工藝設備與土建BIM三維協同設計研究

■中船第九設計研究院工程有限公司 張濤

本文對涂裝車間非標設備與土建BIM融合三維協同設計的完整體系進行探索。以建立涂裝車間非標構件與外購設備三維參數化系列基礎模型庫為基礎，實現設備模型與土建模型的成功交互，同時研究在現有設計流程框架下，各設計階段設備與土建BIM平臺協同出圖的具體路徑，實現涂裝車間三維協同設計示范應用。

背景介紹

涂裝車間二維設計現狀與痛點

傳統的涂裝車間工藝專業設計工作主要分為四個階段：前期設計（可行性研究、項目建議書、方案設計），初步設計，施工圖設計，施工圖深化設計（非標設計）。各階段設計工作各有側重，其中，施工圖設計階段與其他專業的協作工作最多（圖1）。

圖1 涂裝車間傳統二維設計成果

涂裝車間非標設備系統和非標構件工藝布置復雜，與土建公用專業的交叉較多，作為工業建筑的主導專業，工藝專業在各設計階段需要頻繁地與土建公用其他專業相互提資，在多輪溝通修改迭代后，完成設計成果。

傳統設計以歐特克公司的AutoCAD為主要平臺，不同專業之間的參考引用多數以圖塊或者底圖參照的方式進行。如果土建專業有修改，工藝專業需要重新制作插入圖塊，或者刷新參考引用。由于工藝與電氣、給排水、暖通等專業在設計過程中無法實時看到非本專業的初步成果，不同專業之間設備、管道、橋架、梁板的干涉碰撞情況時有發生。

三維土建BIM設計

由于機械設備行業與建筑行業制圖標準存在巨大差異，目前市面上還沒有一款軟件能同時完成設備和土建設計所需深度的建模、出圖工作。工程設計階段一般都是將事先建立的設備模型轉換導出到土建BIM軟件能導入的格式，完成兩者的協同設計；非標設備設計階段則是將土建模型導入到設備設計軟件平臺來完成。

目前，以歐特克公司的Revit軟件為代表的BIM設計工具已基本滿足一般土建公用類設施的設計需求。

三維工藝設備設計

涂裝車間設備類型較為復雜，而且各工藝設備系統之間、工藝設備與土建公用之間往往穿插關聯（圖2）。其中，非標類設備包括雙缸噴砂機、真空吸砂機組、帶式輸送機、斗式提升機、丸塵分離器、螺旋輸送機、柔性升降大門等；通風除塵凈化類設備包括軸流風機、離心風機、濾筒除塵器、除濕機、燃氣加熱箱、CCH輻射加熱器、送風風機箱、有機廢氣處理裝置等；承壓類設備包括儲氣罐、冷干機、壓力管道等；鋼結構類包括儲丸箱、集丸斗、蓋板、格柵、沖孔板、支架、梯子、操作平臺等；電氣控制系統類設備包括配電柜、控制柜、終端箱、操作臺、模擬屏、傳感器、報警器等。

圖2 涂裝車間工藝設備三維模型布局

除此之外，車間還包含各類管道系統（通風除塵管道系統、真空吸砂管道系統、噴砂機管道系統），以及儀表、閥門等。外購設備的設計深度一般只要求外輪廓和對外接口尺寸準確即可，但自制設備、鋼結構、管道、管件類，其設計深度一般要求能滿足現場切割、加工、組裝、定位需要。

各設計階段技術路徑

前期方案階段

前期方案階段是項目建議書、可行性研究、方案設計等工作的統稱。涂裝車間前期設計成果一般包括車間總體規模、間數、長寬高主尺度、機房層數、方案效果圖渲染等（圖3）。該階段一般對設備、管道詳細布置情況不作要求。歐特克Revit、達索Solidworks均可完成方案模型并渲染出效果圖。

圖3 前期方案階段設計成果示例

初步設計及施工圖階段

初步設計及施工圖階段主要設計成果包括外購設備布置、非標設備布置、管道走向、土建留孔埋板資料等。

這兩個階段以土建公用專業所用的歐特克Revit為主導，并在達索Solidworks中建立好外購、非標設備粗略模型后，轉換成合適中間格式（STP、ADSK、IGS等），再導入到歐特克Revit中做工藝布置設計。工藝設備及管道所需的留孔、埋板信息，待設備布置完成后，在歐特克Revit中通過建模操作添加。工藝布置完畢后，添加設備功率等屬性信息，用于后續生成設備材料表。

