自動(dòng)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)淺析北京市通州水廠BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目

【摘要】BIM三維設(shè)計(jì)擁有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在提高設(shè)計(jì)人員的工作效率的同時(shí)，直觀的反映出設(shè)計(jì)成果，并且合理的規(guī)避了諸多設(shè)計(jì)隱患及后期施工可能遇到的問(wèn)題，是水利行業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】BIM；Bentely平臺(tái)；水廠自動(dòng)化；三維建模；碰撞檢測(cè)

目前BIM已不能稱之為行業(yè)前沿性技術(shù)，換而言之，BIM是行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。但是，在水利行業(yè)中BIM設(shè)計(jì)并不常見(jiàn)，其中工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜與多變性尤其讓BIM設(shè)計(jì)在水利行業(yè)的推廣放緩腳步。

基于城市水廠建設(shè)是水利行業(yè)建設(shè)工程的重要組成，并且擁有參建專業(yè)繁多配合緊密以及基礎(chǔ)處理工藝相近具有代表性等特點(diǎn)，本文主要以北京市通州水廠三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目為案例，通過(guò)分析Bentely平臺(tái)的搭建以及多個(gè)電氣軟件配合建模的應(yīng)用實(shí)效，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中一些存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。

一、通州水廠項(xiàng)目概述

北京市通州區(qū)處于北京市城市自來(lái)水管網(wǎng)供水東部末端，現(xiàn)狀供水條件無(wú)法滿足遠(yuǎn)期規(guī)劃要求，通州水廠項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目是北京市南水北調(diào)工程的一個(gè)配套工程，位于北京市通州區(qū)城市副中心通州文化旅游區(qū)內(nèi)，緊鄰北京環(huán)球影城，是未來(lái)城市副中心建設(shè)和發(fā)展的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施保障。項(xiàng)目設(shè)計(jì)供水規(guī)模一期為20萬(wàn)立方/日，二期工程規(guī)模達(dá)到40萬(wàn)立方/日，提供了155平方公里服務(wù)范圍內(nèi)90萬(wàn)人62.9%的生活、生產(chǎn)用水供給，使地區(qū)供水能力提升至2011年的2.8倍，供水安全系數(shù)提升至1.33。同時(shí)以外調(diào)地表水置換本地地下水供水，使本地地下水源供水占比由2011年的74.2%下降至21.4%，每年減少地下水開(kāi)采477萬(wàn)立方米，使地下水源得以涵養(yǎng)。因此，通州水廠這一汪清水將為優(yōu)化首都水資源配置，保障北京城市副中心供水安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)重大意義。

該項(xiàng)目共涉及14個(gè)專業(yè)，涵蓋建筑、水工、水利機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、電氣、自動(dòng)化、工藝、暖通、測(cè)繪、地質(zhì)等專業(yè)，所有專業(yè)設(shè)計(jì)均基于Bentely協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行全面的協(xié)同設(shè)計(jì)。利用協(xié)同平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化專業(yè)在設(shè)計(jì)初期即可展開(kāi)工作，與各專業(yè)配合同時(shí)，使用三維建模軟件將建設(shè)內(nèi)容生成三維模型，在后期與各個(gè)專業(yè)模型的“整體拼裝”過(guò)程中，高效緊密的與各專業(yè)配合組模、碰撞檢測(cè)、施工出圖。在此過(guò)程中，三維設(shè)計(jì)在水利行業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常直觀的體現(xiàn)了出來(lái)，但與此同時(shí)，仍存在一些問(wèn)題有待探討與解決。

下文將針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)化三維設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

二、三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)

2.1建設(shè)目標(biāo)

1、建立水廠標(biāo)準(zhǔn)化三維設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式，全過(guò)程、全專業(yè)進(jìn)行水廠三維協(xié)同設(shè)計(jì)，完成水廠設(shè)計(jì)在ProjectWise（簡(jiǎn)稱PW）平臺(tái)的環(huán)境布置。

2、建立三維信息模型、生成施工圖紙并完成工程量統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電纜的自動(dòng)敷設(shè)和統(tǒng)計(jì)電纜材料清冊(cè)。

3、進(jìn)行跨專業(yè)模型碰撞檢查，減少設(shè)計(jì)誤差提高設(shè)計(jì)質(zhì)量， 減少施工時(shí)材料浪費(fèi)，降低施工成本并提高設(shè)計(jì)效率。

2.2建設(shè)方案

2.2.1系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成

該項(xiàng)目三維協(xié)同設(shè)計(jì)采用Bentely的ProjectWise協(xié)同平臺(tái)。通過(guò)授權(quán)以相應(yīng)的人員及權(quán)限管理，使各個(gè)專業(yè)的工程師共享數(shù)據(jù)和模型。由于本文針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的三維建模著重分析，故針對(duì)ProjectWise協(xié)同平臺(tái)的詳細(xì)內(nèi)容不在本文體現(xiàn)。

2.2.2專業(yè)建模平臺(tái)

