三维仿真理论在建筑给排水管道工程中的应用研究 14页

　　三维仿真理论在建筑给排水管道工程中的应用研究-->第1章绪论1.1论文的研究背景及意义随着人类社会文明程度和科技水平的发展，人们对于建筑给排水的要求不仅仅只是最初的提供清洁用水和排出污水废水，人们从生活质量层面上对建筑给排水系统提出了更高的要求。不仅对建筑给排水系统实现本身任务的实际意义有了更高的要求，而且对建筑给排水系统的设计、施工与其它相关专业、相关技术的相互配合、相互协调有了与时俱进的要求。例如在设计过程中除要考虑环保因素、节能因素以及美观因素，还要求建筑给排水系统的设计与周围环境的客观环境，甚至是居住人的主观想法达到和谐融洽的效果，以满足“以人为本”的时代特色。与此同时，给排水系统作为建筑大系统的重要组成部分，在设计、施工以及管理过程中，要求兼顾整体建筑风格，不破坏局部的空间形状，与结构部分、暖通部分、电气部分等其他建筑组成部分的设计内容融洽共存，进而形成宜人的居住环境和理想的使用功能。\n人类社会的进步发展是以消耗自然资源为代价的，尤其是近年来随着人类社会的发展提速，地球资源的供需紧张状况越来越明显。因此，可持续发展道路在社会发展的各层面都应得到深入贯彻，节约思想也适应于建筑给排水的设计、施工和管理领域。设计工作最初的意图就是努力减少施工过程中因计划的缺失而造成的人力、物力、财力和时间上的损失，好的建筑给排水设计方案不仅能在建筑实体竣工前看到其给排水功能的实现情况，并且能达到降低施工成本、缩短建设工期和预判可能出现的问题的效果。区别于传统的二维平面设计，近年来应用计算机技术对建筑工程项目的整体和各个分部进行三维模拟并集成其中的各种有关信息正成为一种趋势和潮流，这就是所谓的建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）技术。建筑信息模型技术是以计算机技术和三维数字技术作为技术基础，通过对建筑工程项目的整体和各个分部的具体信息进行编辑、整理，进而形成对项目策划工作、设计工作、施工工作以及建成后的运行维护工作有积极帮助作用的三维仿真模型或工程数据模型。由于整合了现代计算机技术的工具优势和工程参数模型的项目具体信息，BIM\n技术不仅可以在项目立项策划阶段提供直观有效的虚拟现实体验，而且可以在设计施工阶段帮助工程技术人员对各种建筑信息进行准确的理解和及时高效的应对，为建设方、设计方、施工方以及管理方等建设项目的参与方搭建了一个协同工作的平台，另外在建筑竣工并投入使用后BIM技术仍可以对建筑综合服务和物业管理提供很大的帮助。BIM技术对于建筑给排水设计工作的帮助尤其明显，设计人员可以在计算机上根据设计方案提前模拟施工，或者直接利用建筑的参数信息构建建筑信息模型，以便发现建筑给排水设计成果中的一些不恰当甚至是错误的地方，在实施施工作业前进行及时的更正，最终达到减少设计错误、节约设计施工成本、提高生产效率以及缩短项目工期的目的。1.2建筑给排水的发展概况建筑给排水作为给水排水工程的重要组成部分，它与工业给排水工程、市政给排水工程组成了完整而各有特色的给水排水体系。\n建筑给排水系统，又称建筑内部给水排水工程系统，是以满足建筑内部的用水需要（包括水量、水温、水压和水质的需要）、保证建筑内部的安全卫生和提高建筑内部水资源的综合利用率为主要任务，以为人们提供安全可靠、经济适用、舒适卫生的生活环境和工作环境为目的，研究如何在满足人们生活生产需要和合理利用水资源的前提下，解决民用和工业建筑的净水供应问题和污废水的汇集及处置问题的工程学科。作为现代建筑工程中一个必不可少的组成子项，建筑给排水工程与供电、通风、供热、燃气和空调等工程类似，都属于建筑设备工程的重要组成部分。与此同时，建筑给排水工程与城市给排水工程共同组成了与人们生产生活息息相关的水的人工循环，并承担了解决人类生存和社会发展的水质、水量需求问题的重要任务。