三維虛擬建造施工技術(shù)在核島廠房中的應(yīng)用

張磊磊，周情來，王宜盼

（中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司，江蘇 南京 225009）

核電站核島廠房通過集約化和模塊化設(shè)計(jì)，以減輕現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的擁擠，使現(xiàn)場(chǎng)可以有更多專業(yè)交叉作業(yè)、平行施工，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境預(yù)判、技術(shù)策劃等工作也有了更高的要求。使用BⅠM 技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目虛擬建造，借助信息模型的可視化、信息化的特點(diǎn)，提前發(fā)現(xiàn)難以預(yù)見的設(shè)計(jì)缺陷，解決技術(shù)準(zhǔn)備中憑空想象造成的偏差錯(cuò)漏。運(yùn)用三維虛擬建造技術(shù)，構(gòu)建實(shí)用美觀的信息模型（以下簡稱“BⅠM 模型”），展示設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)描述物項(xiàng)的直觀形象，可為核島廠房的技術(shù)準(zhǔn)備及施工策劃等工作提供清晰的指引。如何構(gòu)筑BⅠM模型，缺乏標(biāo)準(zhǔn)做法，業(yè)內(nèi)很多公司都在摸索前行，中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司經(jīng)過對(duì)試點(diǎn)項(xiàng)目核島廠房的工程實(shí)踐，研究三維虛擬建造的具體方法，取得了一定的成果。

1 工程概況

試點(diǎn)項(xiàng)目核島廠房包括若干主廠房，設(shè)計(jì)圖紙共用同一套軸網(wǎng)體系，各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙相對(duì)獨(dú)立，土建圖紙主要涉及的專業(yè)包括建筑、負(fù)挖、鋼筋、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、壓型鋼板結(jié)構(gòu)樓承板、預(yù)埋件、管道貫穿件、電氣貫穿件、結(jié)構(gòu)模塊、預(yù)制板、鋼制安全殼、裝飾裝修、總體布置圖等。為了使圖紙簡潔，每個(gè)專業(yè)圖紙上只標(biāo)注本專業(yè)物項(xiàng)，對(duì)一份圖紙涉及的其他專業(yè)物項(xiàng)則在圖紙的說明文字和參考文件欄進(jìn)行索引，而圖紙上可能簡化或省略其他專業(yè)物項(xiàng)。因此，從一套專業(yè)圖紙上是無法確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際涉及物項(xiàng)的種類、數(shù)量、排布的，游走在諸多專業(yè)、成百上千的圖紙中，光靠憑空想象，要做出可靠的施工策劃和技術(shù)準(zhǔn)備非常困難。

2 BIM 模型創(chuàng)建方法研究[1-2]

2.1 建模軟件選擇

本試點(diǎn)項(xiàng)目主要著眼于土建施工，使用AutoDesk Revit 軟件創(chuàng)建項(xiàng)目的主體土建構(gòu)筑物，使用Tekla Structures 軟件創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模塊等。Revit 軟件能比較方便地將物項(xiàng)信息做成參數(shù)結(jié)合到物項(xiàng)模型中，同時(shí)能完成大部分的主體模型。Tekla 軟件是老牌鋼結(jié)構(gòu)詳圖軟件，建模之后可以比較方便地輸出鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)詳圖，鋼結(jié)構(gòu)建模和鋼筋造型能力較Revit強(qiáng)，但物項(xiàng)信息的集成能力較Revit 弱，主要用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋的建模。

以下模型創(chuàng)建方面的研究如無特別說明，默認(rèn)基于Revit 軟件環(huán)境的主體模型創(chuàng)建。

2.2 構(gòu)建坐標(biāo)系

試點(diǎn)項(xiàng)目的一大特點(diǎn)就是基于設(shè)計(jì)軟件的坐標(biāo)系使用：設(shè)計(jì)圖紙上的軸網(wǎng)基于電廠坐標(biāo)系定位，預(yù)制件、各類模塊、預(yù)埋件、貫穿件等物項(xiàng)都基于坐標(biāo)定位，圖紙上不標(biāo)定位尺寸，只給出物項(xiàng)坐標(biāo)列表。

為方便建模過程中的子項(xiàng)定位、各臨建設(shè)施場(chǎng)地定位、物項(xiàng)的坐標(biāo)查詢和位置校驗(yàn)、視圖方向調(diào)整，以及為未來在本項(xiàng)目使用BⅠM 模型輔助完成施工數(shù)據(jù)復(fù)核、施工質(zhì)量檢查等工作，同時(shí)為模型整合提供先決條件，需要對(duì)Revit 軟件的建模環(huán)境中設(shè)置匹配設(shè)計(jì)圖紙的電廠坐標(biāo)系，滿足模型創(chuàng)建的需求。

