基于BIM 的碰撞檢查在市政水務項目協同設計中的應用

章 敏，龍虹池，俞小胖，吳人杰，胡歡梁，趙方圓

（杭州余杭環境控股集團有限公司，浙江 杭州 311121）

BIM（Building Information Modeling）技術是在計算機輔助設計（CAD）等技術基礎上發展起來的多維建筑模型信息集成管理技術，是傳統的二維設計建造方式向三維數字化設計建造方式轉變的革命性技術。推行BIM 技術應用，發揮其可視化、虛擬化、協同管理、成本和進度控制等優勢，將極大地提升工程決策、規劃、設計、施工和運營的管理水平，減少返工浪費，有效縮短工期，提高工程質量和投資效益[1]。建設項目傳統的設計模式是異地、異步、專業交叉進行的，BIM技術極大改變了線性推進的設計和建造模式，整合聯系了建筑、結構、管線等不同工程階段，通過信息的有效傳遞和交互可以有效地組織協調這些設計環節，提高設計效率并減少設計錯誤的產生。其中發揮重要作用的就是建筑信息模型（BIM）及其平臺。一個完善專業的BIM 平臺及模型在建設項目中的作用是超越時間和空間的，它能整合捕捉項目所有階段的信息與過程，為項目參與方提供統一的交流媒介，在這樣有力信息技術支撐下項目設計可以進入多專業全生命周期的協同設計模式[2]。其中多專業協同設計中的碰撞檢查是應用最為廣泛的一項。

水廠項目工藝流程繁雜，技術要求較多，是市政工程中一類重要項目，直接關系到社會民生，具有重要的社會和經濟效益。本項目水廠工程體量大，水處理工藝復雜，并且涉及工藝、結構、建筑、電氣、自控等眾多專業，這些特點增加了水廠項目在不同階段上不同專業之間協作的困難。應用BIM 技術可在很大程度上解決水廠項目在不同專業設計上的沖突問題。運用基于BIM 的設計方式，設計團隊可以更準時、更高質量、更高效地完成項目任務；可以優化各專業團隊工作流程，提高各個設計專業（建筑、結構、MEP 等專業）成果質量。基于BIM 的多專業協同設計根本優勢是能將項目信息分享給設計團隊的各專業成員，而不是以往各個專業之間是“信息孤島”，它有助于設計團隊成員能更早地參與到設計過程中，各個專業利用基礎模型進行單獨設計，取代單一的線性工作方式。除此之外，BIM 技術給各個專業之間提供了交流的平臺，利用平臺，各個專業之間可以共享設計成果，進行交叉設計和專業間的碰撞檢查，從而提高設計精度、優化設計。

1 碰撞檢查與基于BIM 的協同設計

目前行業內建設項目的設計和表達仍然使用平面圖紙，由于其平面圖紙信息載量的有限性，以及對空間位置表達的局限性，在平面中項目設計的沖突很難被發現，往往只能依賴設計人員的經驗與空間想象能力。而應用BIM 技術，將平面圖紙轉化為BIM 模型可以極大提升設計成果在信息和幾何上的信息豐度，而利用相關軟件技術可以實現3D 模型全方位、多尺度顯示，極大方便設計人員對設計成果的閱讀和理解，其數字化和標準化的信息也能供計算機進行讀取和分析，以此能夠快速、高效且定量地進行設計沖突和部件碰撞的檢查[3]。不僅如此，傳統的碰撞檢查對于不同專業間的沖突檢測非常困難，即使使用CAD 對設計圖紙進行傳遞和表達，設計人員解決不同專業間的碰撞問題也只能通過重疊圖紙對比，憑借自身經驗和空間想象力找出可能的設計沖突。這樣的沖突牽涉專業較多，且傳統住宅設計模式中缺乏信息交流的有效手段，很難對設計中的沖突進行全面檢測。

BIM 的協同設計是指以BIM 信息技術為支撐，將協同設計的理論與方法應用在項目的設計模式中，研究不同學科、不同專業、不同團隊成員之間如何在項目設計中進行協作配合，消解設計沖突，提髙設計效率[4]。項目的協同設計最主要的工作內容是不同專業之間的碰撞檢查及其更改，其中最重要的協同要素是模型標準一致且BIM 模型統一，它為BIM 的協同設計提供了協作的基礎，因此圍繞模型進行建立、維護、修改和更新是不同專業之間進行協同設計的主旋律。BIM 提供了一個單一的設計環境，即BIM 模型及其平臺，各個專業人員可以在同一個BIM 模型上對他們的工作成果進行添加并更新，讓不同專業人員可以實時觀察到其他專業的模型，從而及時發現專業間的模型和信息沖突，并進行解決[5]。通過BIM 系統對多專業之間進行信息模型協調審查與碰撞，可解決建筑、結構以及專業管線之間的問題和矛盾，對整個工程進行優化。而且由于使用BIM 技術后設計結果被數字化轉化和表達，可以進一步利用軟件輔助沖突檢測，并在三維的空間下快速高效發現并消解各類碰撞沖突，大大提高了設計效率。其解決的設計沖突減少了潛在的施工延誤、返工，對項目的建設效率和降低費用有非常重要的作用。

