地铁车站风系统模拟计算软件开发研究

地铁车站风系统模拟计算软件开发研究

杨帆、林筱姝、冯亮

苏州轨道交通集团有限公司、上海市隧道工程轨道交通设计研究院

摘要：地铁车站风系统调试一直是重要且繁杂的工作，实际运营使用中各设备房间风量和设计风量存在偏差，虽然在设计过程中已经进行了校核计算，但是现场施工水平和安装过程中产生的路由误差是难以进行复核的。为解决这个难题，苏州轨道交通研究开发了地铁车站风系统模拟计算软件，辅助现场风系统调试工作，节省人力成本和调试周期。本文围绕风系统模拟计算软件开发工作，以期为相关建设单位管理、调试工作提供参考。

关键词：BIM、轨道交通、风系统、软件

1、引言

随着苏州轨道交通建设的蓬勃发展，建设运营线路不断增多的同时，各专业各环节都暴露出一些亟待解决的问题。通风空调系统由于自身设备与管线体量较大，且受到土建布局及规模局限，使得轨道交通车站内的通风空调专业的管路设计、施工与调试成为一项既重要又繁琐的难点工作。

苏州轨道交通集团近年来致力于BIM技术的探索与实践，在具备了一定的BIM技术应用经验以及相应的BIM应用标准后，现亟需研究并探索基于BIM信息数据的风量仿真模拟软件系统，以便借助该系统用以探索设计到施工，施工到现场调试的全流程，同时还可提取参照信息，优化设计、提高施工安装调试效率。

2、当前存在问题

在通风空调系统设计中，对管路进行的水力计算用以帮助设计师确定管道尺寸及动力设备的型号和能耗，是流体输配管网设计的基本手段，也是管网设计质量的基本保证。目前常用的水力计算软件有鸿业、天正、华电源等，这些软件可以自动生成水力计算结果，但存在一些局限性，比如必须在对应平台上建模，无法指导现场调试，输配管网中各环路阀门开度值未知等。

在轨道交通建设过程中，机电施工单位水平差异较大，风管安装过程中无法对因现场条件因素而进行调整的管路进行风系统阻力二次校验，造成各环路阻力不平衡率高、不满足设计需求等问题；加之竣工交付期间风系统风量调试周期短，现场工人如果经验不足，很难在短期内将风系统调试平衡。

3、地铁车站风系统模拟计算软件

在目前的风系统调试工作模式下，能够辅助现场进行校核计算并指导风阀调试的工具是十分必要的。苏州轨道交通基于目前BIM技术的应用经验，决定开发基于BIM的地铁风系统模拟计算软件，优化现有的风系统调试工作流程。

计算模块基于标准BIM模型，获取风系统中风管、弯头、阀门和风机等的基本数据，并对管道系统及部件进行连续完整性检验，通过模块计算确定系统各环路阻力损失及风口风量，并能即时反映其随管路及部件调整而产生的变化，同时模块还可根据最终风系统的现场布置情况计算各环路阻力的不平衡率，结合风机、风阀等部件的性能曲线，通过迭代计算，获取最优的环路阻力平衡策略，为系统调试提供指导和支持。

计算模块以Revit BIM模型为基础，在Revit软件菜单点击水力计算命令进入菜单：

1）软件提示用户选择系统入口风管，选择后软件自动提取完整系统对获取数据进行分支分组分类数据整理；

2）对数据链表计算数据进行自动初始化赋值：

风管的计算数据，自动提取材质等相关信息并计算风管的比摩阻；阀件局阻计算或提取（建立阀件性能表及阀件开度值，进行自动提取）；

风口局阻计算或提取（风口性能表及开度，流速等信息自动计算其局阻）；管件（三通、四通、变径、弯头）局阻计算或提取；

3）所有计算信息准备就绪，以《实用供热空调设计手册第二版》为依据进行系统水力计算，分析得出管道最不平衡率；

4）根据计算值与设置不平衡率及其容差范围，来判别模拟系统是否初步满足运行要求；

5）如果满足要求，可以生成计算书，并包含各个阀件、风口的局阻系数或开度参考值报表；

6）如果不满足运行要求，则程序自动调整相应阀件或风口局阻系数，来调整实际局阻；

7）调整局阻后，再重新执行4、5、7步骤，直到满足运行要求，最后生成计算书及报表。

软件开发流程图

4、现场应用测试数据分析

软件开发工作已完成，进行了三个阶段的现场应用测试：

4.1 第一阶段测试

以苏州轨道交通5号线石城站修改完善的竣工模型为基础，结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，进行模拟计算，计算各系统风阀开度。