1、基礎(chǔ)建模平臺(tái)

利用MicroStation（簡(jiǎn)稱MS）軟件作為三維建模的基礎(chǔ)圖形平臺(tái)。

2、專業(yè)建模軟件

利用Substation和Bentely Raceway and Cable Management（簡(jiǎn)稱BRCM）兩款專業(yè)建模軟件，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)中的盤柜、橋架、電纜布置等建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行專業(yè)建模及電纜設(shè)計(jì)。

三、三維協(xié)同設(shè)計(jì)

3.1三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程

該項(xiàng)目將三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程分為3步驟，三維建模、三維校審、三維出圖。

基于城市水廠工程自身的特點(diǎn)，結(jié)合了平面設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程，整個(gè)項(xiàng)目在BIM設(shè)計(jì)流程中做了部分環(huán)節(jié)的調(diào)整。

3.2三維實(shí)體建模

3.2.1三維建模

在北京市通州水廠工程項(xiàng)目中，主臭氧、活性炭濾池及設(shè)備間、高效沉淀池、砂濾池、泵房及總配電室、臭氧制備間等多個(gè)專業(yè)性建筑單體，以及綜合辦公樓等管理型建筑單體，基本覆蓋自動(dòng)化專業(yè)在城市水廠中所有建設(shè)內(nèi)容。自動(dòng)化系統(tǒng)在劃分為監(jiān)控、通訊、網(wǎng)絡(luò)、建筑樓宇、火災(zāi)報(bào)警等多個(gè)子系統(tǒng)。在三維建模過(guò)程中，根據(jù)子系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，依據(jù)不同單體不同系統(tǒng)進(jìn)行建模。繪制的三維模型有：監(jiān)控盤柜、液位計(jì)、壓力傳感器、橋架、埋管、各系統(tǒng)控制柜、控制箱、火災(zāi)報(bào)警器、煙感及溫感裝置、監(jiān)控大屏、攝像機(jī)、各類信息接口等等自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備。

其中，各類控制盤柜、火災(zāi)報(bào)警裝置、液位計(jì)攝像機(jī)等設(shè)備運(yùn)用SubStation軟件進(jìn)行建模，由于此軟件涵蓋設(shè)備型號(hào)不完全，所以在建模過(guò)程中與MS軟件合并使用，對(duì)模型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，同時(shí)使用MS軟件直接建立三維模型。

在橋架、埋管以及電纜敷設(shè)的三維設(shè)計(jì)中，以BRCM軟件為主要建模軟件。通過(guò)定義電纜橋架、電氣盤柜及電力電纜的屬性實(shí)現(xiàn)電力電纜的自動(dòng)敷設(shè)，將電纜統(tǒng)計(jì)的工作交付計(jì)算機(jī)處理，擺脫純手工的統(tǒng)計(jì)方式。同時(shí)，經(jīng)過(guò)后臺(tái)布纜的設(shè)計(jì)方案可調(diào)，可以進(jìn)行人工優(yōu)化，體現(xiàn)出了BIM三維設(shè)計(jì)中工作效率的提高同時(shí)也具備靈活性。

3.2.2三維校審

三維協(xié)同設(shè)計(jì)的校審過(guò)程主要通過(guò)設(shè)計(jì)軟件自帶的碰撞檢測(cè)功能，這個(gè)功能尤其體現(xiàn)出BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。

3.3三維出圖

相對(duì)于既有的二維平面圖紙的成果交付現(xiàn)狀，三維數(shù)字化產(chǎn)品的交付在現(xiàn)如今的大環(huán)境下還不具備普遍應(yīng)用的條件。受制約的因素有很多，包括社會(huì)整體行業(yè)水平的參差不齊，以及管理單位在后期運(yùn)維方式上仍處于不斷探索狀態(tài)等多方面因素。該工程則采用利用三維模型直接剖切斷面，提取出二維圖紙，其中利用PDF軟件，生成動(dòng)態(tài)的軸側(cè)PDF圖紙。這種成果呈現(xiàn)方式，更加直觀、清晰的表達(dá)出了設(shè)計(jì)意圖，給業(yè)主及管理單位以更明朗的設(shè)計(jì)展示，同時(shí)可以幫助施工單位更好的理解圖紙內(nèi)容，從而減少因?yàn)椤翱床欢痹O(shè)計(jì)圖紙而造成的施工中的問(wèn)題，以降低施工成本。

四、案例總結(jié)與問(wèn)題淺析

4.1案例總結(jié)

北京市通州水廠項(xiàng)目采用BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)手段后，將二維設(shè)計(jì)周期有效的縮短，多個(gè)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)達(dá)到了高效作業(yè)有效出圖等設(shè)計(jì)要求。從這個(gè)項(xiàng)目不難看出，由于充分利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在清楚表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、提高設(shè)計(jì)效率的前提下，大量采用三維軸測(cè)圖配以平（剖）面圖的表示方法，賦予了圖紙更多的信息，從設(shè)計(jì)一方的角度，給建設(shè)方、施工方以更便捷、高效的服務(wù)以及指導(dǎo)。