2 基于BIM 的協同碰撞檢查方法

為了能在水廠項目的設計中有效利用BIM 技術，提高不同專業之間在設計上的協同，避免發生不同建筑部件上的物理沖突和錯誤排列，盡可能降低施工返工的可能性，本文提出了水廠項目不同專業之間基于BIM 的碰撞檢查方法。

2.1 各個專業進行協同碰撞檢查的通用流程

立足于目前的工程實際，從項目專業設計圖紙出發，對其進行專業模型的BIM 建模，對于結構和管線工程等后置工程可以在先前建立好的建筑模型基礎上進行專業擴展及建模。建立模型首先需要對其進行審查以確保符合項目建模標準，這樣不同專業模型才能完整順暢地進行相互轉化和導入，為不同專業之間的模型碰撞檢查提供基礎，幫助實現設計上的協同。進行專業內部的碰撞檢查，確保本專業建模的準確性和有效性。之后通過項目統一的BIM 平臺導入其他專業BIM 模型或綜合BIM 模型與本專業模型進行組合，進行專業間模型的碰撞檢查，該流程是不同專業間基于BIM 的碰撞檢查的重要部分。當通過專業間的碰撞檢查后，模型可以被發布到協同工作平臺中，充實或更新平臺的模型庫，具體如圖1所示。

圖1 各專業進行協同碰撞檢查的通用流程

2.2 項目各專業基于BIM 的協同碰撞檢查模式

該協作模式以項目設計進展為線索，展示了建筑、結構和管線3個不同專業之間在碰撞檢查上的協作模式。首先是建筑設計階段的建模及碰撞檢查，該階段幾乎包含了項目的整個設計階段，因為建筑設計作為頂端設計必須時刻接受下游專業設計的意見反饋，當出現不可調和的設計沖突時，有必要從建筑設計上進行更改。隨著項目進程的推進，不同專業陸續參與到協同設計過程中，并不斷豐富項目綜合模型庫，最終形成各專業都協同共存的項目模型。利用這樣的模型可以提前解決項目不同專業施工時可能發生的碰撞沖突問題，確保所有專業工程按照設計順利施工，具體如圖2所示。

圖2 項目各專業基于BIM 的協同碰撞檢查模式

3 案例研究

本文以某水廠項目為依托，在不同專業的設計過程中應用提出了碰撞檢查方法，通過將現有設計圖紙按項目BIM 應用標準轉化為3D BIM 模型后，不同專業按照本方法依次對模型進行審查、內部碰撞檢查和專業間碰撞檢查等操作，最后通過碰撞檢查結構或進行本模型更改，或通過本方法協同設計模式與其他專業進行協商溝通，協同解決設計沖突問題，實現設計上的協同。

3.1 項目簡介

本市政水務項目為某市自來水廠工程，廠區工程建設內容為近期規模20 萬m3/d、遠期規模30 萬m3/d、遠景規模40 萬m3/d 的凈水廠1 座，包括廠區內各生產建（構）筑物、污泥處理設施和廠前區的工藝、建筑、結構、電氣、自控、工程經濟、景觀、綠化等各專業內容。其中廠前區和部分輔助建（構）筑物按照遠景40 萬m3/d 規模一次性建成，其余按照近期20 萬m3/d 規模建設。工程總投資近20 億元。凈水工藝采用“折板絮凝+平流沉淀+氣水反沖洗濾池+臭氧氧化+活性炭過濾處理工藝”的處理路線，工藝流程及涉及到的構筑物如圖3所示。

圖3 本項目采用的凈水工藝及涉及的構筑物

3.2 建筑設計碰撞檢查

首先進行建筑專業內的碰撞檢查。應用本方法，先根據建筑設計圖進行建筑模型的創建，通過將平面圖紙轉化為三維模型，設計模型的信息豐富程度極大增加，也變得更加方便相關人員閱讀和理解，直觀找出各處碰撞點，也可以借助相應的算法快速獲得建筑部件之間的相對位置和碰撞發生處。在本項目的應用實例中，建筑設計專業內的碰撞檢查中發現了軟碰撞，即不符合建筑設計要求的空隙或間隔，有12 處。發現的硬碰撞，即部件之間發生重疊或交叉以至于不能在空間中共存，有15 處。其中特別報告有如下幾處：①2#二層、三層平面圖右側柱與結構柱尺寸不一致，梁突出柱邊（如圖4所示）；②FM1222 門與1KL10 梁碰撞，梁底標高0.25 m，地面標高﹣1.85 m，高度僅為2 m，門高度2.2 m（如圖5所示）；③LM1528 門平面位置與立面位置匹配不上（如圖6所示）。

