基于BIM技術(shù)的管線綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

結(jié)少鵬，喬艷偉，虞 鴻

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，杭州 310002；2.浙江省錢(qián)塘江流域中心，杭州 310020）

1 研究背景

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的快速發(fā)展，水利領(lǐng)域中開(kāi)展全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用的工程項(xiàng)目越來(lái)越多[1-6]。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)方面可解決精確算量的問(wèn)題[7-8]，在施工和運(yùn)維方面可以用于過(guò)程監(jiān)測(cè)[9-10]、進(jìn)度管理[11]、信息管理[12-14]、質(zhì)量管理[15-16]、成本管理[17]等，而基于BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究較少。對(duì)于大中型水利工程，特別是廠房建筑物的設(shè)計(jì)和施工，管線綜合涉及數(shù)十個(gè)管線系統(tǒng)，復(fù)雜程度極高，是工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)采用CAD繪圖軟件，在綜合圖完成的基礎(chǔ)上，約定基本的配合原則，各個(gè)專(zhuān)業(yè)分別開(kāi)展各自的設(shè)計(jì)工作，重要的建筑物部位進(jìn)行專(zhuān)業(yè)間會(huì)簽，由此完成整體配合。這樣的設(shè)計(jì)配合存在以下問(wèn)題：①專(zhuān)業(yè)配合的及時(shí)性。各個(gè)專(zhuān)業(yè)獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，某個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)變更不能及時(shí)地傳遞到其他配合專(zhuān)業(yè)，可能導(dǎo)致管線沖突，引起一系列施工問(wèn)題。②專(zhuān)業(yè)配合的全面性。大多數(shù)情況下各個(gè)配合專(zhuān)業(yè)僅對(duì)工程重要部位的內(nèi)容進(jìn)行專(zhuān)業(yè)間會(huì)簽，會(huì)導(dǎo)致許多非關(guān)鍵部位缺少專(zhuān)業(yè)之間的核對(duì)，出現(xiàn)配合不全面的問(wèn)題。③專(zhuān)業(yè)配合的準(zhǔn)確性。專(zhuān)業(yè)間大多通過(guò)約定基本的管線橋架布設(shè)原則來(lái)進(jìn)行配合，但在管線橋架交叉的情況下，原則性的配合約定失效，交叉位置管線布設(shè)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不能確定，對(duì)管線的高度和平面位置定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致后期管線施工的局部調(diào)整較多。④專(zhuān)業(yè)配合的有效性。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中遇到復(fù)雜的系統(tǒng)交叉部位，需要采用單循環(huán)法分別進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)的兩兩配合核對(duì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)A系統(tǒng)與B系統(tǒng)出現(xiàn)碰撞錯(cuò)誤時(shí)，修改A系統(tǒng)來(lái)避免沖突時(shí)，很可能會(huì)引起A系統(tǒng)與C系統(tǒng)的管線出現(xiàn)新的碰撞沖突，設(shè)計(jì)成果不可見(jiàn)導(dǎo)致配合工作量繁復(fù)、效率低下。另外，各個(gè)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)圖紙表達(dá)的術(shù)語(yǔ)和符號(hào)不同，設(shè)計(jì)人員對(duì)非本專(zhuān)業(yè)圖紙的理解會(huì)存在一定的偏差，即使進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)間的圖紙會(huì)簽，也易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

因此，利用BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合優(yōu)化，使管線設(shè)計(jì)成果在空間上可視化，是解決當(dāng)前行業(yè)痛點(diǎn)的關(guān)鍵。本文基于Autodesk公司的三維協(xié)同系列軟件，對(duì)管線綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

2 基于協(xié)同平臺(tái)的管線綜合優(yōu)化技術(shù)

2.1 構(gòu)建三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，是管線綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)。不同專(zhuān)業(yè)的管線設(shè)計(jì)建模人員均在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行同步設(shè)計(jì)和配合。三維協(xié)同設(shè)計(jì)的基本工作流程見(jiàn)圖1，協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)基本工作流程

