孫 瑜
(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041)
隨著三維設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步,越來(lái)越多的工程項(xiàng)目中開始采用ACA或RAVIT等三維軟件,通過(guò)BIM集成多維的建筑信息模型,對(duì)建筑中的物理和功能特性內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)和可視化表達(dá)等應(yīng)用。
相對(duì)于兩維設(shè)計(jì)方式,三維技術(shù)最大的區(qū)別在于仿真模擬,效果直觀可視,可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào),可有效解決各種錯(cuò)、漏、碰等常見(jiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,提高工程設(shè)計(jì)布置和規(guī)劃的合理性。三維技術(shù)通過(guò)BIM平臺(tái)的集成還可以應(yīng)用于項(xiàng)目的各個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)由規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等組成的建筑全生命周期的技術(shù)支持,并且能進(jìn)一步提供造價(jià)、質(zhì)量安全、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等功能的信息化接入口。
主體樂(lè)園對(duì)視覺(jué)效果展示有很高的要求,且對(duì)規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)也有很高的需求。一些特殊的游樂(lè)設(shè)施需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的模擬論證。所以,三維可視化設(shè)計(jì)是適合運(yùn)用于主題樂(lè)園的設(shè)計(jì)技術(shù)。
(1)三維的管線設(shè)計(jì)和管線綜合。主題樂(lè)園需要在同一個(gè)空間內(nèi)布置各個(gè)專業(yè)和工藝管線,通過(guò)三維設(shè)計(jì)能夠?qū)芫€的空間排布進(jìn)行布置,并與空間內(nèi)其他管線進(jìn)行碰撞檢查,通過(guò)三維模型完成管路設(shè)計(jì)。
(2)將游客區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行三維的展示和視覺(jué)效果分析。主題樂(lè)園對(duì)于游客區(qū)域的視覺(jué)效果有很高的要求,把面向游客的區(qū)域電氣設(shè)備和管線通過(guò)三維模型表示,模擬游客的視角對(duì)于視覺(jué)效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的模擬。
(3)建立數(shù)字化模型作為BIM基礎(chǔ)。三維技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù),還可以進(jìn)一步進(jìn)行虛擬仿真、輔助分析、用料統(tǒng)計(jì)、造價(jià)分析、施工進(jìn)度管理等功能。隨著三維技術(shù)的發(fā)展,也可以通過(guò)三維模型直接生成基本滿足制圖要求的二維設(shè)計(jì)圖紙。
BIM平臺(tái)在樂(lè)園項(xiàng)目的應(yīng)用流程如圖1所示。
圖1 BIM平臺(tái)在樂(lè)園項(xiàng)目的應(yīng)用流程
(1)三維設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段。主要工作是選擇三維設(shè)計(jì)軟件,構(gòu)建三維設(shè)計(jì)平臺(tái),設(shè)置三維項(xiàng)目管理結(jié)構(gòu),制定專業(yè)內(nèi)部的三維設(shè)計(jì)原則。電氣專業(yè)需要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要選擇三維建模的范圍和細(xì)節(jié)程度。
(2)電氣三維制圖階段。主要工作是接收建筑和其他相關(guān)的三維模型,根據(jù)三維模型制定電氣內(nèi)部的文件結(jié)構(gòu),并且完成各類文件的關(guān)聯(lián)關(guān)系的制定,完成各個(gè)平面和剖面的截取工作。利用三維電氣設(shè)計(jì)工具,根據(jù)之前制定的規(guī)則開展設(shè)計(jì)工作。
(3)三維碰撞檢查階段。通過(guò)BIM等一些協(xié)同軟件,將各個(gè)專業(yè)的三維模型(采用相同或不同軟件制作)結(jié)合在一起,進(jìn)行三維碰撞檢查,通過(guò)檢查暴露出需要修改調(diào)整的問(wèn)題,并協(xié)商解決方案。隨后回到三維制圖階段進(jìn)行修改,再進(jìn)行三維碰撞檢查,直到問(wèn)題解決。
