CC BY
13
Исследования возможностей BIM-моделирования в области проектирования систем вентиляции
В.А. Ермакова, А.С. Саламатина Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Аннотация: Исследования возможностей BIM-моделирования в области проектирования систем вентиляции показывают, что современный уровень развития BIM-технологий позволяет производить аэродинамический расчет. Примером программного обеспечения с такими возможностями является Autodesk Revit. В данной статье производится сравнительный анализ двух способов расчета: по стандартной методике и формуле Коулбрука, рассчитанной на ПО Revit. Погрешность расчетов составила 14,08%, что не превышает допустимое значение 15%. Таким образом, показана перспективность использования программы Revit для выполнения аэродинамического расчета.
Ключевые слова: BIM-моделирование, системы вентиляции, 3D-проектирование, Autodesk Revit, аэродинамический расчет, BIM-технологии, информационное моделирование.
Введение
В настоящее время происходит революция в проектировании, а именно - переход к информационному моделированию и использованию для этих целей специального программного обеспечения [1-3]. Данный переход коснулся не только проектирования зданий и сооружений, как конструкций или архитектурных объектов, но и составляющих инженерных систем, например, систем вентиляции. Программы, предназначенные для проектирования внутренних инженерных систем, способствуют увеличению эффективности работы за счет сокращения времени проектирования, уменьшения ошибок, связанных с человеческим фактором, а также сочетают в себе возможности расчета конкретных показателей инженерных систем, а именно - аэродинамического расчета [4, 5]. Однако расчеты, выполняемые в
имеющихся на сегодняшний день программах BIM-моделирования, имеют погрешность. В связи с этим требуется подтверждение полученного результата путем сравнения расчета, выполненного вручную специалистом и автоматического расчета, выполненного в программном комплексе [6]. Данный вопрос имеет большую актуальность, так как анализ и дальнейшая минимизация погрешностей расчетов значительно упростит работу инженеров-проектировщиков.
Объектом данного исследования является процесс аэродинамического расчета, произведенный двумя способами. Предметом исследования будут потери давления в системе. Целью исследования является анализ возможности перехода на современный уровень выполнения аэродинамического расчета.
Для достижения сформулированной цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
1. Произвести аэродинамический расчет по стандартной методике;
2. Выполнить аэродинамический расчет в программе Autodesk Revit;
3. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы об эффективности выполнения расчета в программе.
Аэродинамический расчет по стандартной методике
Аэродинамический расчет системы вентиляции является важным и сложным этапом проектирования систем вентиляций зданий и сооружений. Целью расчета является определение размеров сечения воздуховодов и потерь давления в системе. Согласно полученным данным, в дальнейшем производится подбор оборудования.
Для выполнения расчета необходимо вычертить в масштабе аксонометрические схемы вентиляционных систем объекта, затем разбить всю систему на части воздуховода с постоянным расходом воздуха и
и
размером поперечного сечения, называемые участками. На каждом участке необходимо указать значение длины участка воздуховода и необходимое количество удаляемого или приточного воздуха (для примера взята механическая вытяжная система, представленная на рис. 1).
Рис.1. Расчетная аксонометрическая схема механической вытяжной системы вентиляции
и
Далее задается скорость в воздуховоде, которая в соответствии с
справочником проектировщика составляет 2-6 м/с. Далее определяем
расчетную площадь сечения воздуховода, которая определяется по формуле:
I
г =
3600 ■ V'
(1)
V
где - расход воздуха на участке, м /ч, - скорость воздуха на участке.
По рассчитанной площади определяем поперечные размеры сечения воздуховода, соответствующие ведомственным строительным нормам. Затем необходимо уточнить скорость движения воздуха, дабы она не превышала допустимую 6 м/с. Выполняем проверку по следующей формуле:
где - фактическая площадь сечения воздуховода. Следующим шагом определяем эквивалентный диаметр воздуховода по формуле:
а и Ь
где - стороны прямоугольного воздуховода.
Зная эквивалентный диаметр воздуховода и скорость воздуха на участке, определяем удельные потери на трение в таблице 12.17 в справочнике проектировщика. Определение поправочного коэффициента на шероховатость стенок воздуховода также по справочнику проектировщика в таблице 12.13. Далее необходимо определить полные потери на трение по формуле:
и
г
где - длина участка, м;
п п
- шероховатость, = 1. Затем выполняем расчет потерь давления в местных сопротивлениях по формуле:
Ж
где - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке;
Р - плотность подаваемого или удаляемого воздуха, кг/м3; На следующем этапе необходимо вычислить полные потери давления на участке, которые определяются как сумма полных потерь и потерь давления в местных сопротивлениях по формуле:
Расчет сведен в таблицу 1, в которой определены все вышеперечисленные характеристики для каждого участка рассчитываемой системы.