圖2 三維協(xié)同平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中，人員的角色和權(quán)限按照平臺(tái)層和項(xiàng)目層兩個(gè)層面進(jìn)行設(shè)置。兩個(gè)層面的角色和權(quán)限相互獨(dú)立存在，以避免職能管理人員對(duì)生產(chǎn)項(xiàng)目?jī)?nèi)部進(jìn)行誤操作。平臺(tái)層人員角色按照管理權(quán)限設(shè)置有超級(jí)管理員、管理員、成員和訪客等四類(lèi)角色，其中超級(jí)管理員主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)角色設(shè)置和數(shù)據(jù)安全管理，管理員主要負(fù)責(zé)員工賬戶(hù)、項(xiàng)目增減等平臺(tái)日常的使用管理，成員只有使用權(quán)限，訪客只有瀏覽權(quán)限。項(xiàng)目層人員角色設(shè)置有項(xiàng)目管理員、專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目成員等三類(lèi)，其中項(xiàng)目管理員在特定的項(xiàng)目?jī)?nèi)具有最高權(quán)限，可以進(jìn)行項(xiàng)目相關(guān)設(shè)置，決定本項(xiàng)目（工程）的成員和人員角色，確定模型分組方案等。項(xiàng)目管理員和專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人都可以進(jìn)行管線系統(tǒng)設(shè)置和工作集配置，將每個(gè)管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)分配給特定的項(xiàng)目成員。項(xiàng)目成員根據(jù)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人的分配進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。

同一個(gè)項(xiàng)目管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在協(xié)同平臺(tái)上基于同一個(gè)（或一組）中心文件進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)建模。中心文件需要布置在企業(yè)文件服務(wù)器上以保證數(shù)據(jù)安全。設(shè)計(jì)人員每次完成管線系統(tǒng)模型修改都需要將修改的內(nèi)容同步至中心文件，同時(shí)也能獲得最新的中心模型。通過(guò)Revit Server功能，管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行模型的及時(shí)更新。協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)還具備自動(dòng)同步功能，避免某位設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)模型在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未同步，電腦卡頓等帶來(lái)的設(shè)計(jì)成果丟失風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 工作集的設(shè)置和分配

工作集是某一項(xiàng)建模任務(wù)的圖元和構(gòu)件放置的一個(gè)集合，具有私人屬性。項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員需要在工作集模式下開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，以滿(mǎn)足任務(wù)分工和管線系統(tǒng)分類(lèi)的要求。每個(gè)設(shè)計(jì)人員只能在自己的工作集內(nèi)完成特定的管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模；如遇管線系統(tǒng)沖突，需修改他人工作集的圖元，必須得到他人同意。

各個(gè)專(zhuān)業(yè)可以根據(jù)管線綜合設(shè)計(jì)需求和特點(diǎn)創(chuàng)建相關(guān)的工作集，同時(shí)綜合考慮任務(wù)分工、視圖設(shè)置、碰撞檢測(cè)、剖切出圖的便捷性，以提高設(shè)計(jì)建模的效率。對(duì)于大型工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)建模，一般每個(gè)管線系統(tǒng)都要設(shè)置獨(dú)立的工作集。比如水機(jī)專(zhuān)業(yè)至少要為技術(shù)供排水、檢修排水、滲漏排水、透平油系統(tǒng)、低壓壓縮空氣等系統(tǒng)設(shè)置5個(gè)工作集；暖通專(zhuān)業(yè)至少要設(shè)置通風(fēng)（新風(fēng)）、空調(diào)、采暖等3個(gè)工作集；給排水專(zhuān)業(yè)至少要設(shè)置生活給水、污水、雨水等3個(gè)工作集。每一位設(shè)計(jì)人員可以有多個(gè)工作集。

大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員直接在目標(biāo)Revit模型自己的工作集中創(chuàng)建管線系統(tǒng)即可。對(duì)于已在其他項(xiàng)目或者Revit模型中創(chuàng)建的模型組，需要把模型組導(dǎo)入至目標(biāo)Revit模型中。導(dǎo)入目標(biāo)Revit模型時(shí)，應(yīng)注意導(dǎo)入的工作集（或系統(tǒng)分類(lèi)）是否正確。對(duì)于已在其他項(xiàng)目中創(chuàng)建的管線系統(tǒng)，需要把項(xiàng)目文件鏈接至目標(biāo)Revit模型中。

2.3 管線系統(tǒng)設(shè)置

大中型水利工程管線設(shè)計(jì)包括技術(shù)供排水、滲漏排水、消防供水、葉片調(diào)節(jié)、噴淋、壓縮空氣、閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]、通風(fēng)、電纜橋架等數(shù)十項(xiàng)管線系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)。每種管線系統(tǒng)在建模時(shí)獨(dú)立進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)規(guī)范或設(shè)計(jì)需要，不同管線系統(tǒng)設(shè)置不同的顏色，以便于在建模過(guò)程和后期碰撞檢測(cè)中進(jìn)行系統(tǒng)區(qū)分。根據(jù)《泵站設(shè)備安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（SL 317—2015），各種管線系統(tǒng)的顏色設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 管線系統(tǒng)顏色設(shè)置規(guī)則