(4)設(shè)計(jì)成果輸出。三維模型作為設(shè)計(jì)的數(shù)字化成果在協(xié)同設(shè)計(jì)的平臺(tái)上保存和共享。通過(guò)三維模型的不同方式的提取和進(jìn)一步的加工,生成二維設(shè)計(jì)圖紙、三維設(shè)計(jì)模型展示、三維/四維(加入時(shí)間管理)設(shè)計(jì)和管理報(bào)告、各類工程量的分析和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。例如游樂(lè)項(xiàng)目,通過(guò)在三維設(shè)計(jì)中加入施工進(jìn)度的信息(時(shí)間軸),直觀地模擬大型游藝裝置的安裝流程,優(yōu)化施工進(jìn)度和順序。
三維電氣設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
圖2 三維電氣設(shè)計(jì)流程圖
某大型主題樂(lè)園的假山區(qū)域及其配套游樂(lè)設(shè)施的三維設(shè)計(jì)案例,需要在一個(gè)由鋼結(jié)構(gòu)和建筑物共同構(gòu)成的假山上設(shè)計(jì)載具游藝項(xiàng)目和探險(xiǎn)游藝項(xiàng)目。假山三維設(shè)計(jì)的主要節(jié)點(diǎn)如圖3所示,主要有草圖、實(shí)體模型、數(shù)字模型、協(xié)同設(shè)計(jì)和三維出圖幾個(gè)主要節(jié)點(diǎn)。
圖3 假山三維設(shè)計(jì)的主要節(jié)點(diǎn)
(1)在三維設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段。針對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析,區(qū)域采用全三維設(shè)計(jì),選用ACAD和 CADMEP作為三維制圖軟件,選用Navisworks作為三維瀏覽和檢查軟件。工程選用的三維設(shè)計(jì)軟件如圖4所示。選用Buzzsaw作為協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),并通過(guò)Autodesk公司協(xié)助制定三維繪圖的原則和規(guī)范。三維數(shù)字化文件的命名規(guī)則、外部引用及繪圖規(guī)則均通過(guò)項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行了規(guī)定。
最初的假山模型通過(guò)掃描等比例縮小的實(shí)物模型獲取,并通過(guò)三維打印和三維掃描技術(shù)逐步放大和增加細(xì)節(jié)。通過(guò)ACAD的繪制,最終在三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上形成了三維數(shù)字化的建筑模型。Navis三維假山模型如圖5所示。
圖4 工程選用的三維設(shè)計(jì)軟件
圖5 Navis三維假山模型
(2)電氣三維制圖階段。接收三維建筑模型后,電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)模型進(jìn)行分析,最終確認(rèn)了三維設(shè)計(jì)的原則和深度。強(qiáng)電所有的配電箱柜、橋架線槽、電纜井、管徑大于φ50 mm的管線等均繪制三維模型。在一些游客區(qū)域,如假山上的攀爬挑戰(zhàn)區(qū)域,所有的電氣設(shè)備,包括燈具、接線盒、避雷針、廣播、攝像頭等均繪制三維模型,明敷的管線也繪制三維模型。
明確了電氣專業(yè)的三維設(shè)計(jì)深度后,電氣設(shè)計(jì)人員選用CAD-MEP軟件,在協(xié)同平臺(tái)上加載建筑和架構(gòu)的三維模型,然后在項(xiàng)目管理樹指定的路徑下,根據(jù)之前制定的三維設(shè)計(jì)原則繪制三維電氣圖紙。
(3)三維碰撞檢查階段。在電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維制圖設(shè)計(jì)的同時(shí),其他專業(yè)也在同步進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。各個(gè)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)告一段落后,各個(gè)專業(yè)通過(guò)Navisworks軟件加載所有的三維模型,進(jìn)行三維碰撞檢查生成三維碰撞報(bào)告,并逐一分析三維碰撞點(diǎn),各個(gè)專業(yè)共同協(xié)商解決方案。在電氣專業(yè)的三維設(shè)計(jì)過(guò)程中,碰撞檢查階段比三維制圖階段還要耗時(shí),是電氣專業(yè)在三維設(shè)計(jì)的各個(gè)工作階段中工作量最大的階段。機(jī)電管線三維碰撞如圖6所示。
圖6 機(jī)電管線三維碰撞