结合建筑给排水工程的自身特点，在可行性规划、设计工作和施工过程中应加强它与建筑设备工程其它子项相互之间的联系和协调，使建筑给排水工程在建筑项目的整体功能之中体现其自身存在的价值和意义。\n从新中国成立以来，我国在建筑给排水工程领域取得的理论研究成果和技术革新成果已经在潜移默化中影响了人们的生产生活。建筑给排水发展的第一阶段是指1964年以前，由于旧中国在该领域的成果几乎是一片空白，研究人员和从业人员更是匮乏，建国后开始设置给水排水工程（给排水科学与工程）专业，逐渐地培养了大量专业研究人才和技术人才，与此同时，对该专业的基础理论研究和行业规范统筹取得了开拓性的进展，并陆续对专业教材、设计手册、标准图集和行业规范进行了编制、公布和实施；建筑给排水发展的第二阶段是指1965年至1986年，随着研究内容的丰富和深入，业内人士发觉全部照搬或者套用国外的研究成果不能完全适应我国国情，在分析国内外异同点和总结之前的错误教训后，研究得出了众多适合于我国国情的基础理论和技术经验，并推出了一批新的基础理论、计算方法和设计思路，由此基本形成了我国独立自主的建筑给排水工程体系；建筑给排水发展的第三阶段是指1987年直至今日，建筑给排水工程专业的从业队伍得到了进一步的发展和壮大，业内人士吸取了过去数十年间发展进程中的经验和教训，使得建筑给排水工程系统在建筑工程的方方面面（包括规划、设计、施工、营运管理、日常维护等）都获得了较大的提高。随着人们对生活质量的要求不断提高以及科技水平的不断发展，已形成完整体系的建筑给排水工程的研究工作仍将出现新的理论研究成果，实现新的技术突破。第2章三维仿真软件的特征研究及其比选\n建筑信息模型（BIM）是一种技术，而不是某一种或某一类的软件，是将建筑的所有相关信息进行参数化整合，由多种多样的建筑信息模型技术专用软件进行信息处理后，其相关的建筑参数信息存储在三维模型上的新兴技术，同时随着建筑信息参数的不定时修改或替换，整栋建筑的相关参数信息可以被实时掌握。概括地说，建筑从规划，到设计施工，再到营运管理，直到最后的拆除的整个过程，都可以通过建筑信息模型（BIM）技术完整而准确地呈现在我们的面前。建筑信息模型（BIM）技术需要依托某一特定的三维仿真软件来实现其构建模型以存储建筑参数信息的基本意图。常见的三维仿真软件包括：Maya、3DsMax、三维CAD以及AutodeskRevitMEP等，各个软件的适用范围、优缺点及运行环境各不相同，需要对其分别进行分析研究，以便找到最适合解决建筑给排水管道碰撞和交叉问题的三维仿真软件。-->2.1常见三维仿真软件及其特点研究2.1.1Maya软件美国Autodesk公司出品的作为三维动画领域中制作软件的翘楚——Maya软件，被广泛应用在影视广告领域、角色动画创作领域及电影特效制作领域中。由于Maya\n具有通俗易学、功能全面、工作方式灵活、工作效率较高及现实感极强等优良特点，因此Maya成为三维电脑动画制造领域的高端软件。Maya作为当今三维动画制造领域的常用软件之一，将三维建模功能、动画制作功能、视觉特效制作功能以及画面渲染功能进行了完美的整合、构建，使其成为当之无愧的优秀的三维动画制作软件。Maya在各项关键的功能技术上的鲜明特点，成就了其广泛的应用领域，代表性的特点包括：（1）全面的建模体系现代科学中探究事物的产生、运行及消亡规律的一个重要方法就是构建该项事物的模型以便体现该项事物的各种特点和属性。在三维仿真领域，由于\nMaya软件拥有一套全面的三维仿真体系，包括常见的多边形（Polygon）建模系统、广泛应用的曲面（Nubrs）建模系统、新兴的细分（Subdivision）建模系统及不同于其他三维仿真软件的雕刻建模系统等数种建模系统，使其在三维仿真领域可以根据目标任务的不同而选择合适的三维建模系统。