大系统送风1自小轴端环控机房，分别向站厅层与站台层送风，具体路由如图1所示，该送风系统涉及三个调节阀。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图1：大系统送风1路由图

风系统水力平衡计算结果：

风阀建议开度结果：

大系统送风2自小轴端环控机房，分别向站厅层与站台层送风，具体路由如图2所示，该送风系统涉及三个调节阀。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图2：大系统送风2路由图

风系统水力平衡计算结果：

风阀建议开度结果：

小系统送风1自小轴端环控机房，分别向站厅层与站台层送风，具体路由如图3所示。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图3：小系统送风1路由图

风系统水力平衡计算结果：

风阀建议开度结果：

第一阶段测试结论：

根据本次苏州市轨道交通5号线石城站现场测试结果，软件可有效计算风系统各分支风量以及风阀开度。

4.2 第二阶段测试

以上海轨道交通14号线昌邑路站竣工交付模型为基础，结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，进行模拟计算，计算各系统风阀开度。本次测试挑选昌邑路站两套小系统送风、回风，共涉及二十一个调节阀的开度计算，计算结果分析如下：

K9系统自小轴端环控机房，向设备区设备房间送风、回风，具体路由如图4所示。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图4：K9系统路由图

风系统水力平衡计算结果：

风阀建议开度结果：

K12系统自小轴端环控机房，向设备区备用房间送风、回风，具体路由如图5所示。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图5：K12系统路由图

风系统水力平衡计算结果：

风阀建议开度结果：

第二阶段测试结论：

根据本次上海轨道交通14号线昌邑路站现场测试结果，软件可有效检测风系统模型完整性，计算风系统各分支风量以及风阀开度，在根据计算开度调试风阀后，能有效将各风口风量调节趋于设计风量。

4.3 第三阶段测试

以苏州轨道交通6号线清塘路站竣工模型为基础，结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，进行模拟计算，计算各系统风阀开度。选取了HP2系统进行详细的测试和数据分析具体路由如图6所示，该系统涉及9个调节阀。结合地铁车站风系统水力平衡三维仿真软件，对该系统风系统水力平衡与风阀开度进行计算。

图13：HP2系统路由图

现场实测数据：

HP2系统风机全开功率数据

HP2系统风机60%功率数据

现场实测风量与设计风量平均差值在17.5%。

第三阶段测试结论：

根据本次苏州市轨道交通6号线清塘路站现场测试结果，软件可有效计算风系统各分支风量以及风阀开度，在根据计算开度调试风阀后，软件提供的风阀开度建议值可以指导现场安装调试并调节平衡风系统，现场实测风量与设计风量误差可控制在17%左右。

5、结语和展望

根据已完成的三个阶段现场应用测试结果，《基于BIM的轨道交通车站风系统仿真模拟软件》可有效检测风系统模型完整性，计算风系统各分支风量以及风阀开度，在根据计算开度调试风阀后，软件提供的风阀开度建议值可以指导现场安装调试并调节平衡风系统，现场实测风量与设计风量误差可控制在17%左右。

现场风系统与模型理想环境存在差距，且部分风系统存在手动调节阀数量不足，难以调节风系统平衡的现象，17%的误差值是无法避免的。虽然存在误差，但是在调节过程中，已经验证软件是可以辅助风系统调节平衡，并为风阀开度调试提供数据支撑的。

软件的调试优化仍需要大量的数据积累和现场应用测试，希望在后续的软件优化迭代过程中可以降低现场实测风量的误差。