2.4 管線系統(tǒng)碰撞檢測(cè)

Revit軟件具有初級(jí)的碰撞檢測(cè)功能，如果實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的碰撞檢測(cè)需要對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或在市場(chǎng)上采購(gòu)具有相關(guān)功能的軟件。成熟的碰撞檢測(cè)模塊包含硬碰撞檢測(cè)、水平凈距檢測(cè)和垂直凈距檢測(cè)3種功能。硬碰撞檢測(cè)是指檢測(cè)實(shí)體與實(shí)體之間是否發(fā)生交叉碰撞。水平凈距檢測(cè)和垂直凈距檢測(cè)屬于軟碰撞檢測(cè)，是指雖然實(shí)體之間沒(méi)有發(fā)生交叉碰撞，但要檢測(cè)其在水平和垂直方向的凈距是否滿(mǎn)足要求。①碰撞檢測(cè)模塊支持對(duì)每一種類(lèi)型的檢測(cè)規(guī)則進(jìn)行修改，也支持新建檢測(cè)規(guī)則。②檢測(cè)對(duì)象包括風(fēng)管、管道、橋架、墻（柱、板）等多種類(lèi)別。碰撞檢測(cè)模塊支持對(duì)同一類(lèi)別中不同構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，也可以對(duì)不同對(duì)象類(lèi)別的構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測(cè)。③碰撞檢測(cè)模塊還支持一鍵導(dǎo)出碰撞檢測(cè)報(bào)告。檢測(cè)報(bào)告會(huì)明確相互沖突的兩個(gè)構(gòu)件的類(lèi)型、構(gòu)件編號(hào)以及所處的軸網(wǎng)位置區(qū)間，同時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)碰撞構(gòu)件的平面位置和空間位置截圖，為碰撞位置的查找和修改提供位置信息。

2.5 剖切綜合評(píng)審和虛擬漫游檢查

模型剖切綜合評(píng)審是通過(guò)對(duì)三維模型的層層剖切來(lái)檢查管線系統(tǒng)與建筑物的位置關(guān)系，綜合判斷管線布設(shè)的合理性。虛擬漫游檢查則是通過(guò)Fuzor軟件加載三維管線綜合模型，以第一視角或第三視角身處模型環(huán)境進(jìn)行巡檢體驗(yàn)，檢查管線布設(shè)的合理性。虛擬漫游可以設(shè)定巡檢人的身高、渲染模式等，以獲得不同的巡檢體驗(yàn)。

基于模型剖切的綜合評(píng)審和虛擬漫游技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查，檢查方法更加靈活，檢查內(nèi)容更加詳細(xì)直觀。

2.6 基于模型的設(shè)計(jì)交底和施工管理

多專(zhuān)業(yè)管線綜合設(shè)計(jì)完成的原始三維模型，大小在300～2000 M之間，模型信息雖然全面，但數(shù)據(jù)量過(guò)大，對(duì)于顯卡和緩存等硬件的要求較高，同時(shí)需要計(jì)算機(jī)安裝專(zhuān)門(mén)的三維建模軟件才能查看，不適合施工過(guò)程中使用。

為了使設(shè)計(jì)階段的模型盡量多地為工程建設(shè)服務(wù)，需要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理并對(duì)各參建單位發(fā)布，以便工程設(shè)計(jì)三維管線在Web端能夠查看。市場(chǎng)上能實(shí)現(xiàn)BIM模型輕量化的軟件有很多種，比較常見(jiàn)的是BIMe數(shù)據(jù)協(xié)作平臺(tái)和協(xié)同大師三維設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件，這兩種軟件都可以生成輕量化發(fā)布的網(wǎng)址，供Web端查看。由于不需要安裝復(fù)雜的三維軟件，可以在設(shè)計(jì)交底和施工管理過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型三維可視化瀏覽和交付，十分方便。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某大型排澇泵站工程主要由進(jìn)水渠（涵）、泵站、排水箱涵等建筑物組成。設(shè)計(jì)排澇流量200 m3/s，裝設(shè)5臺(tái)斜軸式軸流泵組（其中1臺(tái)備用），單泵設(shè)計(jì)流量50 m3/s，總裝機(jī)容量1.8萬(wàn)kW。其中泵站廠房管線系統(tǒng)復(fù)雜，包括技術(shù)供排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防排煙系統(tǒng)、建筑給排水系統(tǒng)、電纜橋架等，是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)單位構(gòu)建了三維協(xié)同平臺(tái)，對(duì)工程進(jìn)行三維BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，廠房部分采用管線綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行管線綜合設(shè)計(jì)。泵站廠房剖切模型見(jiàn)圖3。

