洁净室的虚拟施工是在施工前进行的。也就是说,在施工前,基于虚拟环境、模拟、分析、测试设计结果和施工组织设计方案的可行性,然后优化和调整,获得方案。因此,虚拟施工不仅是一个设计绘图过程,而且是一个设计方案和结果比较过程。在洁净室虚拟施工中,除了所有虚拟洁净室原型构件外,还需要通过三维可视化平台创造虚拟现实施工环境、资源模型和工艺模型,实现施工过程的有效可视化模拟。通过原型构件的模拟施工,减少各系统之间结构碰撞和施工周期碰撞的优化设计方案和施工方案,提高设计精度和设计精度,提高施工精度和无尘车间质量。

优化施工成本

在无尘车间,工程的规模和复杂性一般不如大型建筑工程大,因此不会建立工期。成本数学模型,然后通过复杂的迭代过程优化成本。在无尘车间,工程项目可以通过三维设计和施工技术进行分段分段,通过三维可视化模型模拟施工过程,使构件材料更加准确(图1)。模拟过程优化施工方案,使施工组织更加合理有序。通过提高人、材、机的综合配置能力和施工管理能力,降低损耗和成本。

三维技术在无尘车间的应用

目前有很多三维设计平台和软件,包括各种建筑BIM软件,如Autodesk的Revit等等;机械类Pro-e,Solidworks三维工程软件等。但结合无尘车间装配式施工的特点、建筑的特点,BIM软件和机械软件都缺乏,这也是无尘车间行业三维设计和应用发展缓慢的原因。以下是一个项目Solidworks模型介绍了无尘车间的三维设计和应用过程。