歐特克Revit、達索Solidworks兩個軟件平臺均屬于PARASOLID、ACIS內核系列軟件，在模型格式轉換時可以最大程度保留各專業建模過程數據，并保證后續協同設計階段的兼容性（圖4）。

圖4 兩個軟件平臺的模型交互

隨著設備模型的不斷積累，直至整個車間所需模型庫建立完備，該階段設計工作將越來越快速、精準。

施工圖深化及非標設計階段

施工圖深化及非標設計階段主要設計成果包括詳細的零部件加工信息、設備組裝信息、管道和管件的詳細加工裝配信息等，并且需要計算出準確的材料用量（一般為重量或面積）。

該階段選擇非標設備鋼結構行業最普遍應用的達索Solidworks為主要平臺，同時將土建BIM歐特克Revit制作的土建模型轉換成合適中間格式，導入到達索Solidworks軟件平臺，以便在鋼結構、管道、非標設備布置設計過程中作定位參照（圖5）。

圖5 非標設備設計示例

在傳統的二維設計中，該階段是將土建二維圖紙以圖塊形式導入設備圖紙作為參照，利用建筑軸線來定位設備。三維設計中，利用建筑軸線生成系列參考基準面，作為設備和管道的三維空間定位基準。

三維設備和構件模型可以在設計過程中，實時調用有限元模塊進行分析計算，并根據結果作適當優化調整，以便達到結構安全系數和材料經濟性的最大平衡。

安裝施工運維階段

安裝施工運維階段在完成設計模型后，可以制作出涂裝車間工藝設備總承包標準化施工工藝流程仿真動畫，減少不同施工隊伍作業水平不一的問題。在此過程中，可以直接利用設計階段所建立的設備、土建模型。

設計模型還可直接應用于涂裝車間數字化管控軟件平臺，便于集成全車間3D數字孿生模型、報警信息快速定位、車間運行情況直觀展示、車間數字資產等。

設計成果

三維模型出二維圖紙

前期方案、初步設計、施工圖階段，在手動添加設備和構件屬性后，歐特克Revit軟件平臺可以方便地生成該階段所需的二維工程圖紙和設備材料表，表格會自動統計設備臺套數。

施工圖深化、非標設備設計階段，達索Solidworks軟件平臺可直接從裝配模型方便地生成施工現場所需的二維工程圖紙，其中包括傳統二維設計所需的局部剖視圖、節點圖等，并符合機械設備、管道設計相關規范，軟件可自動計算材料用量（圖6）。二維圖紙圖框格式可以根據實際工作要求自行定義。

圖6 從三維模型生成二維圖紙

三維模型對外演示

設計模型可以在方案比選匯報中實時多角度展示，并可快速展示剖切、爆炸等視圖，以增強理解。

對于沒有安裝三維設計軟件的場合，可以事先利用COMPOSER插件模塊，將三維模型直接插入到PPT文件中（圖7），方便對外交流展示。該插件也支持旋轉、剖切、爆炸等多種視圖。

圖7 三維模型直接嵌入PPT文件

在基于HTML5類智能化車間三維數字資產運維平臺中使用模型前，需要將模型輕量化，以大幅壓縮模型文件占用帶寬，提升加載速度。具體手段包括刪減修飾特征，如圓角、倒角、陣列，將裝配體文件合并保存為單一零部件文件，轉換為STL、OBJ、FBX等輕量化模型格式等。

總結

通過三維參數化工藝設備與土建BIM平臺進行協同設計，可以在設計階段提前被發現并排除原本在施工現場才會暴露的干涉、碰撞問題，這是三維設計相對于傳統二維工程設計最明顯的優點。

“工欲善其事，必先利其器”，與傳統二維設計需要收集積累設備樣本資料一樣，三維設計的順利推進，也需要在前期積累大量的模型庫，其主要包括非標工藝設備、各類標準件、土建構件等。三維設計的最大工作量在于建立模型，并將設計參數附加到模型之上，在完成這些工作之后，生成二維工程圖紙和設備材料表的工作量相比傳統二維設計可大幅縮減，讓設計人員真正把精力投入到優化設計方案上來，而不是反復調整圖紙格式，這也有利于設計成果的質量提升。