BIM 技術(shù)在工業(yè)總圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃文軍(上海建安化工設(shè)計(jì)有限公司，上海 200437)

0 引言

隨著各學(xué)科技術(shù)日新月異的發(fā)展，市場競爭也日趨激烈，不斷加快社會生產(chǎn)節(jié)奏的對設(shè)計(jì)行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式提出了更快的要求，原有設(shè)計(jì)理念已不能滿足客戶的需求。各種新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，同樣深深影響著設(shè)計(jì)行業(yè)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法需要新的變革，縮短設(shè)計(jì)周期，加強(qiáng)與客戶交互性，滿足客戶的多樣性需求是設(shè)計(jì)行業(yè)適應(yīng)新市場形勢的新的挑戰(zhàn)。在這場技術(shù)方法變革需求的背景下，三維總圖設(shè)計(jì)能應(yīng)對新時(shí)期客戶提出的更高的要求，帶來設(shè)計(jì)方法的變革。

應(yīng)用BIM 技術(shù)的三維總圖設(shè)計(jì)能很好的適應(yīng)這一新的形勢。三維總圖設(shè)計(jì)是面向?qū)ο蟮娜略O(shè)計(jì)方法，相比傳統(tǒng)過程方法具有明顯的立體可見性和動態(tài)性，更有真實(shí)體驗(yàn)感。通過建立各類對象模型模擬項(xiàng)目各實(shí)體，不同設(shè)計(jì)成果可以基于已有對象信息分別組合自動生成[1]。當(dāng)客戶以及相關(guān)專業(yè)提出變重需求時(shí)，僅針對原始對象模型改動即可完成全部成果的動態(tài)生成，設(shè)計(jì)成果具有真實(shí)的立體效果和表面質(zhì)感，增強(qiáng)的設(shè)計(jì)的可交互性和可見性，同時(shí)使人力和時(shí)間成本大幅降低。把三維建模的方法引入總圖設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)軟件對原始輸入資料進(jìn)行轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)人員依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)建立和修正相應(yīng)對象模型，完成設(shè)計(jì)過程；輸出設(shè)計(jì)成果時(shí)再組合對象信息得到二維出圖，完成繪圖過程。對原有對象模型的修改會在繪圖中實(shí)時(shí)更新。BIM 軟件的使用和計(jì)算機(jī)的高計(jì)算性能輔助使設(shè)計(jì)成果具有所見即所得和較強(qiáng)的交互性特點(diǎn)，把設(shè)計(jì)師的理念用三維模型展示給受眾，讓靜止的設(shè)計(jì)結(jié)果成為虛擬的真實(shí)世界，人們通過身臨其境的感受來體驗(yàn)設(shè)計(jì)師的成果，可以對設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可靠性。

利用軟件的三維模型動態(tài)功能，設(shè)計(jì)師可以模擬出所擬建項(xiàng)目運(yùn)營期的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)設(shè)計(jì)無法表達(dá)的碰撞點(diǎn)，在項(xiàng)目投用之前就對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，因而不但可使設(shè)計(jì)方案具有合理的平面/豎向布置，交通物流組織順暢，而且避免了項(xiàng)目中反復(fù)變更帶來的時(shí)間和人力的消耗，提高設(shè)計(jì)方案的可行性，從而提高工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期[2]。

1 三維總圖設(shè)計(jì)的概念、任務(wù)

三維總圖設(shè)計(jì)，即在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，加上原有傳統(tǒng)二維總圖設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的，借助計(jì)算機(jī)三維軟件進(jìn)行總圖專業(yè)范圍內(nèi)的各項(xiàng)目設(shè)計(jì)。圍繞工程項(xiàng)目的各類實(shí)體模型，在三維設(shè)計(jì)平臺上，與各相關(guān)專業(yè)相互配合，組合中模型中相關(guān)信息形成設(shè)計(jì)方案，這種方法也是對傳統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)方法的完善。

通過導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)及地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)建立原始自然地面及各地層模型，基于各類模型可以分析地塊在地形、坡度、日照、風(fēng)向等與擬建工程的匹配性，利用曲面模型來進(jìn)行土方計(jì)算，可以在平衡填挖方量的基礎(chǔ)上找到目標(biāo)地形曲面的最合理高程，并提高計(jì)算精度。設(shè)計(jì)人員用模型模擬出擬建項(xiàng)目的竣工狀態(tài)，便于與客戶及各相關(guān)專業(yè)溝通。在設(shè)計(jì)中導(dǎo)入各相關(guān)專業(yè)條件后進(jìn)行專業(yè)間檢查，及時(shí)修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)方案的合規(guī)性和合理性，提高了工作效率，使設(shè)計(jì)周期大為縮減。

在傳統(tǒng)平面總圖設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容里，借助于三維實(shí)體模型與BIM 軟件各項(xiàng)目功能，使平面布置、豎向布置、交通組織設(shè)計(jì)更加快速便捷，土方動態(tài)平衡計(jì)算、道路三維建模、管網(wǎng)三維建模、場景動態(tài)模擬等新元素的加入，使設(shè)計(jì)與成果展示成為一個(gè)有機(jī)的整體，以大幅度提高設(shè)計(jì)效率，提升設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，讓總圖設(shè)計(jì)更好地服務(wù)于工程項(xiàng)目管理，這是總圖設(shè)計(jì)在新的形勢下的主要任務(wù)[3]。