Таблица 1
Аэродинамический расчет механической вытяжной системы В1
№ участка L, м3/ч l, м v, м/с F, м2 axb dэкв
1а 50 решетка 2,24 - 100х100 -
1 50 4,6 1,39 0,01 100х100 100
2 150 0,986 2,78 0,015 100х150 120
3 250 0,898 3,09 0,0225 150х150 150
4 350 0,896 3,24 0,03 200х150 171,4
5 450 0,834 4,17 0,03 200х150 171,4
6 450 9,718 4,17 0,03 200х150 171,4
Продолжение таблицы 1.
№ участка n R с Ç Rln v4p/4g z Rln+z
1а - - 1,20 - 0,305352 0,3-66423 1,-20
1 1 0,052 9,09 01,2392 0,117392 01,0701492 6,3292
L 3 1 1 U,183 8,139 8,45 0,27 0,01,15804381 01,124821 01,46957 0,579716 0,201306 0,156523 0,6310438 0,394822
4 1 8,117 4,21 0,104832 0,639137 0,134219 0,3114832
5 1 0,176 7,25 0,146784 1,056532 0,264133 0,3916784
6 1 0,176 7,38 1,710368 1,056532 1,458015 3,0910368
Сумма: 12,36
По описанному алгоритму произведены расчеты для объекта и определены поперечные размеры воздуховодов для каждого участка системы: 100x100, 100x150, 150x150, 200x150, а также потери давления в системе, которые составляют 12,36 Па.
Аэродинамический расчет в Autodesk Revit
Для проведения анализа необходимо выполнить аэродинамический расчет в программном комплексе Autodesk Revit [7, 8]. Выбранная программа имеет возможность производить расчет тремя методами:
• Уравнение Халанда;
• Формула Альтшуля-Цаля;
• Формула Коулбрука;
Независимо от того, какой способ расчета выбран, результаты будут идентичны. На панели инструментов необходимо найти вкладку Управление
M
[9]. Инструмент «Настройки МЕР» позволяет задать параметры для системы ОВК, механической и электрической систем, а также настройки для расчета указанных систем. В диалоговом окне «Настройки ОВиВК» выбираем нужный метод. Для примера выбран расчет с помощью формулы Коулбрука.
Рис.2. Процесс выбора расчета в программном комплексе Autodesk
Revit
Выполнение расчета в программном комплексе начинается с построения искомой системы.
Для того, чтобы программа выполнила расчет, необходимо подгрузить воздуховоды, то есть задать объем воздуха, удаляемого через воздуховод.
В программном комплексе Autodesk Revit реализованы три способа определения потерь на местных сопротивлениях: с использованием американских коэффициентов ASHRAE [10, 11], путем задания определенного
Рис.3. 3D модель вытяжной механической системы коэффициента, для соответствующего местного сопротивления, по справочнику, либо по удельным потерям. В данной статье применен метод задания конкретного коэффициента, который определяется по-разному для каждого типа местного сопротивления (отвод, тройник, переход и т.д.). Применение именно этого метода обусловлено тем, что в этом случае полученный результат будет иметь высокую сходимость с расчетом, полученным по стандартной методике.
После выполнения подготовительных работ производится непосредственный расчет. Для этого на панели инструментов необходимо найти вкладку «Анализ» и выбрать инструмент «Отчет о потерях давления в воздуховоде», затем в появившемся диалоговом окне выбрать систему, для которой необходимо выполнить расчет и загрузить его в формате html [12].
Путем автоматического расчета в программном комплексе было определено значение потери полного давления, равное 14,1 Па.
