結(jié)少鵬，喬艷偉，虞 鴻

（1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，杭州 310002；2.浙江省錢塘江流域中心，杭州 310020）

1 研究背景

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，水利領(lǐng)域中開展全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用的工程項目越來越多[1-6]。BIM技術(shù)在設(shè)計方面可解決精確算量的問題[7-8]，在施工和運維方面可以用于過程監(jiān)測[9-10]、進(jìn)度管理[11]、信息管理[12-14]、質(zhì)量管理[15-16]、成本管理[17]等，而基于BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合設(shè)計優(yōu)化的研究較少。對于大中型水利工程，特別是廠房建筑物的設(shè)計和施工，管線綜合涉及數(shù)十個管線系統(tǒng)，復(fù)雜程度極高，是工程建設(shè)的重點和難點。

傳統(tǒng)二維設(shè)計采用CAD繪圖軟件，在綜合圖完成的基礎(chǔ)上，約定基本的配合原則，各個專業(yè)分別開展各自的設(shè)計工作，重要的建筑物部位進(jìn)行專業(yè)間會簽，由此完成整體配合。這樣的設(shè)計配合存在以下問題：①專業(yè)配合的及時性。各個專業(yè)獨立進(jìn)行設(shè)計，某個專業(yè)的設(shè)計變更不能及時地傳遞到其他配合專業(yè)，可能導(dǎo)致管線沖突，引起一系列施工問題。②專業(yè)配合的全面性。大多數(shù)情況下各個配合專業(yè)僅對工程重要部位的內(nèi)容進(jìn)行專業(yè)間會簽，會導(dǎo)致許多非關(guān)鍵部位缺少專業(yè)之間的核對，出現(xiàn)配合不全面的問題。③專業(yè)配合的準(zhǔn)確性。專業(yè)間大多通過約定基本的管線橋架布設(shè)原則來進(jìn)行配合，但在管線橋架交叉的情況下，原則性的配合約定失效，交叉位置管線布設(shè)的設(shè)計細(xì)節(jié)不能確定，對管線的高度和平面位置定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致后期管線施工的局部調(diào)整較多。④專業(yè)配合的有效性。傳統(tǒng)二維設(shè)計中遇到復(fù)雜的系統(tǒng)交叉部位，需要采用單循環(huán)法分別進(jìn)行各個系統(tǒng)的兩兩配合核對。當(dāng)發(fā)現(xiàn)A系統(tǒng)與B系統(tǒng)出現(xiàn)碰撞錯誤時，修改A系統(tǒng)來避免沖突時，很可能會引起A系統(tǒng)與C系統(tǒng)的管線出現(xiàn)新的碰撞沖突，設(shè)計成果不可見導(dǎo)致配合工作量繁復(fù)、效率低下。另外，各個專業(yè)設(shè)計圖紙表達(dá)的術(shù)語和符號不同，設(shè)計人員對非本專業(yè)圖紙的理解會存在一定的偏差，即使進(jìn)行了專業(yè)間的圖紙會簽，也易出現(xiàn)錯誤。

因此，利用BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合優(yōu)化，使管線設(shè)計成果在空間上可視化，是解決當(dāng)前行業(yè)痛點的關(guān)鍵。本文基于Autodesk公司的三維協(xié)同系列軟件，對管線綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

2 基于協(xié)同平臺的管線綜合優(yōu)化技術(shù)

2.1 構(gòu)建三維協(xié)同設(shè)計平臺

構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計平臺，是管線綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)。不同專業(yè)的管線設(shè)計建模人員均在協(xié)同設(shè)計平臺上進(jìn)行同步設(shè)計和配合。三維協(xié)同設(shè)計的基本工作流程見圖1，協(xié)同設(shè)計平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