ProjectWise軟件作為協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，便于建設(shè)方、設(shè)計(jì)方和施工方在設(shè)計(jì)前、中、后期對(duì)基本設(shè)計(jì)資料、三維信息模型、二維圖紙及工程量統(tǒng)計(jì)表等信息隨時(shí)共享，應(yīng)用BIM設(shè)計(jì)同時(shí)方便參建各方對(duì)于項(xiàng)目進(jìn)度和總體概況有了更加直觀的了解。

MicroStation、SubStation以及Bentely Raceway and Cable Management（BRCM）的應(yīng)用過(guò)程中，三維建模相對(duì)于二維繪圖的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，尤其是在多專業(yè)間模型的碰撞監(jiān)測(cè)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)精細(xì)化作業(yè)，高效率的查出多處模型碰撞信息，這些與施工現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息基本一致，預(yù)計(jì)三維模型的碰撞檢查功能今后可以極大的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可大幅削減圖紙審核工時(shí)和不必要的施工成本。

4.2問(wèn)題分析

新技術(shù)帶來(lái)的全新的設(shè)計(jì)變革的同時(shí)，也意味著自動(dòng)化專業(yè)在水利行業(yè)中的三維設(shè)計(jì)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)想，當(dāng)它真正被應(yīng)用在實(shí)際工程中的時(shí)候，所迸發(fā)出的一系列問(wèn)題也需要軟件開(kāi)發(fā)方與設(shè)計(jì)人員共同探討、研究；

（1）模型庫(kù)匱乏，降低工作效率

眾所周知，在這個(gè)信息化的時(shí)代，BIM設(shè)計(jì)決不是單純的三維模型所能滿足的。信息模型所包含的不僅僅是物體的多邊形表示，更重要的是模型本身附帶的屬性。軟件公司提供的模型庫(kù)僅包含市場(chǎng)中一部分設(shè)備型號(hào)，當(dāng)模型庫(kù)中找不到與工程所對(duì)應(yīng)的設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)人員大量的精力就用在了構(gòu)建三維立體模型上，設(shè)計(jì)人員并不都是學(xué)習(xí)建模軟件出身，在建模過(guò)程中對(duì)軟件的熟悉運(yùn)用能力也參差不齊，所以勢(shì)必要花費(fèi)更多的精力時(shí)間在構(gòu)建單純的模型中，這反而降低了設(shè)計(jì)方的工作效率。

由于自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展非常迅速的特性，如何將模型庫(kù)與市場(chǎng)上日新月異、不斷創(chuàng)新的設(shè)備相匹配？由設(shè)備廠家附帶設(shè)備的三維模型？找專業(yè)制作三維模型的公司建模？由此帶來(lái)的成本又將如何核算？這些問(wèn)題還有待商榷。

（2）細(xì)節(jié)設(shè)備瑣碎，三維模型圖紙的精細(xì)化程度難把握

水利行業(yè)自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容廣泛，既有針對(duì)水利設(shè)施、機(jī)電設(shè)施等大型設(shè)

備的各項(xiàng)監(jiān)控器件，又有針對(duì)管理方后期運(yùn)維管理的各項(xiàng)視頻、通信、網(wǎng)絡(luò)等各種零散器件，其中包括規(guī)格較大的盤柜、橋架、管線等，同時(shí)也包括信息接口、各類傳感器、門禁等等小微設(shè)備，這些小型設(shè)備有的僅僅為嬰兒拳頭大小。目前在BIM三維設(shè)計(jì)的各項(xiàng)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于建模深度的問(wèn)題說(shuō)法不一。廣義而言，既然BIM作用于建筑全生命周期，包含建造過(guò)程及運(yùn)營(yíng)過(guò)程，那就應(yīng)該事無(wú)巨細(xì)，將工程中所有建設(shè)內(nèi)容體現(xiàn)在模型中，而后方可將建立出的模型結(jié)合成本數(shù)據(jù)庫(kù)，使能概算成本。然而要將一個(gè)嬰兒拳頭大小的小設(shè)備體現(xiàn)在占地30公頃的整體模型中，如何更加精準(zhǔn)清晰的體現(xiàn)細(xì)微設(shè)備的模型信息，也是需要慢慢摸索著解決的一個(gè)問(wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)：

作為行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)三維建模的方式終將取代現(xiàn)行的二維繪圖模式。雖然在實(shí)現(xiàn)BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中，涌現(xiàn)出的諸多問(wèn)題需要解決，但與此同時(shí)，搭載新技術(shù)以及新理念的設(shè)計(jì)方式成效顯著。相信伴隨著未來(lái)更多的水利項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)的啟動(dòng)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)技術(shù)能力、軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等眾多因素，必將更加完善、更加適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，以更完美、成熟的姿態(tài)服務(wù)于我們的工程建設(shè)。

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