圖3 某大型泵站剖切模型

3.2 三維管線綜合設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、人員配置等情況，兼顧碰撞檢測(cè)和剖切出圖的便捷性，對(duì)廠房部分設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了工作集的設(shè)置和分配，見(jiàn)表2。泵站廠房創(chuàng)建完成的部分管線系統(tǒng)模型見(jiàn)圖4。

圖4 部分管線系統(tǒng)模型

表2 某大型泵站的工作集設(shè)置及工作分配

續(xù)表

3.3 碰撞檢測(cè)和剖切檢查

在完成管線系統(tǒng)模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，對(duì)泵站廠房部分進(jìn)行碰撞檢測(cè)和剖切檢查，發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)管線與水工結(jié)構(gòu)（梁、板、柱）碰撞沖突52處，消防供水管路與暖通系統(tǒng)風(fēng)管碰撞22處，技術(shù)供水管路與葉片調(diào)節(jié)油管路碰撞13處，電纜橋架與消防供水管路碰撞12處，壓縮空氣管與技術(shù)供水管路碰撞5處，葉片調(diào)節(jié)油管路與暖通風(fēng)管碰撞4處等。碰撞檢測(cè)和剖切檢查完成后，對(duì)管線綜合設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修改完善。部分典型的管線系統(tǒng)碰撞檢測(cè)前后模型對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 典型管線系統(tǒng)碰撞檢測(cè)前后布置優(yōu)化

3.4 虛擬漫游巡檢

碰撞檢測(cè)完成以后，將模型導(dǎo)入Fuzor軟件進(jìn)行廠房虛擬巡檢，巡檢重點(diǎn)包括：①閥門(mén)的布設(shè)位置是否合適；②溝槽及洞口的蓋板是否遺漏；③管線布設(shè)整體效果是否美觀；④局部管線沖突修改是否有遺漏；⑤設(shè)備間距是否過(guò)?。虎薹块g內(nèi)管線下方凈高是否合理等。虛擬巡檢界面見(jiàn)圖6，通過(guò)虛擬漫游巡檢，泵站廠房部分共優(yōu)化閥門(mén)布設(shè)15處，補(bǔ)充蓋板布置40塊，美化管道布設(shè)8處，優(yōu)化設(shè)備布置7處，調(diào)整房間凈高3個(gè)，優(yōu)化效果明顯。

圖6 泵站廠房虛擬巡檢界面

3.5 模型的輕量化發(fā)布

為了使設(shè)計(jì)意圖更充分地傳遞到施工過(guò)程，最大限度發(fā)揮BIM模型作用，項(xiàng)目組采用協(xié)同大師三維設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件的輕量化發(fā)布模塊將泵站廠房全部設(shè)計(jì)模型發(fā)布在云端服務(wù)器，并結(jié)合模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)交底。施工人員不需要裝設(shè)三維軟件，僅通過(guò)Web瀏覽器和地址即可對(duì)模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看和比對(duì)。模型輕量化發(fā)布的界面見(jiàn)圖7。

圖7 某大型泵站工程模型的輕量化發(fā)布

4 結(jié)語(yǔ)

大中型水利工程的廠房設(shè)計(jì)涉及數(shù)十個(gè)管線系統(tǒng)，需要多專(zhuān)業(yè)密切配合協(xié)作。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的工作模式下，各專(zhuān)業(yè)獨(dú)立開(kāi)展管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在專(zhuān)業(yè)配合上存在不及時(shí)、不全面、不準(zhǔn)確、效率低等問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量有較大影響。

基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同管線綜合設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員可以在統(tǒng)一的協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行各管線系統(tǒng)綜合建模，每次設(shè)計(jì)模型的修改及時(shí)與中心文件模型進(jìn)行同步，可以實(shí)現(xiàn)全面、準(zhǔn)確的專(zhuān)業(yè)間配合。經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)，碰撞檢測(cè)、剖切檢查、虛擬漫游巡檢等措施可以在很大程度上減少管線系統(tǒng)碰撞沖突，優(yōu)化管線布置，減少設(shè)計(jì)變更，為業(yè)主提供更為人性化的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。