2.3 設(shè)置材質(zhì)庫

設(shè)置軟件的材質(zhì)庫，主要考慮模型外觀和材質(zhì)信息2 個(gè)方面。

2.3.1 關(guān)于模型外觀的考慮

Revit 模型外觀在軟件的視圖中有至少8 種以上的改變方法，但每個(gè)視圖模型默認(rèn)的外觀是在材質(zhì)中定義的。這其中包括渲染外觀、著色外觀和圖紙外觀。

材質(zhì)設(shè)置直接影響模型的默認(rèn)觀感和出圖便利，對(duì)于模型來說，美好的外觀能給觀眾留下很深的印象，但對(duì)于利用模型進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備和施工策劃的使用者來說，更重要的卻是模型的易用性[1]。經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)踐，材質(zhì)的外觀設(shè)置主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①對(duì)于材質(zhì)渲染外觀，在考慮材質(zhì)貼圖與真實(shí)材質(zhì)外觀接近的同時(shí)，還要考慮不同材質(zhì)之間貼圖的區(qū)別，造成不同材質(zhì)之間的鮮明對(duì)比以方便識(shí)別。②對(duì)于材質(zhì)的著色外觀與渲染外觀類似，主要考慮不同材質(zhì)之間的顏色對(duì)比度，使不同材質(zhì)之間能夠清晰辨認(rèn)。③材質(zhì)設(shè)置時(shí)不應(yīng)拘泥于構(gòu)件本身的物理外觀或油漆顏色，首要考慮的是不同材質(zhì)的不同物項(xiàng)能夠輕松區(qū)別。模型使用人員需能從高對(duì)比度中讀出模型的材質(zhì)、區(qū)分不同的構(gòu)件、辨認(rèn)模型所屬的不同專業(yè)，這比效果圖中逼真的外觀對(duì)技術(shù)、施工工作來說更加重要。當(dāng)然模型的實(shí)用性和美觀性不是二擇其一，模型的實(shí)用性是構(gòu)建模型首要的考慮因素，美觀性是以實(shí)用性為前提條件，是模型在實(shí)用性基礎(chǔ)上的價(jià)值擴(kuò)展，應(yīng)該在不損害材質(zhì)間辨識(shí)度的基礎(chǔ)上，讓模型更接近真實(shí)的貼圖和配色方案，務(wù)必使模型實(shí)用又美觀。本項(xiàng)目材質(zhì)設(shè)置示例如圖1 所示。④對(duì)于圖紙外觀中的填充圖案設(shè)置，應(yīng)考慮使用各種材質(zhì)常用的截面填充圖案，以減少或避免出圖時(shí)剖面線的修改，節(jié)省出圖步驟和時(shí)間。⑤對(duì)于配套使用的其他BⅠM 軟件的材質(zhì)庫，需要考慮與Revit軟件的材質(zhì)外觀的配套和協(xié)調(diào)，同時(shí)也要考慮材質(zhì)在實(shí)用性基礎(chǔ)上的美觀性，形成各自軟件的材質(zhì)庫。

圖1 Revit 多專業(yè)的材質(zhì)示例——著色模式

2.3.2 關(guān)于材質(zhì)信息的考慮

Revit 軟件的材質(zhì)里定義的不僅有材質(zhì)的圖形特性和外觀表現(xiàn)，還有標(biāo)識(shí)信息、物理屬性、透光隔熱屬性等材質(zhì)信息。

用于結(jié)構(gòu)分析的物理屬性和用于能量分析的熱屬性：作為施工企業(yè)一般都有自己常用的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件，也極少對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行能量、采光分析，因此這2類信息的各項(xiàng)參數(shù)可以忽略。

材質(zhì)的標(biāo)志信息包括材質(zhì)的名稱、說明信息、產(chǎn)品信息、Revit 注釋信息等，對(duì)于這方面信息可以制定規(guī)則、合理安排，從而增加模型材質(zhì)信息的可讀性。

2.4 建立項(xiàng)目族庫

Revit 軟件一大特點(diǎn)是參數(shù)化建模，對(duì)于規(guī)則構(gòu)件能使用參數(shù)化族較輕松地定義符合其規(guī)則的一系列類型，將族載入項(xiàng)目環(huán)境后就能插入的族實(shí)例的方式代替常規(guī)建模；族實(shí)例形狀還能通過修改族參數(shù)進(jìn)行一定程度的修改。