例如，在建筑行业的三维建模案例中，由于存在大量可以抽象为多边形的门、管、柱、梁等构筑物，因此可以选择多边形建模系统来构建三维模型；在机械工程、生物科学等领域的案例中，由于存在大量的曲面设计，因此可以选择曲面建模系统来满足案例对于曲面设计的要求；而细化曲面建模系统，融合了多边形建模系统的直观掌控体积的特点和曲面建模系统的少数点生产大曲面技术的特点，可以满足三维建模实例对于建模体系的要求；雕刻建模系统自带雕刻刀工具，可以对三维模型的表面进行雕刻，以使整个三维建模过程更加具体、形象。2.2三维仿真软件的比选2.2.1管道碰撞问题的产生及危害随着人们对生活品质要求的日益提高，以及建筑内部各个配套设备工程分工的日益明确，建筑内部各专业的管道数量和种类呈现递增的趋势。建筑内部的配套设备专业包括：给排水工程、暖通工程（包括供暖、通风、空调三部分）和电气工程等，而建筑给排水系统的管道又包括：给水管道、污水管道、废水管道、自动喷淋消防管道、消火栓消防管道、雨水管道、热水管道、中水管道以及直饮水管道等。因为多种多样的各类管线主要布置在走廊吊顶或设备机房内，因此管道碰撞和交叉问题时常发生，为人们的生活、生产带了诸多的不便。管道的碰撞和交叉问题，是在设计过程中埋下的错误，而在施工过程中又没有得到妥善的解决。管道碰撞和交叉问题产生的危害包括以下几方面：\n（1）管道碰撞和交叉问题成为建筑设计过程中各个配套专业之间矛盾产生的集中点。建筑工程是一个整体性系统，是建筑、结构、室内设计、给排水、暖通、电气等诸多专业通力合作的产物，而管道碰撞和交叉问题就有可能成为各个专业之间产生矛盾的集中点，尤其是在可利用空间较小而各类管道都需要经过此处时，如果各个专业之间协调沟通工作做的不够充分，极有可能影响设计工作的进展速度和整体设计的协调统一。（2）当设计过程中未发现管道碰撞和交叉问题，并且据此方案绘制施工图纸时，施工人员很难按照设计者的意图进行施工，就产生了设计意图无法在施工活动中得到实现的矛盾。施工人员不得不根据实际情况对设计方案进行调整，这样就与最初的设计意图相违背，增加了施工建设的成本，甚至间接地增加了项目建成后营运管理的费用。（3）为解决管道碰撞和交叉问题，不得不对某些管道采取提前转弯、改变坡度等措施，这些措施虽然解决了管道的碰撞和交叉问题，不过却改变了管道布置的基本形态，严重影响了室内环境的美观。更为重要的，上述措施都存在着一定程度的侵占宝贵的建筑室内空间的弊端，不仅仅可能降低了走廊吊顶的高度，扩大了设备用房的体积，而且可能压缩了正常使用空间的高度和体积。\n第3章建筑给排水系统二维设计的研究...............183.1排水子系统的理论研究............183.1.1排水子系统概况..............183.1.2排水子系统的组成及分类.............193.1.3排水定额和排水设计秒流量............193.1.4排水管道的水力计算...............21第4章三维仿真模型的构建及其应用研究.............404.1排水管道工程的三维仿真建模................404.2三维仿真模型的构建................414.2.1项目准备..............414.2.2模型的构建............434.3碰撞检查...................484.4管材用量统计..........514.5本章小结..............53第5章结论与建议....................545.1结论...............545.2建议................55第4章三维仿真模型的构建及其应用研究\n三维仿-->真模型的构建，即选用合适的三维仿真应用软件在电脑上对二维设计图纸进行三维建模。