圖1 三維協(xié)同設(shè)計基本工作流程

圖2 三維協(xié)同平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

協(xié)同設(shè)計平臺中，人員的角色和權(quán)限按照平臺層和項目層兩個層面進(jìn)行設(shè)置。兩個層面的角色和權(quán)限相互獨立存在，以避免職能管理人員對生產(chǎn)項目內(nèi)部進(jìn)行誤操作。平臺層人員角色按照管理權(quán)限設(shè)置有超級管理員、管理員、成員和訪客等四類角色，其中超級管理員主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)角色設(shè)置和數(shù)據(jù)安全管理，管理員主要負(fù)責(zé)員工賬戶、項目增減等平臺日常的使用管理，成員只有使用權(quán)限，訪客只有瀏覽權(quán)限。項目層人員角色設(shè)置有項目管理員、專業(yè)負(fù)責(zé)人、項目成員等三類，其中項目管理員在特定的項目內(nèi)具有最高權(quán)限，可以進(jìn)行項目相關(guān)設(shè)置，決定本項目（工程）的成員和人員角色，確定模型分組方案等。項目管理員和專業(yè)負(fù)責(zé)人都可以進(jìn)行管線系統(tǒng)設(shè)置和工作集配置，將每個管線系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)分配給特定的項目成員。項目成員根據(jù)專業(yè)負(fù)責(zé)人的分配進(jìn)行設(shè)計建模。

同一個項目管線系統(tǒng)設(shè)計人員需要在協(xié)同平臺上基于同一個（或一組）中心文件進(jìn)行BIM設(shè)計建模。中心文件需要布置在企業(yè)文件服務(wù)器上以保證數(shù)據(jù)安全。設(shè)計人員每次完成管線系統(tǒng)模型修改都需要將修改的內(nèi)容同步至中心文件，同時也能獲得最新的中心模型。通過Revit Server功能，管線系統(tǒng)設(shè)計人員可以進(jìn)行模型的及時更新。協(xié)同設(shè)計平臺還具備自動同步功能，避免某位設(shè)計人員的設(shè)計模型在較長時間內(nèi)未同步，電腦卡頓等帶來的設(shè)計成果丟失風(fēng)險。

2.2 工作集的設(shè)置和分配

工作集是某一項建模任務(wù)的圖元和構(gòu)件放置的一個集合，具有私人屬性。項目設(shè)計人員需要在工作集模式下開展設(shè)計工作，以滿足任務(wù)分工和管線系統(tǒng)分類的要求。每個設(shè)計人員只能在自己的工作集內(nèi)完成特定的管線系統(tǒng)設(shè)計建模；如遇管線系統(tǒng)沖突，需修改他人工作集的圖元，必須得到他人同意。

各個專業(yè)可以根據(jù)管線綜合設(shè)計需求和特點創(chuàng)建相關(guān)的工作集，同時綜合考慮任務(wù)分工、視圖設(shè)置、碰撞檢測、剖切出圖的便捷性，以提高設(shè)計建模的效率。對于大型工業(yè)廠房的設(shè)計建模，一般每個管線系統(tǒng)都要設(shè)置獨立的工作集。比如水機專業(yè)至少要為技術(shù)供排水、檢修排水、滲漏排水、透平油系統(tǒng)、低壓壓縮空氣等系統(tǒng)設(shè)置5個工作集；暖通專業(yè)至少要設(shè)置通風(fēng)（新風(fēng)）、空調(diào)、采暖等3個工作集；給排水專業(yè)至少要設(shè)置生活給水、污水、雨水等3個工作集。每一位設(shè)計人員可以有多個工作集。

大多數(shù)情況下，設(shè)計人員直接在目標(biāo)Revit模型自己的工作集中創(chuàng)建管線系統(tǒng)即可。對于已在其他項目或者Revit模型中創(chuàng)建的模型組，需要把模型組導(dǎo)入至目標(biāo)Revit模型中。導(dǎo)入目標(biāo)Revit模型時，應(yīng)注意導(dǎo)入的工作集（或系統(tǒng)分類）是否正確。對于已在其他項目中創(chuàng)建的管線系統(tǒng)，需要把項目文件鏈接至目標(biāo)Revit模型中。

2.3 管線系統(tǒng)設(shè)置

大中型水利工程管線設(shè)計包括技術(shù)供排水、滲漏排水、消防供水、葉片調(diào)節(jié)、噴淋、壓縮空氣、閘門液壓啟閉、通風(fēng)、電纜橋架等數(shù)十項管線系統(tǒng)的綜合設(shè)計。每種管線系統(tǒng)在建模時獨立進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)規(guī)范或設(shè)計需要，不同管線系統(tǒng)設(shè)置不同的顏色，以便于在建模過程和后期碰撞檢測中進(jìn)行系統(tǒng)區(qū)分。根據(jù)《泵站設(shè)備安裝及驗收規(guī)范》（SL 317—2015），各種管線系統(tǒng)的顏色設(shè)置見表1。