Revit 軟件的建模工作都是使用族來完成的，對(duì)于可項(xiàng)目間共享的可載入族（預(yù)埋件、貫穿件、墊板、螺栓、H 形鋼等），需要進(jìn)行事先規(guī)劃和建立族庫。

項(xiàng)目中擁有相似的形狀、需要重復(fù)使用的構(gòu)件，每一類都可以做成擁有通用參數(shù)集的一個(gè)或多個(gè)可載入族，形成族庫。圖2 為試點(diǎn)項(xiàng)目的預(yù)埋件眾多種類中的一小部分。

圖2 預(yù)埋件族庫中的部分預(yù)埋件類型

按照物項(xiàng)重復(fù)程度，規(guī)劃出需要做成族的物項(xiàng)類別。對(duì)于某一類物項(xiàng)，根據(jù)其形狀特點(diǎn)，規(guī)劃出需要建立的可載入族的數(shù)量，族庫的建立應(yīng)盡量利用Revit軟件參數(shù)化優(yōu)勢(shì)，減少族的數(shù)量，讓一個(gè)族可以表示出盡量多的實(shí)例類型，以減少項(xiàng)目模型的文件大小。由于每個(gè)族都可能涉及很多的族類型，例如預(yù)埋件，同一個(gè)族中的參數(shù)選擇和類型名稱需要進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)。同一物項(xiàng)可能會(huì)隨圖紙升版和設(shè)計(jì)變更而增加類型，如預(yù)埋件，其族庫則要根據(jù)需要增加或修改族，不斷完善。對(duì)族的創(chuàng)建和記錄需要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化程序，使族庫的管理規(guī)范化。

為了在項(xiàng)目級(jí)甚至公司級(jí)范圍內(nèi)應(yīng)用共享，應(yīng)該對(duì)項(xiàng)目中各種自建族，在命名、分類、存儲(chǔ)、記錄、更新上形成系統(tǒng)性族庫，并融入BⅠM 數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

2.5 項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)備

為使建模采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、同一項(xiàng)目原點(diǎn)，需要建立標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目樣板作為建模標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，內(nèi)置常用族、參數(shù)、坐標(biāo)系、視圖樣板等，使各子項(xiàng)的模型外觀、圖紙樣式、圖元參數(shù)等保持一致。在標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目樣板中還可以設(shè)置共用軸網(wǎng)，作為每個(gè)子項(xiàng)定位的基準(zhǔn)；設(shè)置統(tǒng)一的視圖樣板和過濾器，以便使整個(gè)項(xiàng)目的不同子項(xiàng)共用統(tǒng)一的視圖樣式。

2.6 確立建模范圍

項(xiàng)目涉及的專業(yè)很多，建模人手有限，建模軟件的建模能力也有局限，所以必須要確立項(xiàng)目的建模范圍，減少建模時(shí)間，降低建模的復(fù)雜程度。

對(duì)于物項(xiàng)過小、過薄且難于形成實(shí)體的物項(xiàng)，不建立三維模型，可以考慮在二維視圖中添加這些物項(xiàng)的二維替代圖元，如防水層、焊縫等。安裝專業(yè)的模型不屬于土建承建范圍，無法獲取相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙和變更，也缺乏專業(yè)知識(shí)的配合，不列入建模范圍，可以考慮與安裝單位合作，引用安裝專業(yè)的模型。對(duì)于同時(shí)使用多個(gè)建模軟件的情況，要確立每個(gè)軟件自身的建模領(lǐng)域。使用多個(gè)建模軟件互相配合建模時(shí)，建模范圍不應(yīng)有重疊，造成模型重復(fù)。

2.7 建立BIM 數(shù)據(jù)庫

建立BⅠM 模型的過程中，會(huì)有很多依據(jù)設(shè)計(jì)文件、標(biāo)準(zhǔn)文件、技術(shù)規(guī)格書建立的各種自建族庫，另外還有建模時(shí)外部輸入的參考模型，各個(gè)技術(shù)人員提供的輸入信息（分段方案、構(gòu)件清單、技術(shù)信息、變更清單等），從模型導(dǎo)出的轉(zhuǎn)換格式模型、AutoCAD 圖紙文件、渲染圖片等，模型文件的自查、校審信息，臨時(shí)共享的模型、經(jīng)審核發(fā)布的模型、竣工存檔的模型等[2]。從建模開始到結(jié)束涉及到海量的電子文件，這些文件需要進(jìn)行系統(tǒng)性組織，形成有機(jī)的統(tǒng)一體，才能成為記錄、跟蹤、應(yīng)用BⅠM 技術(shù)的有效BⅠM 數(shù)據(jù)庫。對(duì)于數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以參考已有的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況建立，并在建模生產(chǎn)過程中不斷完善。