除了三維的碰撞檢查和碰撞修改,這個(gè)階段還需要配合創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)和建筑團(tuán)隊(duì)對(duì)游客區(qū)域的三維電氣模型進(jìn)行檢查。創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)對(duì)于這類三維電氣設(shè)計(jì)的要求是模型的三維信息盡量準(zhǔn)確,三維模型的細(xì)節(jié)盡量真實(shí)。如游客區(qū)域的三維避雷針,不但需要根據(jù)復(fù)雜的空間關(guān)系和構(gòu)筑物形狀進(jìn)行三維防雷計(jì)算,還需要等比例繪制實(shí)際的三維避雷針,并逐一進(jìn)行外觀效果評(píng)估,當(dāng)創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)無(wú)法接受避雷針的視覺(jué)效果時(shí),會(huì)通過(guò)一些建筑上的手法進(jìn)行效果處理,讓避雷針在視覺(jué)上融入整個(gè)環(huán)境。
(4)設(shè)計(jì)成果的輸出。在基本確認(rèn)三維模型后,根據(jù)假山區(qū)域制定的出圖規(guī)則和實(shí)際需要,選取不同標(biāo)高的平面和重要的剖面進(jìn)行二維設(shè)計(jì)圖紙的出圖。同時(shí),三維模型還作為施工管理、質(zhì)量管理、造價(jià)控制、游藝模擬等輔助應(yīng)用的素材,在相應(yīng)的BIM平臺(tái)中運(yùn)用。
三維設(shè)計(jì)元素類似于二維設(shè)計(jì)的圖例,將對(duì)象的三維特性、設(shè)計(jì)參數(shù)、安裝方式、二維映射等屬性信息集成制作,可以在三維設(shè)計(jì)中通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)修改和三維圖紙的繪制。對(duì)于電氣的三維設(shè)計(jì)軟件,三維的元素庫(kù)是三維設(shè)計(jì)軟件的核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前主流的機(jī)電三維設(shè)計(jì)軟件,電氣專業(yè)的三維元素庫(kù)通常是軟件中最弱的一環(huán)。
電氣三維元素庫(kù)的匱乏,主要有以下幾個(gè)原因。
(1)系統(tǒng)眾多,數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)量巨大。目前電氣設(shè)計(jì)內(nèi)容越來(lái)越豐富,電氣各個(gè)系統(tǒng)的元件制作三維元素的工作量遠(yuǎn)大于其他系統(tǒng),考慮到三維設(shè)計(jì)軟件也是近年還在逐步完善的,三維電氣的元素往往是三維機(jī)電設(shè)計(jì)軟件中最不成熟的部分。
(2)大量電氣元件缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。三維元素的制作是對(duì)于元件信息歸類和提煉的過(guò)程,電氣設(shè)計(jì)存在大量的非標(biāo)準(zhǔn)元件,也導(dǎo)致了三維元素制作的困難。如主題樂(lè)園的場(chǎng)景照明,最簡(jiǎn)單的三維模型制作都是很難簡(jiǎn)單地通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的,往往直接引用供應(yīng)商提供的三維模型。廠家提供的模型只有最基本的三維信息,從而只能進(jìn)行三維空間布置,無(wú)法達(dá)到三維元素的設(shè)計(jì)要求。
(3)電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一。三維設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)的輔助手段,需要在三維元素增加很多設(shè)計(jì)特性。三維電氣設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含更多的細(xì)節(jié),電氣三維元素需要包含的信息和細(xì)節(jié)越多,這些差異就越難處理和制作。
三維元素作為三維設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ),元素庫(kù)的優(yōu)劣也直接決定了三維電氣設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。三維元素庫(kù)的質(zhì)量是機(jī)電三維設(shè)計(jì)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,是整個(gè)三維設(shè)計(jì)軟件的基石,是電氣專業(yè)判斷一個(gè)三維設(shè)計(jì)軟件優(yōu)劣的最重要指標(biāo)。對(duì)于電氣專業(yè),目前的兩款主流三維設(shè)計(jì)軟件中,Revit的電氣三維元素庫(kù)更加完善。
電氣專業(yè)的三維設(shè)計(jì)深度也是主題樂(lè)園設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問(wèn)題,但三維設(shè)計(jì)并不適合于所有的工程。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)采用三維技術(shù)的工程,通常是部分空間采用三維電氣設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)采用三維電氣設(shè)計(jì)的空間,通常是部分電氣元件和系統(tǒng)采用三維設(shè)計(jì),其余仍采用傳統(tǒng)二維方式。因此針對(duì)實(shí)際工程制定三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和深度,對(duì)于做好三維設(shè)計(jì)是必要的。