圖4 原建筑設計平面圖與3D 模型檢測到的設計沖突（2#二層、三層平面圖右側柱）

圖5 原建筑設計平面圖與3D 模型檢測到的設計沖突（FM1222 門）（單位：mm）

圖6 原建筑設計平面圖與3D 模型檢測到的設計沖突（LM1528 門）（單位：mm）

3.3 結構設計碰撞檢查

根據圖1所示流程進行結構專業的碰撞檢查。結構設計利用已有結構設計圖進行BIM 建模，并需要符合本項目的建模標準和交互標準，使其可以與建筑模型進行結合和轉化。在建筑模型的基礎上對結構模型進行建模。在本項目的應用實例中，結構設計專業內的碰撞檢查共發現了軟碰撞9 處，硬碰撞6 處。結構專業與其他專業間協同碰撞檢查共發現了軟碰撞8處，硬碰撞7 處。其中特別報告有如下幾處。

3.3.1 結構專業內碰撞檢查結果分析

KZ1 柱與LC1533 梁碰撞如圖7所示。

圖7 原結構設計平面圖與3D 模型檢測到的沖突（KZ1 柱與LC1533 梁碰撞）（單位：mm）

3.3.2 結構與建筑專業間協同設計及碰撞檢查情況分析

西立面左側百葉窗與梁碰撞如圖8所示。

圖8 原建筑設計圖與建筑、結構聯合3D 模型檢測到的沖突（西立面左側百葉窗與梁碰撞）

3.4 管線設計碰撞檢查

水廠項目的管線工程是項目的重要部分，其影響到項目的很大一部分使用功能。因此對管線設計的碰撞檢查需要尤其重視。由于該項專業工程通常在主體和副結構完工后才開始進行，因此其專業間協同設計需要對建筑和結構的綜合模型進行考慮。在本項目的應用實例中，管線設計專業內的碰撞檢查共發現了6處碰撞問題。而管線專業與其他專業間的碰撞檢查發現軟碰撞有9 處，硬碰撞有4 處。其中特別報告有如下2 處：WL-6、LM 立管撞柱子（如圖9所示），管線、建筑、結構聯合3D 模型檢測到的沖突（如圖10所示）。

圖9 管線、建筑、結構聯合3D 模型檢測到的沖突與原管線設計圖（WL-6、LM 立管撞柱子）

圖10 管線、建筑、結構聯合3D 模型檢測到的沖突

排煙機房接三軸外墻防雨百葉尺寸為1 000 mm×600 mm，柱子與墻凈距980 mm，排煙管過寬。

4 結果分析

本文主要從專業內和專業之間2個方面對以碰撞檢查為主題的BIM 多專業協同設計進行應用。其中建筑、結構和管線3個專業內的碰撞檢查結果表明，3D模型有效發現了平面圖紙設計的各類設計沖突和錯誤，幫助項目團隊及時有效地對相關錯誤進行更改，避免將錯誤遺留到施工中造成更大的項目損失。專業內各專業碰撞檢查發現的設計沖突和錯誤匯總如表1所示，共發現沖突或錯誤48 項，其中建筑27 項，涉及到的建筑部件體量90 m3；結構專業發現沖突或者錯誤15 項，涉及到的結構部件體量70 m3；管線發現沖突或者錯誤6 項，涉及到的管線長度19 m。

表1 專業內碰撞檢查結果匯總

若以建筑或結構設計階段每項錯誤可能導致的施工延誤2 d，采取措施或返工費用增加1 萬元來計算，本項目應用本文提出的基于BIM 的碰撞檢測方法預計幫助項目在建筑設計階段節約工期54 d，節省費用27萬元，在結構設計階段節約工期30 d，節省費用15 萬元。而以管線設計階段每項錯誤可能導致的施工延誤2 d，采取措施或返工費用增加5 000 元來計算，本項目應用本文方法在管線設計階段節約工期12 d，節省費用3萬元。

對本項目在各專業協同設計中應用專業間碰撞檢查方法發現的設計沖突和錯誤匯總如表2所示，共發現沖突或錯誤34 項，發起設計更改19 項。其中導致的結構設計更改11 項，管線設計更改8 項。以上述類似方法計算，可以發現基于BIM 技術的各專業間協同碰撞檢查共節約工期68 d，節省費用19 萬元。

表2 專業間協同設計中碰撞檢查結果匯總

從專業內的碰撞檢查和專業間的協同設計中所發現和更改的錯誤來看，專業間的協同也發現了大量的專業內無法發現的碰撞和設計沖突，約占所有碰撞問題的42%，并發起了不同專業之間的設計協商和更改請求，牽涉了更多的設計團隊參與工作，在節約項目費用和工期上得到了顯著的工程價值，可見專業協同在碰撞檢查中的重要性和必要性。

5 結論

由于目前BIM 技術在協同設計上的巨大價值，本文提出了基于BIM 技術的協同碰撞檢查方法，并于某水廠項目的設計過程中成功應用。應用結果表明，通過將平面圖紙轉化為三維模型，設計中的各類沖突和碰撞問題可以更加方便地被發現和檢測出來。更為重要的是，本文方法還涉及到了不同專業之間的協同檢查，在保證專業模型符合同一模型標準和交互規則后，各專業模型可以與BIM 平臺中的專業模型庫進行無縫導入和交互，為不同專業之間的協同碰撞檢查提供了基礎。從協同碰撞檢查的應用結果可以看出，其發現大量的錯誤和提起的更改請求，證明專業間的協同碰撞檢查在工程實際中具備非常重要的價值，值得重視。