工程建造領域3D數字化模型的動態碰撞校核技術研究

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越來越普及，建造吊裝過程中的單個分段或分片往往預安裝了各個專業的對象，使得總裝過程中的工況變的極為復雜，而在傳統的模型碰撞校核階段，通常只校核最終就位狀態下的碰撞，無法做到對整個施工過程中的動態實時碰撞校核。在分片安裝過程中，需要將分片從預制區域運輸至總裝區，再從總裝區安裝至就位區，期間很容易發生各專業間以及預安裝與新安裝對象間的碰撞，碰撞一旦發生，輕則增加現場修改工作量、過多占用吊機資源、耽誤工期，重則導致吊裝物碰撞損壞，造成重大經濟損失，所以施工過程中的動態碰撞校核非常重要。動態碰撞校核可以在施工前模擬施工過程，預測碰撞區域，提前做好碰撞區的保護工作。

三維模型的碰撞校核是BIM應用中最常用的功能，根據被校核對象的狀態，碰撞校核可分為靜態碰撞校核和動態碰撞校核，大部分三維軟件只提供靜態校核功能，也就是完工狀態下的碰撞檢測，無法做施工過程中的動態檢測。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，又可以對運動狀態中的對象進行檢測，自動找到碰撞位置，并允許用戶對碰撞結果進行管理。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模塊結合起來，就能實現工程項目施工過程中的動態碰撞校核。

本文詳細說明了如何利用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模擬的對象進行碰撞校核，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警信息。

1 模型準備

在進行碰撞校核之前，需要對Navisworks模型中的對象進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定施工動畫，模擬現場實際施工過程。

1.1 空間分類

根據建造方案，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格按照建造方案中各專業的實際說明來定義，此步是后續施工模擬和碰撞校核的基礎和前提，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碰撞校核的對象集合設定施工順序。

1.3 施工模擬動畫

依據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，此為動態碰撞校核結果準確的基本前提，見圖3 Navisworks模擬機械設備安裝過程示例。

圖3 Navisworks模擬機械設備安裝過程示例

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容，如校核某組塊第五層上的機械設備安裝過程中的碰撞，可以命名為“五層甲板片VS機械設備M1”，見圖4 創建碰撞檢測項目。

圖4 創建碰撞檢測項目

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)。確認選擇A和選擇B的顯示方式均為“集合”，此時樹形結構顯示為1.1中定義好的所有分類集合。

圖5 指定校核對象

2.2 設定碰撞規則和碰撞類型

Clash Detective提供“規則”選項，“選擇A”和“選擇B”中滿足“規則”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”規則，勾選該規則后，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 碰撞規則。

圖6 碰撞規則

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

設置欄中的“鏈接”，是實現動態碰撞的核心，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，實現動態碰撞校核。“鏈接”選項可以關聯由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，關聯動畫場景后，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 設定碰撞類型和鏈接施工模擬動畫

2.3 審核碰撞結果

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

圖8 審核碰撞結果

2.4 導出報告

動態碰撞的檢測結果可以輸出為報告，以方便指導修改施工方案和現場實際施工操作。

圖9 報告輸出設置

輸出的“報告格式”選擇html(表格)(見圖9)，結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，碰撞數量等關鍵信息。這些信息可用于指導施工方案的調整，避免實際施工過程中發生碰撞。

圖10 碰撞校核報告文件示例

3 結語

作為工程項目信息化的重要組成部分，3D數字化模型在越來越多的工程項目中得到應用，動態碰撞校核技術又進一步增強了3D數字化模型的應用深度，該技術利用Navisworks軟件強大的施工模擬功能和動態碰撞校核功能，預演整個施工過程，提前發現問題，減少施工風險，避免不必要的施工變更，為“一體化建造技術”實施提供技術保障，利于縮短施工工期，降低建造成本，能夠取得良好的經濟效益。