本章尝试使用三维仿真软件构建排水管道系统的建筑信息模型，以达到检查平面设计是否合理、模拟管道工程的施工过程、检查管道设计中的碰撞和交叉问题、以及统计管道工程的管材用量的目的。通过构建三维仿真性质的建筑信息模型，可以有效地避免因二维平面设计不合理而造成的劳动力、财物以及施工时间上的损失。4.1排水管道工程的三维仿真建模本工程使用的是AutodeskRevitMEP2013三维仿真软件，RevitMEP是一款非常智能的设计软件，能通过参数驱动模型即时呈现水暖电工程师的设计；通过协同工作减少配套设备（水、暖、电）设计和建筑、结构设计之间的协调错误；通过模型分析支持节能设计和碰撞检查；通过自动更新所有变更减少这个项目设计失误。从某种意义上讲，RevitMEP也是一款施工软件。\n以该高层商住楼建筑给排水系统的二维平面设计图纸为蓝本基础，运用建筑信息模型技术构建其三维仿真模型，并将该三维仿真模型应用于该建筑的建筑给排水系统的模拟施工中。该高层商住楼排水管道工程的模拟施工的主要内容包括：（1）排水管道及附件的安装；（2）排水管道的碰撞和交叉问题的检查；（3）排水管道的管材及附件用量的统计。该高层商住楼的排水管道工程中，不仅包括各种用途、种类的排水管道，还包括各种卫生器具、管件、阀件等附件，这些管道和附件在各自的位置上发挥着作用，并组成了完整的排水管道系统。绘制给排水管道系统的常用的AutodeskRevitMEP软件工具如图4-1所示，熟练这些绘图工具，可以有效地提高绘图的效率。第5章结论与建议5.1结论\n本文以某高层商住楼排水管道系统的设计作为研究对象，通过对常见三维仿真软件的特点进行对比分析，比选出了最适合解决管道碰撞和交叉问题的AutodeskRevitMEP2013软件；功能概况、系统组成及分类、排水定额和排水设计秒流量、排水管道的水力计算方法等4个方面对建筑给排水系统的排水管道设计进行了系统的理论研究，并利用AutoCAD软件对某高层商住楼的排水管道系统进行了常规的二维平面设计，设计成果最终以二维图纸的形式进行呈现；根据二维平面设计的参数成果，使用AutodeskRevitMEP2013软件对该高层商住楼的排水管道系统进行三维建模，构建三维仿真性质的建筑信息模型，并使用该模型对项目进行模拟施工、管道碰撞检查和管材用量统计。以某高层商住楼的建筑给排水系统为研究对象，以其排水管道设计工作为例，分别使用以AutoCAD软件为代表的二维设计方法和以AutodeskRevitMEP2013软件为代表的三维设计方法，对建筑项目的排水管道系统进行了完整的设计或模拟，并从二维平面视角和三维立体视角两种角度对建筑给排水设计中的管道碰撞和交叉问题提出了全新的解决途径，进而对建筑项目的可行性规划、方案设计、施工管理和营运管理提供了全新的沟通平台和处理途径。\n本研究的创新之处主要是：针对建筑给排水设计过程中管道碰撞和交叉问题不易被常规的二维平面设计检查出的现状，本文提出了使用三维仿真软件软件来构建建筑给排水系统的建筑信息模型（BIM）的新方法。主要表现为：（1）以某高层商住楼这一建筑实例为基础，尝试将建筑给排水设计过程中的管道标高、管道材质、位置信息及管材用量等设计信息，以三维参数的形式表达出来，并用于构建三维仿真性质的建筑信息模型；（2）利用三维仿真软件构建排水管道系统的建筑信息模型，为最终解决管线综合设计中的管道碰撞和交叉问题提供了可能，弥补了二维平面设计在这一领域的缺陷和不足；（3）三维仿真模型的构建为项目参与方多视角的了解建设项目提供了便捷，而且AutodeskRevitMEP2013三维仿真软件创造性地使管材用量统计在设计过程中得到实现，概预算工作和设计工作实现协调统一。