M Инженерный вестник Дона, №1 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/XXXX
R Е Е> 0 Си - ; - - S а - S ts д в - О Е
Архитехтуфа Конструкция Сталь Системы Вставить Ант
Изменить
ВыбОО
■ S3- =
гаи|Г
^ S1 oQ nB |г°ррелир°,жа f= u
, ' * * - |.г сброс
Граничные нагрузка Варианты Комбинации условия иагружемий нагрузок га Опоры
Ан.МиТич«1МЯ модель » Ин<1рум«кты »ИМИТИЧМ«0# uOJfЛи
Црмыип
Autodesk Revit 2020.2 ■ СОШ N«82 ee«t. 1 >т»ж. подмя.пл - 3-D вид- [3D) план Совместная работа Вид Управление Надстройки Изменить
Отчет о потерях давления в воздуховоде
ПрОС!р»нСТЫ л »Ht
ее
!МКМЦИЯ >HtC
Отчет о потеря* ивленуя в воздуховоде - Выбор системы
Системы
Ни..« представлены системы. в ке тора« дм nepaneipa 'Расчет' i 3 Ме^аниэны Hûi/iserWi возгм« '
t'HûifKHiMiofb ОывСр
Расчеты полней потер« дмленча по цистам
разрез 9ч«чкт Рквдд Рдачр Ctcçccri (»бочиднммч Длин» .■«»ффианенггчт*^ тртнят Пели** гм:*р«Ы1Л|ним потер« даь'ення на участие
ВНДОМйй IÎGINMIOONM bSuJt 17» 4j»mAi 8.7 IU
t*w« 350-0 »У« '¿¿'¿¡С КЗ П» ;в aoiu 8. J Па
BDJfiV»36« (ХЛиЧч 200 mal» NM 4J к/с 909 1Л ri1 н 1.3 ID 2Î П|
Финн г* 450ЛмУч м/с 104 П» 0.15 1.5 (U
S «МИНт iso-o«^ 0JD*/( 3-7 П| |в _ jooiu ОиОПа
В03ДОВКЦ 100 WAttlOO wi IAVJC 33« h С' Ï3 г.з 1.5 (la
вяннш U м/с 1 2 Па ЗОЛ 0.2 Га 1.7 Па
IDWWHC 150-0-7« ЮОшпЮО»* •4-2 "Л 300 !. 2-73 ги/ш 0.ÎIU МП)
Фшннг* 150-0 м^ч 42 м/с 10.4 Па 0 аз ru
Ваннейиия траектории : 7-9-3+5 : Пол да погер* дает«** : 14.1 Па
Рис.4. Последовательность действий при выполнении расчета в программном комплексе Autodesk Revit
Заключение
Полученные результаты аэродинамического расчета по стандартной методике и в программном комплексе Autodesk Revit, а также расчет погрешности, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительный анализ методов выполнения аэродинамического расчета
Метод Полные потери давления, Па
Стандартная методика 12,36
Формула Коулбрука (Revit) 14,10
Погрешность, %: 14,08
Формула определения процента погрешности:
M Инженерный вестник Дона, №1 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2015/XXXX
л pRevit
где - потери давления, полученные при расчете в программе
Revit;
дрставд
□ ОЛИ „
- потери давления, полученные при расчете по стандартной
методике.
Согласно справочнику проектировщика [6], методика и инструмент применимы, если погрешность составляет до 15%. Полученное значение погрешности входит в допустимый диапазон. Однако, значение 14,08% довольно близко к 15%. Согласно ежегодным цифровым опросам NBS, современные методы строительства сейчас на подъеме [13], поэтому преимущества выполнения аэродинамического расчета в программном обеспечении Autodesk Revit очевидны, в совокупности с тем, что значение погрешности все-таки в пределах нормы, и позволяют применять программу Revit для выполнения аэродинамического расчета.
Литература
1. Старцев Р.К. Уровни внедрения BIM-технологий // Научный аспект, 2020. том 8, №4. С. 1028-1032.
2. Елин Д.А., Макаров А.Д., Мышков Е.С. Революция в строительном проектировании // Инженерные и социальные системы: сборник научных трудов института архитектуры, строительства и транспорта ИВГПУ. -Иваново: Ивановский государственный политехнический университет, 2020. - С. 32-36.
3. Ермакова В.А., Саламатина А.С. BIM-моделирование в системах вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2022, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1 y2022/7390.
4. Гнедых В.С., Демшина Д.А. Интеграция программных комплексов информационного моделирования зданий в области отопления и вентиляции // BIM-Моделирование в задачах строительства и архитектуры: материалы II Международно-практической конференции; СПб. - СПбГАСУ, 2019 - С. 257-261.
5. Зеленцов Л.Б., Цапко К.А., Беликова И.Ф., Пирко Д.В. Совершенствование процесса строительства с использованием BIM-технологий // Инженерный вестник Дона, 2020, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2020/6346.