表1 管線系統(tǒng)顏色設(shè)置規(guī)則

2.4 管線系統(tǒng)碰撞檢測

Revit軟件具有初級的碰撞檢測功能，如果實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的碰撞檢測需要對軟件進(jìn)行二次開發(fā)或在市場上采購具有相關(guān)功能的軟件。成熟的碰撞檢測模塊包含硬碰撞檢測、水平凈距檢測和垂直凈距檢測3種功能。硬碰撞檢測是指檢測實體與實體之間是否發(fā)生交叉碰撞。水平凈距檢測和垂直凈距檢測屬于軟碰撞檢測，是指雖然實體之間沒有發(fā)生交叉碰撞，但要檢測其在水平和垂直方向的凈距是否滿足要求。①碰撞檢測模塊支持對每一種類型的檢測規(guī)則進(jìn)行修改，也支持新建檢測規(guī)則。②檢測對象包括風(fēng)管、管道、橋架、墻（柱、板）等多種類別。碰撞檢測模塊支持對同一類別中不同構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測，也可以對不同對象類別的構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測。③碰撞檢測模塊還支持一鍵導(dǎo)出碰撞檢測報告。檢測報告會明確相互沖突的兩個構(gòu)件的類型、構(gòu)件編號以及所處的軸網(wǎng)位置區(qū)間，同時也會呈現(xiàn)碰撞構(gòu)件的平面位置和空間位置截圖，為碰撞位置的查找和修改提供位置信息。

2.5 剖切綜合評審和虛擬漫游檢查

模型剖切綜合評審是通過對三維模型的層層剖切來檢查管線系統(tǒng)與建筑物的位置關(guān)系，綜合判斷管線布設(shè)的合理性。虛擬漫游檢查則是通過Fuzor軟件加載三維管線綜合模型，以第一視角或第三視角身處模型環(huán)境進(jìn)行巡檢體驗，檢查管線布設(shè)的合理性。虛擬漫游可以設(shè)定巡檢人的身高、渲染模式等，以獲得不同的巡檢體驗。

基于模型剖切的綜合評審和虛擬漫游技術(shù)可以對設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查，檢查方法更加靈活，檢查內(nèi)容更加詳細(xì)直觀。

2.6 基于模型的設(shè)計交底和施工管理

多專業(yè)管線綜合設(shè)計完成的原始三維模型，大小在300～2000 M之間，模型信息雖然全面，但數(shù)據(jù)量過大，對于顯卡和緩存等硬件的要求較高，同時需要計算機安裝專門的三維建模軟件才能查看，不適合施工過程中使用。

為了使設(shè)計階段的模型盡量多地為工程建設(shè)服務(wù)，需要對模型進(jìn)行輕量化處理并對各參建單位發(fā)布，以便工程設(shè)計三維管線在Web端能夠查看。市場上能實現(xiàn)BIM模型輕量化的軟件有很多種，比較常見的是BIMe數(shù)據(jù)協(xié)作平臺和協(xié)同大師三維設(shè)計平臺軟件，這兩種軟件都可以生成輕量化發(fā)布的網(wǎng)址，供Web端查看。由于不需要安裝復(fù)雜的三維軟件，可以在設(shè)計交底和施工管理過程中，實現(xiàn)設(shè)計模型三維可視化瀏覽和交付，十分方便。

3 應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某大型排澇泵站工程主要由進(jìn)水渠（涵）、泵站、排水箱涵等建筑物組成。設(shè)計排澇流量200 m3/s，裝設(shè)5臺斜軸式軸流泵組（其中1臺備用），單泵設(shè)計流量50 m3/s，總裝機容量1.8萬kW。其中泵站廠房管線系統(tǒng)復(fù)雜，包括技術(shù)供排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、閘門液壓啟閉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防排煙系統(tǒng)、建筑給排水系統(tǒng)、電纜橋架等，是工程設(shè)計的難點。工程設(shè)計單位構(gòu)建了三維協(xié)同平臺，對工程進(jìn)行三維BIM協(xié)同設(shè)計，廠房部分采用管線綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行管線綜合設(shè)計。泵站廠房剖切模型見圖3。