關(guān)于三維設(shè)計(jì)的工作量和工作周期問(wèn)題,對(duì)于空間簡(jiǎn)單的建筑形體,三維和二維電氣設(shè)計(jì)的工作量增加還是線型的,而實(shí)際情況是機(jī)電三維最大的應(yīng)用就是處理復(fù)雜空間的管線碰撞,針對(duì)主題樂(lè)園中的三維電氣設(shè)計(jì)通常運(yùn)用在不規(guī)則的空間內(nèi)。復(fù)雜空間的三維電氣設(shè)計(jì)工作量相對(duì)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)是幾何級(jí)數(shù)增加的。對(duì)于實(shí)際的工程,三維設(shè)計(jì)在質(zhì)量和時(shí)間進(jìn)度上存在一定的矛盾。在制定電氣設(shè)計(jì)深度時(shí)需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行分析和判斷,制定三維電氣設(shè)計(jì)深度。
歐美設(shè)計(jì)中通常采用設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)制,在設(shè)計(jì)過(guò)程中承擔(dān)的責(zé)任和國(guó)內(nèi)不同。設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)制的機(jī)電設(shè)計(jì)需要提供包含產(chǎn)品信息的設(shè)計(jì)方案,相應(yīng)地包含更多產(chǎn)品細(xì)節(jié)的三維設(shè)計(jì)也更適合歐美設(shè)計(jì)體系的工程。關(guān)于這點(diǎn),國(guó)內(nèi)電氣設(shè)計(jì)和歐美電氣設(shè)計(jì)有較大區(qū)別,在三維電氣設(shè)計(jì)中需要確定具體的品牌才可以確定三維模型,一些三維元素中包含具體廠商的信息,或者直接由廠家提供三維元素。例如:游客區(qū)域的主題照明的三維元素,通過(guò)不同的主題照明供應(yīng)商提供三維元素。除了由于產(chǎn)品因素導(dǎo)致三維元素庫(kù)問(wèn)題,三維設(shè)計(jì)本身也提供了覆蓋建筑生命周期的模型,并可以延伸進(jìn)行施工進(jìn)度管理和造價(jià)統(tǒng)計(jì)。同一個(gè)三維數(shù)字化模型在不同階段的設(shè)計(jì)或維護(hù)的主體也是變化的。由于動(dòng)態(tài)三維數(shù)字化模型的唯一性(相對(duì)于傳統(tǒng)的二維電子圖紙,整體復(fù)制和移動(dòng)較難,需要制定專門的規(guī)則),統(tǒng)一數(shù)字化文件管理平臺(tái)如圖7所示。目前設(shè)計(jì)師在三維設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于這部分內(nèi)容往往存在疑問(wèn),需要針對(duì)項(xiàng)目分析,從而制定不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的三維設(shè)計(jì)的邊界條件。電氣設(shè)計(jì)師在制定電氣設(shè)計(jì)深度時(shí),應(yīng)根據(jù)國(guó)家的法律法規(guī)和設(shè)計(jì)師在項(xiàng)目中的職責(zé)劃分確定電氣專業(yè)的三維設(shè)計(jì)深度。
圖7 統(tǒng)一數(shù)字化文件管理平臺(tái)
采用三維設(shè)計(jì)可以在工程中進(jìn)行更加直觀的展示,配合一些輔助軟件還可以覆蓋造價(jià)控制、施工管理等,通過(guò)BIM技術(shù)做到建筑生命周期的全覆蓋。目前針對(duì)各個(gè)專業(yè),采用同樣的軟件在BIM平臺(tái)上達(dá)到的效果是參差不齊的。例如:結(jié)構(gòu)等專業(yè)也基本實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)在BIM平臺(tái)的功能和應(yīng)用。
以結(jié)構(gòu)專業(yè)和電氣專業(yè)進(jìn)行比較。
(1)軟件的差異:結(jié)構(gòu)專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件開發(fā)成熟、元素庫(kù)完善;電氣專業(yè)是三維設(shè)計(jì)軟件中開發(fā)最滯后的,元素庫(kù)不完善。
(2)優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地同步和修改,數(shù)字化信息分級(jí)分類儲(chǔ)存,并且相互關(guān)聯(lián)。三維模型的同步和修改工作量往往大于三維設(shè)計(jì)本身的工作量。電氣專業(yè)作為設(shè)計(jì)過(guò)程的下游,尤其在三維設(shè)計(jì)中模型的同步和修改工作量又是各個(gè)專業(yè)中最大的。在實(shí)際的三維設(shè)計(jì)中,往往由于工作量巨大,導(dǎo)致三維電氣設(shè)計(jì)無(wú)法完全同步。
