工程建造領(lǐng)域3D數(shù)字化模型的動態(tài)碰撞校核技術(shù)研究

王可民，楊偉華，黃太安，蔣小華，豐興盛，史其麒

(海洋石油工程股份有限公司建造事業(yè)部，山東 青島 266520)

海工項目建造過程中，一體化和模塊化的建造技術(shù)越來越普及，建造吊裝過程中的單個分段或分片往往預(yù)安裝了各個專業(yè)的對象，使得總裝過程中的工況變的極為復(fù)雜，而在傳統(tǒng)的模型碰撞校核階段，通常只校核最終就位狀態(tài)下的碰撞，無法做到對整個施工過程中的動態(tài)實時碰撞校核。在分片安裝過程中，需要將分片從預(yù)制區(qū)域運輸至總裝區(qū)，再從總裝區(qū)安裝至就位區(qū)，期間很容易發(fā)生各專業(yè)間以及預(yù)安裝與新安裝對象間的碰撞，碰撞一旦發(fā)生，輕則增加現(xiàn)場修改工作量、過多占用吊機(jī)資源、耽誤工期，重則導(dǎo)致吊裝物碰撞損壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，所以施工過程中的動態(tài)碰撞校核非常重要。動態(tài)碰撞校核可以在施工前模擬施工過程，預(yù)測碰撞區(qū)域，提前做好碰撞區(qū)的保護(hù)工作。

三維模型的碰撞校核是BIM應(yīng)用中最常用的功能，根據(jù)被校核對象的狀態(tài)，碰撞校核可分為靜態(tài)碰撞校核和動態(tài)碰撞校核，大部分三維軟件只提供靜態(tài)校核功能，也就是完工狀態(tài)下的碰撞檢測，無法做施工過程中的動態(tài)檢測。AutoDesk Navisworks Manage(以下簡稱Navisworks)提供的Clash Detective模塊，既可用于任意兩組靜止對象間的碰撞檢測，又可以對運動狀態(tài)中的對象進(jìn)行檢測，自動找到碰撞位置，并允許用戶對碰撞結(jié)果進(jìn)行管理。Navisworks提供的Animator模塊，能夠以動畫的形式真實地模擬施工過程。Animator模塊和Clash Detective模塊結(jié)合起來，就能實現(xiàn)工程項目施工過程中的動態(tài)碰撞校核。

本文詳細(xì)說明了如何利用Navisworks的Animator工具對施工對象添加施工模擬動畫，然后在Clash Detective模塊中對添加了施工動態(tài)模擬的對象進(jìn)行碰撞校核，并最終輸出碰撞校核報告，為施工人員提供建造過程中的碰撞預(yù)警信息。

1 模型準(zhǔn)備

在進(jìn)行碰撞校核之前，需要對Navisworks模型中的對象進(jìn)行空間和時間上的梳理分類，空間上定義對象集合，時間上義施工順序，最后為施工過程中需要后裝的分片或分段設(shè)定施工動畫，模擬現(xiàn)場實際施工過程。

1.1 空間分類

根據(jù)建造方案，劃分不同的分段或分片，將各分段或分片定義成不同的集合，集合名稱和邏輯順序必須嚴(yán)格按照建造方案中各專業(yè)的實際說明來定義，此步是后續(xù)施工模擬和碰撞校核的基礎(chǔ)和前提，見圖1 Navisworks模型對象的分類集合示例。

圖1 Navisworks模型對象的分類集合示例

1.2 施工順序動畫

圖2 Navisworks模型添加施工順序

根據(jù)建造計劃，利用Navisworks提供的TimeLine模塊，為各集合添加計劃開始時間和計劃結(jié)束時間，此操作為模型對象指定了施工順序，時間上界定不同階段不同對象間的碰撞校核順序，見圖2 Navisworks模型添加施工順序。為減少此步工作量，建議只對需要做動態(tài)碰撞校核的對象集合設(shè)定施工順序。

1.3 施工模擬動畫

依據(jù)項目吊裝方案或運輸方案，利用Navisworks提供的Animator模塊為計劃后裝且可能存在碰撞風(fēng)險的對象集合添加施工模擬動畫，模擬過程必須與實際施工方式相符，此為動態(tài)碰撞校核結(jié)果準(zhǔn)確的基本前提，見圖3 Navisworks模擬機(jī)械設(shè)備安裝過程示例。