6. Суханова И.И., Гнедых В.С., Демшина Д.А. Анализ гидравлического и аэродинамического расчётов систем отопления и вентиляции на основе BIM-моделирования // Инженерный вестник Дона, 2019, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6220.
7. Егоров А.В., Черова Н.А., Мишаров С.И. Аналитическая модель в Autodesk Revit // Синергия наук, 2017, №12 - С. 739-753.
8. Кречко И.К., Турук Ю.В., Колесниченко И.Е. Преимущества Revit над AUTOCAD при строительном проектировании // Современные прикладные исследования: материалы четвертой национальной научно-практической конференции, Шахты, 16-18 марта 2020 года. - Новочеркасск: ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 20220. - С. 100-104.
9. правка Autodesk Revit 2020. URL: help.autodesk.com/view/RVT/2020/RUS/.
10. Ashrae®handbook, Heating, ventilating, and air-conditioning applications, Tullie Circle, N.E., Atlanta, 2001. - 857 с.
11. Watson, T. Расширение горизонтов ASHRAE // ABOK: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. - 2013. -№ 3. - С.66-72.
12. Подобед Екатерина Расчет аэродинамических линейных потерь воздуха на примере программного комплекса Autodesk Revit. URL: infars.ru/blog/pro-ayerodinamicheskie-lineynye-poteri-v-revit/.
13. Hamil S. What is BIM? URL: thenbs.com/knowledge/what-is-building-information-modelling-bim.
References
1. Starcev R.K. Urovni vnedrenija BIM-tehnologij [Levels of BIM technologies implementation]. Nauchnyj aspekt. 2020. pp 1028-1032.
2. Elin D.A., Makarov A.D., Myshkov E.S. Revoljucija v stroitel'nom proektirovanii [Revolution in building design]. Inzhenernye i social'nye sistemy: sbornik nauchnyh trudov instituta arhitektury, stroitel'stva i transporta IVGPU. Ivanovo, Ivanovskij gosudarstvennyj politehnicheskij universitet, 2020. pp. 32-36.
3. Ermakova V.A., Salamatina A.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1 y2022/7390.
4. Gnedyh V.S., Demshina D.A. Integracija programmnyh kompleksov informacionnogo modelirovanija zdanij v oblasti otoplenija i ventiljacii [Integration of software systems of information modeling of buildings in the field of heating and ventilation]. BIM-Modelirovanie v zadachah stroitel'stva i ahritektury. Materialy II Mezhdunarodno-prakticheskoj konferencii. Sankt-Peterburg. Sankt-Peterburgskij arhitekturno-stroitel'nyj universitet, 2019, pp. 257261.
5. Zelencov L.B., Capko K.A., Belikova I.F., Pirko D.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2020/6346.
6. Suhanova I.I., Gnedyh V.S., Demshina D.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6220.
7. Egorov A.V., Cherova N.A., Misharov S.I. Sinergija nauk, 2017, №12, pp. 739-753.
8. Krechko I.K., Turuk Ju.V., Kolesnichenko I.E. Preimushhestva Revit nad AUTOCAD pri stroitel'nom proektirovanii [Benefits Revit over AUTOCAD when building design]. Sovremennye prikladnye issledovanija: materialy chetvertoj nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii, Shahty, 16-18 marta 2020 goda. Novocherkassk, Juzhno-Rossijskij gosudarstvennyj politehnicheskij universitet (NPI) imeni M.I. Platova, 20220. pp. 100-104.
9. Spravka Autodesk Revit 2020. [Synopsis Autodesk Revit 2020]. URL: help.autodesk.com/view/RVT/2020/RUS/.
10. Ashrae®handbook, Heating, ventilating, and air-conditioning applications, Tullie Circle, N.E., Atlanta, 2001. 857 p.
11. Watson, T. Rasshirenie gorizontov ASHRAE [Expanding ASHRAE Horizons]. ABOK: Ventiljacija, otoplenie, kondicionirovanie vozduha, teplosnabzhenie i stroitel'naja teplofizika, 2013. № 3. pp.66-72.
12. Podobed Ekaterina Raschet ajerodinamicheskih linejnyh poter' vozduha na primere programmnogo kompleksa Autodesk Revit [Calculation of aerodynamic linear air losses on the example of the Autodesk Revit software package]. URL: infars.ru/blog/pro-ayerodinamicheskie-lineynye-poteri-v-revit/.
13. Hamil S. What is BIM? URL: thenbs.com/knowledge/what-is-building-information-modelling-bim.