2.8 確立建模規(guī)則

為了使模型創(chuàng)建符合規(guī)范，方便管理、整合模型，有必要建立模型創(chuàng)建的一般規(guī)定。規(guī)定中除了要求使用統(tǒng)一的項(xiàng)目樣板、族庫、材質(zhì)庫進(jìn)行建模外，對(duì)于設(shè)計(jì)文件審閱、模型拆分、結(jié)構(gòu)分段、特殊結(jié)構(gòu)建模等工作需要確立規(guī)則。涉及到軟件操作層面的具體規(guī)定，對(duì)不同的軟件要訂立不同的建模程序因應(yīng)。

2.9 模型元素及其深度標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)本項(xiàng)目核島工程BⅠM 模型的各種建模元素分配相應(yīng)的深度要求，建模深度在LOD200～LOD400 之間，以滿足施工需求為原則建模。原則上第一階段依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)變更完成設(shè)計(jì)模型的建模，并在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工層段劃分滿足施工圖需求；第二階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變更更新模型，按建模深度要求完成施工模型，施工模型需要與設(shè)計(jì)模型分別保存；第三階段如有需要將施工模型繼續(xù)深化后另存為竣工模型，如果施工模型以滿足使用需求，也可將施工模型直接作為竣工模型存檔。

2.10 按順序建模

模型的結(jié)構(gòu)拆分、施工分段、專業(yè)順序都是影響建模順序的因素。通常模型按空間結(jié)構(gòu)自下而上、自內(nèi)而外創(chuàng)建，這樣做是為了方便建模時(shí)下層不會(huì)被上層擋住視線，內(nèi)部不會(huì)被外部擋住視線。自下而上逐層建模時(shí)一般按先建立基礎(chǔ)、樓板再建墻體，先建主體再建附件的順序進(jìn)行，創(chuàng)建某層主體結(jié)構(gòu)時(shí)，以這層結(jié)構(gòu)為主體的專業(yè)模型也一并創(chuàng)建。當(dāng)受到制約因素必須先建上層結(jié)構(gòu)時(shí)，因?qū)Ρ緦由形唇５奈镯?xiàng)、專業(yè)及涉及的設(shè)計(jì)文件進(jìn)行記錄，避免出現(xiàn)遺漏。建模應(yīng)符合事先確立的建模規(guī)則，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、分段劃分等工作。

2.11 提升建模生產(chǎn)力

對(duì)于Revit 軟件來說，可以通過Dynamo 可視化編程平臺(tái)定義程序流程，探索參數(shù)化的方案設(shè)計(jì)和自動(dòng)化建模與模型檢查工作流。通過Dynamo 可以幫助實(shí)現(xiàn)互操作性的工作流程文檔管理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)建、協(xié)調(diào)、模擬和分析。

例如本項(xiàng)目的預(yù)埋件專業(yè)，設(shè)計(jì)圖紙上只提供了用以定位的預(yù)埋件坐標(biāo)清單，按照坐標(biāo)手動(dòng)定位十分耗時(shí)，使用一般的建模方式可能要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能建完。使用Dynamo 平臺(tái)編制一個(gè)按照坐標(biāo)插入預(yù)埋件族實(shí)例的插件，即使數(shù)以萬計(jì)的預(yù)埋件定位工作，也能在幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)完成，還能自動(dòng)寫入每塊預(yù)埋件的編碼、變更等信息，大幅提高建模生產(chǎn)力。

2.12 模型的檢查與更新

BⅠM 模型的創(chuàng)建不是一次性完成的，需要根據(jù)圖紙升版和設(shè)計(jì)變更進(jìn)行不斷更新，結(jié)合本項(xiàng)目的變更頻次，最終模型完成時(shí)的工作量，是模型初成型時(shí)的數(shù)倍。需要對(duì)模型建立檢查與更新機(jī)制，保證模型質(zhì)量和可靠性，記錄更新的內(nèi)容。

3 結(jié)語

項(xiàng)目級(jí)的三維虛擬建造是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，產(chǎn)生的成果是可以累積并增值的，和實(shí)體工程一樣，完善的質(zhì)量保證措施是保證成果價(jià)值的必要措施。三維虛擬建造技術(shù)已經(jīng)成為項(xiàng)目施工的強(qiáng)大助力，只有不斷的累積經(jīng)驗(yàn)和提升技能，才能讓這項(xiàng)技術(shù)不斷精進(jìn)，為項(xiàng)目的施工更好地服務(wù)。