圖3 Navisworks模擬機(jī)械設(shè)備安裝過程示例

2 碰撞校核

利用Navisworks的Clash Detective模塊對添加了施工模擬動畫的對象，進(jìn)行碰撞校核。Clash Detective模塊提供了4種校核方式，分別是硬碰撞、硬碰撞(保守)、間隙和重復(fù)項。其中硬碰撞和間隙是最常用的兩種方式，硬碰撞用于查找場景中兩個模型對象間發(fā)生交叉、接觸方式的碰撞沖突，而間隙的方式則用于校核所指定未發(fā)生空間接觸的兩個模型對象之間的間距是否滿足要求，所有小于指定間距的對象均被視為碰撞。重復(fù)項用于核查模型中是否有完全重疊的對象，以檢測模型的準(zhǔn)確性[1]。添加校核對象首先通過“添加檢測”按鈕新建碰撞檢測項目，名稱能夠簡單明確的表明檢測內(nèi)容，如校核某組塊第五層上的機(jī)械設(shè)備安裝過程中的碰撞，可以命名為“五層甲板片VS機(jī)械設(shè)備M1”，見圖4 創(chuàng)建碰撞檢測項目。

圖4 創(chuàng)建碰撞檢測項目

Navisworks支持兩組選擇對象間的碰撞校核(選擇A和選擇B)，超過兩組，需分開依次校核(見圖5)。確認(rèn)選擇A和選擇B的顯示方式均為“集合”，此時樹形結(jié)構(gòu)顯示為1.1中定義好的所有分類集合。

圖5 指定校核對象

2.2 設(shè)定碰撞規(guī)則和碰撞類型

Clash Detective提供“規(guī)則”選項，“選擇A”和“選擇B”中滿足“規(guī)則”條件的對象不參與碰撞校核，比如常用的“同一個文件中的項目”規(guī)則，勾選該規(guī)則后，同一個文件中的對象，在碰撞校核時，將不參與碰撞計算，詳見圖6 碰撞規(guī)則。

圖6 碰撞規(guī)則

“設(shè)置”欄用于控制碰撞校核的類型和指定動態(tài)鏈接的動畫。根據(jù)校核目的來選擇碰撞類型，如硬碰撞，間隙等。設(shè)定公差，用來定義碰撞時的間隙最小值。

設(shè)置欄中的“鏈接”，是實現(xiàn)動態(tài)碰撞的核心，此處通過鏈接1.2或1.3中的動畫，來指定參與校核的對象的施工模擬過程，實現(xiàn)動態(tài)碰撞校核。“鏈接”選項可以關(guān)聯(lián)由TimeLiner模塊定義的施工順序動畫或Animator模塊定義的施工過程動畫，關(guān)聯(lián)動畫場景后，還可以指定動畫檢測的“步長”，步長值越小，運算精度越高。點擊“運行檢測”，開始碰撞校核(見圖7)。

圖7 設(shè)定碰撞類型和鏈接施工模擬動畫

2.3 審核碰撞結(jié)果

“碰撞檢測”運行完畢后，Clash Detective自動跳轉(zhuǎn)至“結(jié)果”選項卡。通過依次點擊每個校核結(jié)果，模型自動跳轉(zhuǎn)至碰撞部分的視圖，并高亮顯示碰撞對象(選擇A：紅色，選擇B：綠色)，用戶可根據(jù)實際情況對碰撞結(jié)果進(jìn)行審核， Clash Detective模塊提供了“新建”“活動”“已審閱”“已核準(zhǔn)”和“已解決”五種碰撞審核狀態(tài)，并可以對碰撞結(jié)果進(jìn)行分組管理和添加注釋(見圖8)。

圖8 審核碰撞結(jié)果

2.4 導(dǎo)出報告

動態(tài)碰撞的檢測結(jié)果可以輸出為報告，以方便指導(dǎo)修改施工方案和現(xiàn)場實際施工操作。

圖9 報告輸出設(shè)置

輸出的“報告格式”選擇html(表格)(見圖9)，結(jié)果文件可以直接用瀏覽器打開，詳見圖10碰撞校核報告文件示例，報告清晰地顯示了碰撞位置，碰撞數(shù)量等關(guān)鍵信息。這些信息可用于指導(dǎo)施工方案的調(diào)整，避免實際施工過程中發(fā)生碰撞。

圖10 碰撞校核報告文件示例

3 結(jié)語

作為工程項目信息化的重要組成部分，3D數(shù)字化模型在越來越多的工程項目中得到應(yīng)用，動態(tài)碰撞校核技術(shù)又進(jìn)一步增強(qiáng)了3D數(shù)字化模型的應(yīng)用深度，該技術(shù)利用Navisworks軟件強(qiáng)大的施工模擬功能和動態(tài)碰撞校核功能，預(yù)演整個施工過程，提前發(fā)現(xiàn)問題，減少施工風(fēng)險，避免不必要的施工變更，為“一體化建造技術(shù)”實施提供技術(shù)保障，利于縮短施工工期，降低建造成本，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。