基于BIM的港口工程地下管線設(shè)計(jì)方法

李薇 屠姍姍 于水

摘 要：針對目前以二維施工圖為基礎(chǔ)的港口工程地下管線設(shè)計(jì)存在的設(shè)計(jì)工具落后、各專業(yè)管線之間缺少協(xié)同工作、較難實(shí)現(xiàn)管線與地下建構(gòu)筑物的碰撞校核等問題，進(jìn)行基于BIM（Building Information Model/Modeling）的港口工程地下管線設(shè)計(jì)方法的探索，通過港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)高效的模型創(chuàng)建能力、強(qiáng)大的交互功能，實(shí)現(xiàn)直觀的模型碰撞點(diǎn)查詢、實(shí)時的模型修改協(xié)調(diào)及地下管線二維出圖，為提高港口工程地下管線設(shè)計(jì)成果質(zhì)量提供有效的手段。

關(guān)鍵詞：港口工程;地下管線設(shè)計(jì);BIM

中圖分類號：U65? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0105-04

隨著港口的現(xiàn)代化發(fā)展，港區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)輔助管線分類日益精細(xì)，管線總體數(shù)量明顯增加，地下管線設(shè)計(jì)難度相應(yīng)加大。地下管線設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體平面及豎向設(shè)計(jì)中合理安排各種管線的路由、埋深、敷設(shè)方式，協(xié)調(diào)各種管線之間（尤其在交叉點(diǎn)）及管線與地下建構(gòu)筑物之間的矛盾，使之符合各專業(yè)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時達(dá)到最大限度集約用地的目的。

目前，港口工程地下管線設(shè)計(jì)大多仍停留在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式，各專業(yè)管線之間缺少協(xié)同工作，管線與地下建構(gòu)筑物的綜合也較難實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致地下管線設(shè)計(jì)中始終存在碰撞問題，后期設(shè)計(jì)變更頻繁，效率低下。BIM技術(shù)具有強(qiáng)大的三維視覺優(yōu)勢，因此，有必要探索基于BIM技術(shù)的港口工程地下管線設(shè)計(jì)新流程、新方法，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中能直觀、快速地進(jìn)行判斷，并及時精確調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決上述管網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)的重要難題，大幅提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)成果質(zhì)量。

BIM的核心是信息數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動生成三維模型，完成地下管線的虛擬形體創(chuàng)建，能直觀反映其拓?fù)潢P(guān)系[1]。于貴書基于Revit、Navisworks平臺建立管線BIM模型，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在建筑工程地下管線設(shè)計(jì)階段的探究與應(yīng)用[2];劉琳琳采用基于BIM的協(xié)同設(shè)計(jì)方式探索了青島市某市政管線工程3D核心模型的創(chuàng)建與設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]。但是，現(xiàn)有的研究多集中在建筑工程、市政工程領(lǐng)域，對于港口工程的地下管線設(shè)計(jì)較少涉及。因此，本文針對港口工程特點(diǎn)，對基于BIM的港口工程地下管線設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

1 港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分析以確定系統(tǒng)各部分組成及定義為主要目的?；贐IM的港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)自上而下分為三層：參數(shù)層、方法層、目標(biāo)層，逐層遞進(jìn)以達(dá)到完成設(shè)計(jì)任務(wù)的目的。參數(shù)層為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，包括二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和構(gòu)件干涉閾值數(shù)據(jù)。方法層為系統(tǒng)的模型構(gòu)建體系，通過二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，基于BIM技術(shù)，建立地形TIN模型、管井模型、管線模型及地下建構(gòu)筑物模型，經(jīng)與構(gòu)件干涉閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，完成模型自身查驗(yàn)。目標(biāo)層為系統(tǒng)的輸出成果，能完成模型實(shí)時碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢及修改協(xié)調(diào)，最終達(dá)到完成二維設(shè)計(jì)出圖的目的。該架構(gòu)主要組成及每層設(shè)計(jì)內(nèi)容見圖1。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)框架

本系統(tǒng)基于BIM核心建模軟件平臺進(jìn)行擴(kuò)展，選用插件模式完成港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的定制。系統(tǒng)界面采用WPF（Windows Presentation Foundation，Windows呈現(xiàn)基礎(chǔ)）的MVVM模式編寫。開發(fā)框架見圖2。