2 Civil 3D在總圖設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容

本文就Civil 3D 在總圖設(shè)計(jì)中常用的兩個(gè)主要內(nèi)容加以闡述，即：用三維模型模擬地形曲面、土石方計(jì)算。

2.1 用三維模型模擬地形曲面

三維地形模型，是對現(xiàn)有地形曲面和目標(biāo)設(shè)計(jì)曲面的模擬。通過對測繪數(shù)據(jù)及地形圖處理，對特定區(qū)域的地形地貌，通過計(jì)算機(jī)模擬，得到一個(gè)可以精確反應(yīng)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)字模型，區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)可以提取三維坐標(biāo)等基本信息，基于這些信息，人們可以組合出坡度、區(qū)域徑流流向等數(shù)據(jù)，便于人們的觀察、設(shè)計(jì)研究和利用[3]。

在工程設(shè)計(jì)過程中涉及多專業(yè)協(xié)作時(shí)，其他專業(yè)常需要場地內(nèi)某些不規(guī)則的點(diǎn)的高程，這在二維設(shè)計(jì)時(shí)往往帶來的額外的計(jì)算工作量，特別是數(shù)據(jù)量大、地形不規(guī)則、以及對結(jié)果的精度要求較高時(shí)更顯得捉襟見肘，這時(shí)三維模擬場地的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來，它可以實(shí)時(shí)顯示任意點(diǎn)的不同曲面的高程，如某一點(diǎn)的原始地面標(biāo)高、設(shè)計(jì)地面標(biāo)高等。當(dāng)然三維地形的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)不止這些，它還可以用來分析地形的各方面特性以及動態(tài)展示等。面對傳統(tǒng)的用等高線和高程點(diǎn)表達(dá)的平面地形圖上，設(shè)計(jì)者更多的精力主要花費(fèi)在營造頭腦中立體場景，考慮各單體間及單體與地形間的匹配情況，道路、管線與單體間的銜接等問題。隨著需要考慮的要素越來越多，設(shè)計(jì)人員就顯得力不從心。在各種三維模型實(shí)體營造真實(shí)感場景中，設(shè)計(jì)者可以更容易更準(zhǔn)確地把握擬建單體與周圍環(huán)境的相互關(guān)系。設(shè)計(jì)師就可以直觀的感受場地地形模型的全貌，進(jìn)行總體上的平面布置和豎向布置，組織各單體的人流、物流，使設(shè)計(jì)出的地形曲面符合工程要求，為后續(xù)其他相關(guān)各專業(yè)的設(shè)計(jì)工作提供支持。計(jì)算機(jī)軟件在處理測繪地形數(shù)據(jù)會，建立數(shù)字地面高程模型，把地形轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)，土方計(jì)算求出每一個(gè)立體塊的體積，匯總得出填挖方量，對比手工計(jì)算及計(jì)算機(jī)匯總計(jì)算來說，無論從速度還是精度，都有明顯優(yōu)勢。

通過組合各類三維實(shí)體模型可以進(jìn)行道路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。道路平面布置結(jié)合地形資料，為道路設(shè)計(jì)提供所在線路任意一點(diǎn)的自然地面標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)高及坡度等信息，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場的地形進(jìn)行地護(hù)坡、擋土墻等附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)，加上軟件本身的動態(tài)鏈接特性，使設(shè)計(jì)人員方便快捷的進(jìn)行道路的選線平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)。Civil 3D 對這兩種形式的地形數(shù)據(jù)都提供的完美的解決方案，可以方便的轉(zhuǎn)化為三維地形。

2.2 土石方計(jì)算

Civil 3D 在土方計(jì)算方面提供了強(qiáng)大的支持，有了前面三維數(shù)字地形作支撐，后續(xù)的工作實(shí)現(xiàn)起來就容易得多。通常我們在設(shè)計(jì)過程中需要兩個(gè)三維曲面：原始地形曲面和最終設(shè)計(jì)地形曲面。原始地形曲面是根據(jù)業(yè)主提供的數(shù)據(jù)對原始場地地形的模擬。最終設(shè)計(jì)曲面是我們將要得到的建設(shè)目標(biāo)，也是我們設(shè)計(jì)時(shí)主要的工作對象。設(shè)計(jì)曲面由放坡組、道路、要素線等對象構(gòu)成，我們做方案設(shè)計(jì)時(shí)可以對這些對象編輯修改以得到我們的理想結(jié)果。

在設(shè)定原始地形和設(shè)計(jì)地形兩個(gè)曲面后，再拾取生土方施工圖所需的設(shè)計(jì)邊界和柵格原點(diǎn)，詳細(xì)設(shè)置施工圖樣式后，單擊生成土方施工圖，就可以得出土方施工圖。在以上工作的基礎(chǔ)上，我們通過建立三維體積曲面等操作，繪制出土方施工零線。

3 結(jié)語

Civil 3D 是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的三維軟件，利用它可以使我們在總圖設(shè)計(jì)中得到更加直觀科學(xué)的成果，這不但會減少以往二維設(shè)計(jì)中考慮不到的因素，而且使我們在與客戶及各相關(guān)專業(yè)協(xié)作時(shí)更容易表達(dá)我們的設(shè)計(jì)意圖，而且使設(shè)計(jì)成果相比二維總圖更精確，可視化程度更高，便于人們在更宏觀的層次理解設(shè)計(jì)師意圖，使工程設(shè)計(jì)向著更加系統(tǒng)化、智能化的方向發(fā)展。