圖3 某大型泵站剖切模型

3.2 三維管線綜合設(shè)計

項目組根據(jù)專業(yè)特點、人員配置等情況，兼顧碰撞檢測和剖切出圖的便捷性，對廠房部分設(shè)計任務(wù)進(jìn)行了工作集的設(shè)置和分配，見表2。泵站廠房創(chuàng)建完成的部分管線系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 部分管線系統(tǒng)模型

表2 某大型泵站的工作集設(shè)置及工作分配

續(xù)表

3.3 碰撞檢測和剖切檢查

在完成管線系統(tǒng)模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，對泵站廠房部分進(jìn)行碰撞檢測和剖切檢查，發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)管線與水工結(jié)構(gòu)（梁、板、柱）碰撞沖突52處，消防供水管路與暖通系統(tǒng)風(fēng)管碰撞22處，技術(shù)供水管路與葉片調(diào)節(jié)油管路碰撞13處，電纜橋架與消防供水管路碰撞12處，壓縮空氣管與技術(shù)供水管路碰撞5處，葉片調(diào)節(jié)油管路與暖通風(fēng)管碰撞4處等。碰撞檢測和剖切檢查完成后，對管線綜合設(shè)計模型進(jìn)行修改完善。部分典型的管線系統(tǒng)碰撞檢測前后模型對比見圖5。

圖5 典型管線系統(tǒng)碰撞檢測前后布置優(yōu)化

3.4 虛擬漫游巡檢

碰撞檢測完成以后，將模型導(dǎo)入Fuzor軟件進(jìn)行廠房虛擬巡檢，巡檢重點包括：①閥門的布設(shè)位置是否合適；②溝槽及洞口的蓋板是否遺漏；③管線布設(shè)整體效果是否美觀；④局部管線沖突修改是否有遺漏；⑤設(shè)備間距是否過小；⑥房間內(nèi)管線下方凈高是否合理等。虛擬巡檢界面見圖6，通過虛擬漫游巡檢，泵站廠房部分共優(yōu)化閥門布設(shè)15處，補充蓋板布置40塊，美化管道布設(shè)8處，優(yōu)化設(shè)備布置7處，調(diào)整房間凈高3個，優(yōu)化效果明顯。

圖6 泵站廠房虛擬巡檢界面

3.5 模型的輕量化發(fā)布

為了使設(shè)計意圖更充分地傳遞到施工過程，最大限度發(fā)揮BIM模型作用，項目組采用協(xié)同大師三維設(shè)計平臺軟件的輕量化發(fā)布模塊將泵站廠房全部設(shè)計模型發(fā)布在云端服務(wù)器，并結(jié)合模型進(jìn)行了設(shè)計交底。施工人員不需要裝設(shè)三維軟件，僅通過Web瀏覽器和地址即可對模型進(jìn)行現(xiàn)場查看和比對。模型輕量化發(fā)布的界面見圖7。

圖7 某大型泵站工程模型的輕量化發(fā)布

4 結(jié)語

大中型水利工程的廠房設(shè)計涉及數(shù)十個管線系統(tǒng)，需要多專業(yè)密切配合協(xié)作。傳統(tǒng)二維設(shè)計的工作模式下，各專業(yè)獨立開展管線系統(tǒng)設(shè)計，在專業(yè)配合上存在不及時、不全面、不準(zhǔn)確、效率低等問題，對設(shè)計質(zhì)量有較大影響。

基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同管線綜合設(shè)計方法，設(shè)計人員可以在統(tǒng)一的協(xié)同平臺上進(jìn)行各管線系統(tǒng)綜合建模，每次設(shè)計模型的修改及時與中心文件模型進(jìn)行同步，可以實現(xiàn)全面、準(zhǔn)確的專業(yè)間配合。經(jīng)實際工程檢驗，碰撞檢測、剖切檢查、虛擬漫游巡檢等措施可以在很大程度上減少管線系統(tǒng)碰撞沖突，優(yōu)化管線布置，減少設(shè)計變更，為業(yè)主提供更為人性化的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。