1.3 系統(tǒng)功能模塊

基于系統(tǒng)架構(gòu)及開發(fā)框架，將本系統(tǒng)劃分為5個部分13個模塊，具體見圖3。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1建立數(shù)據(jù)庫

選擇系統(tǒng)應(yīng)用平臺、系統(tǒng)代碼框架，進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫等設(shè)計(jì)。通過建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，可以建立二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與構(gòu)件干涉閾值的關(guān)系，為地下管線設(shè)計(jì)的硬碰撞點(diǎn)及軟碰撞點(diǎn)實(shí)時動態(tài)查詢及修改協(xié)調(diào)提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.2建立港口工程管線參考平面模型及地下建構(gòu)筑物模型

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，在BIM核心建模軟件中建立港口工程管線參考平面TIN模型及地下建構(gòu)筑物實(shí)體模型。

2.3建立港口工程管井及管線模型

港口工程管井及管線模型的建立需在模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過面向?qū)ο蠓椒ǖ摹邦悺钡男问襟w現(xiàn)[4]，包括：表面頂點(diǎn)、三角形邊及三角形3種基本幾何元素;管節(jié)點(diǎn)、管段、井室、井蓋4種管線實(shí)體對象。

（1）系統(tǒng)管線空間位置確定采用地下管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)方法[5]，原理如下：給定一任意點(diǎn)P可表達(dá)為，設(shè)管線中心線起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)，管線有向線段記做，與x，y，z三個坐標(biāo)軸正向夾角分別記做，這三個角即的方向角，其中。將模型中相連的管線簡化在同一xy平面，即，管線的方向角為：

（2）系統(tǒng)基于特征斷面法對兩條存在一定角度的管線生成彎管連接面，以圓形特征斷面為例，原理如下[6]：假設(shè)特征斷面S，在空間坐標(biāo)系中S的形狀和位置可唯一地表示示為，其中為S的圓心坐標(biāo)，為S的半徑，為S的法線方向。假設(shè)彎管連接的兩個直管分別為，確定彎管弧段的起始點(diǎn)、半徑、圓心、夾角等參數(shù)。

（3）基于上述原理，搭建所有管節(jié)點(diǎn)及管段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成相應(yīng)港口工程管井、管線模型的建立。

2.4 實(shí)時碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢及模型修改協(xié)調(diào)

碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢是在已建立港口工程管線及地下建構(gòu)筑物BIM模型的基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)功能對碰撞進(jìn)行檢測，并生成碰撞點(diǎn)模型標(biāo)記及碰撞點(diǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，以利于設(shè)計(jì)人員對碰撞點(diǎn)進(jìn)行及時消解。系統(tǒng)中考慮兩種類型的碰撞問題[7]：①硬碰撞：不同管線之間、管線與地下建構(gòu)筑物之間發(fā)生重疊、交錯;②軟碰撞：不同管線之間、管線與地下建構(gòu)筑物之間沒有發(fā)生重疊、交錯，但它們之間的距離不滿足管線專業(yè)設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)硬碰撞或軟碰撞問題出現(xiàn)時，系統(tǒng)按照港口工程常規(guī)設(shè)計(jì)原則[8]進(jìn)行處理：①壓力管線避讓自流管線;②小管徑管線避讓大管徑管線;③可彎曲管線避讓不可彎曲管線;④新建管線避讓已建管線;⑤臨時管線避讓永久管線。

經(jīng)系統(tǒng)自動完成模型修改協(xié)調(diào)后，如仍發(fā)現(xiàn)需調(diào)整的部位，需手動進(jìn)行模型調(diào)整，最終達(dá)到滿足地下管線設(shè)計(jì)要求的效果。