三維設(shè)計(jì)軟件也可以看為一種專業(yè)的CAD輔助軟件。目前三維設(shè)計(jì)軟件需要細(xì)分到特定的專業(yè)和領(lǐng)域,各個(gè)軟件公司的元素庫(kù)也是根據(jù)專業(yè)劃分。例如:建筑專業(yè)使用的三維設(shè)計(jì)軟件,如果沒(méi)有電氣的元素庫(kù),則電氣專業(yè)幾乎無(wú)法進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。由于三維軟件的細(xì)分,三維軟件的選用和元素庫(kù)的建立需要覆蓋各個(gè)專業(yè)。
掌握三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)于人員的要求更高。國(guó)外設(shè)計(jì)公司通過(guò)將三維設(shè)計(jì)工作進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分,設(shè)計(jì)和三維制圖分別由不同人員負(fù)責(zé)。目前國(guó)內(nèi)三維設(shè)計(jì)主要采用設(shè)計(jì)師學(xué)習(xí)三維軟件,這樣的模式相對(duì)于設(shè)計(jì)和三維制圖分工的方式,對(duì)于人員要求更高,三維設(shè)計(jì)成果的專業(yè)程度相對(duì)較低。
方案階段,了解項(xiàng)目的性質(zhì)和業(yè)主的需求,決定是否需要采用三維設(shè)計(jì)。擴(kuò)初階段,選用合適的三維設(shè)計(jì)軟件,對(duì)于工程不同的區(qū)域進(jìn)行三維電氣設(shè)計(jì)深度細(xì)分,配合制定設(shè)計(jì)平臺(tái)的規(guī)則,配合制定三維設(shè)計(jì)的多專業(yè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。施工圖階段,根據(jù)制定三維設(shè)計(jì)規(guī)則和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)工作,進(jìn)行碰撞檢查、三維展示和修改等工作。
三維信息化規(guī)則制定和三維設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)先行。三維工具、三維制度和使用工具的人是開展三維設(shè)計(jì)的前提。在目前的三維軟件中選取最合適的三維軟件,結(jié)合三維軟件的標(biāo)準(zhǔn)制定自身的三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),建立三維人才培養(yǎng)的方式。這些都是設(shè)計(jì)院開展三維設(shè)計(jì)的前提。
針對(duì)具體的三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目,制定選擇三維設(shè)計(jì)深度和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行設(shè)計(jì)流程的管控,是做好三維設(shè)計(jì)工程的關(guān)鍵。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況分析,根據(jù)公司的三維設(shè)計(jì)制度,選擇合理的三維設(shè)計(jì)深度。確定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)流程,根據(jù)流程推進(jìn)工作,是做好三維設(shè)計(jì)的必要保障。在設(shè)計(jì)階段直觀地暴露問(wèn)題,并通過(guò)三維設(shè)計(jì)解決是三維設(shè)計(jì)的特色,然而國(guó)內(nèi)普遍存在的邊設(shè)計(jì)邊施工的情況,顯然和三維設(shè)計(jì)的理念沖突,只有合理地設(shè)計(jì)流程才能做好項(xiàng)目管控,最大地發(fā)揮三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。三維設(shè)計(jì)的協(xié)同過(guò)程是一個(gè)多專業(yè)協(xié)調(diào)的過(guò)程。尤其是MEP的協(xié)同,需要多次的碰撞檢查、軟件分析、人工三維檢查并修改才可以完成。這個(gè)過(guò)程是多個(gè)專業(yè)雙向協(xié)調(diào)過(guò)程,需要大量的時(shí)間和人工,必須通過(guò)科學(xué)的制定設(shè)計(jì)的時(shí)間節(jié)點(diǎn),來(lái)提高三維設(shè)計(jì)的效率,完成工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
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[2] 何學(xué)山,李靚.三維設(shè)計(jì)技術(shù)在合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù),2010,2(3):76-79.