2.5 二維設(shè)計(jì)出圖

完成港口工程管線BIM模型修改協(xié)調(diào)后，為進(jìn)行下一步二維設(shè)計(jì)出圖，設(shè)計(jì)人員需在系統(tǒng)內(nèi)完成如下資源配置：①管井縮略樣式;②管道線型樣式;③管道交叉點(diǎn)平面標(biāo)注樣式;④管道顯示樣式;⑤圖框樣式;⑥圖幅分割;⑦打印樣式。其中：管線繪制格式、管網(wǎng)設(shè)施簡化圖例等可自動顯示在圖紙中;管線交叉點(diǎn)高程標(biāo)注等可通過批注功能進(jìn)行一鍵生成，僅需在個別位置做適當(dāng)調(diào)整即可;圖幅分割、圖框嵌套等可通過輸入自定義分割繪圖范圍、選定系統(tǒng)內(nèi)置圖框進(jìn)行確定;圖簽內(nèi)容可通過在系統(tǒng)內(nèi)填寫項(xiàng)目工程信息、項(xiàng)目參加人員信息等資料后進(jìn)行自動填寫;最后，在圖紙管理器中批量生成圖紙，與出圖系統(tǒng)相連接完成自動化出圖。通過系統(tǒng)二維設(shè)計(jì)出圖模塊完成的出圖工作，能節(jié)省效率低下的體力勞動，避免信息填報(bào)疏漏，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。

二維設(shè)計(jì)出圖流程見圖4。

3 工程應(yīng)用

以某港口工程為例。該工程占地29公頃，管網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)涉及的管線種類包括雨水、污水、給水、消防、高低壓電管等多種地下管線及冷藏箱架、燈桿、燈塔、消防泵、圍網(wǎng)、軌道梁等建構(gòu)筑物基礎(chǔ)，各類管線布局密集且交叉頻繁。

（1）地下建構(gòu)筑模型建立。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，使用BIM核心建模軟件完成建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的三維模型的建立。

（2）地下管線參考平面模型建立及管井頂高程提取。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，使用BIM核心建模軟件完成地下管線參考平面TIN模型的建立，經(jīng)與管井平面坐標(biāo)耦合后求得管井頂高程。

（3）管井及管線模型建立。從二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中提取管井編號、管井平面坐標(biāo)、管井高度、管井旋轉(zhuǎn)角度、管線編號、管線首尾連接的管井編號、管線首尾端點(diǎn)高程等信息后導(dǎo)入系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中選取已錄入的管井單元類型、管線型號、構(gòu)件干涉閾值等參數(shù)，為管線模型建立做準(zhǔn)備。

使用系統(tǒng)中模型構(gòu)建向?qū)?，?dǎo)入管井信息表格（以低壓電井為例，見圖5），得到管井模型，見圖6。

使用系統(tǒng)中模型構(gòu)建向?qū)?，?dǎo)入管線信息表格（以低壓電管線為例，見圖7），得到管井模型，見圖8。

（4）模型組裝。將地下建構(gòu)筑物模型、管井及管線三維模型進(jìn)行協(xié)同裝配，形成管線工程整體模型，見圖9。

（5）碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢及模型修改協(xié)調(diào)。利用系統(tǒng)碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢功能，對管線設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行碰撞檢測分析，見表1，共發(fā)現(xiàn)管線間碰撞點(diǎn)共計(jì)165處，其中硬碰撞51處，軟碰撞114處;管線與建構(gòu)筑物基礎(chǔ)碰撞點(diǎn)共計(jì)203處，其中硬碰撞87處，軟碰撞116處。通過模型自動及人工手動修改協(xié)調(diào)管線布局，消解所有管線碰撞，使管線設(shè)計(jì)間距滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并確保最大限度集約用地。

（6）二維設(shè)計(jì)出圖。模型確認(rèn)后，利用系統(tǒng)二維設(shè)計(jì)出圖模塊，完成本工程的地下管線設(shè)計(jì)平面、斷面自動出圖。

4 結(jié)語

（1）本文是對港口工程地下管線設(shè)計(jì)工作模式的流程及方法的前沿探索，為管線模型的設(shè)計(jì)表達(dá)提供了一種新的技術(shù)途徑。

（2）基于BIM的港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)，耦合二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和干涉閾值數(shù)據(jù)，快速生成符合港口工程現(xiàn)行規(guī)范要求的三維管線模型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)錄入、模型建立、碰撞點(diǎn)動態(tài)查詢、模型修改協(xié)調(diào)及二維設(shè)計(jì)出圖。

（3）基于BIM的港口工程地下管線設(shè)計(jì)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)人員精準(zhǔn)及時地消解管線碰撞提供三維模型依據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)港口工程地下管線設(shè)計(jì)存在的設(shè)計(jì)工具落后、各專業(yè)管線之間缺少協(xié)同工作，較難實(shí)現(xiàn)管線與地下建構(gòu)筑物的碰撞校核、設(shè)計(jì)效率低下等不足。

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