變曲率弧形成排管線BIM優化方法研究

杜 旭 王小淘 薛 橙

陜西建工第一建設集團有限公司 陜西 西安 710068

近年來，越來越多的建筑設計因功能要求或新穎造型將主體結構設計成弧形結構方式，安裝專業的管線為配合主體結構，也要隨空間設計成弧形?；⌒喂芫€無論是現場施工、BIM深化設計、預制加工都難于一般管道。本文基于實際項目弧形管線的深化設計與現場施工，試用了多種方法對弧形管線進行建模、深化設計，根據各種方法對比，總結出一套變曲率弧形成排管線高效優化的方法。該方法成本低、效率高、定位準確，為弧形管線預制拼裝提供了基礎保障[1-4]。

1 工程概況

西安國際足球中心項目位于灃東新城中央商務區內，西安新中心新軸線東側，復興大道以東，科源一路以西，科統三路以北，科統四路以南。

本項目為EPC工程，用地規模約186 667 m2，總建筑面積25.12萬 m2，包含1座60 000座專業足球場，2塊國際標準室外訓練場，結構形式為框架-鋼結構，地下1層，地上6層，其中，地上部分建筑面積16.19萬 m2，地下建筑面積8.93萬 m2；總建筑高度63.9 m。西安國際足球中心是2023年亞足聯中國亞洲杯主場館之一，是符合亞足聯標準的現代化專業足球場（圖1）。

圖1 西安國際足球中心項目效果圖

本項目因場館外形影響，大部分走廊為弧形結構，弧形由多個曲率半徑擬合而成，機電管線繁多，給BIM深化設計帶來很大困難（圖2）。

圖2 項目弧度為多個曲率半徑擬合而成

2 弧形管道優化流程

弧形結構管線安裝中，常用的方法是：根據機電專業設計圖紙，在現場放樣弧形曲率半徑等參數，管線煨彎或通過管件調整直管段角度形成弧形管線。但這在變曲率與管線數量繁多的情況下并不適用，需要優先使用BIM技術對復雜弧形管線進行綜合排布，使同一區域的管線與結構空間曲率半徑一致，排布整齊美觀。

經過在西安國際足球中心項目的實踐，變曲率弧形多管線優化流程為：

1）根據圖紙創建三維模型。先根據設計院二維圖紙創建各專業三維模型，此時弧形管線創建僅保證管線系統、材質、尺寸、連接方式設置正確，路由建模完整，為下一步方案排布打下基礎（圖3）。

圖3 全專業弧形管線建模

2）確定管綜排布方案。三維模型創建完畢即可進行方案排布，以一個弧形走廊為例，截出管線最密集部位剖面進行預排，以主梁底高度為上限高度，凈空要求高度為下限高度排布管線，排布時按照施工規范和避讓原則，結合各管線走向調整管線順序，預排出排布方案（圖4）。

圖4 剖面預排布

3）弧形管線確定曲率半徑。確定排布方案后，就可按照剖面中管線位置確定各管線的曲率半徑擬合路徑。創建滿足項目需求的弧形管道輔助建模族，通過調整族參數，可快速完成成排弧形管線曲率調整，使同一位置管線弧度統一，確?，F場施工成果整齊美觀（圖5）。

圖5 弧形管道成排排布

4）綜合支架設計。弧形管線調整完后，進行碰撞檢測，驗證預排方案是否可行，調整預排方案，得到優化排布方案。以管線剖面設計支吊架形式，以弧形管線彎曲位置定位支吊架位置，創建支架模型（圖6）。

圖6 弧形管線支吊架布置

5）調整支管位置。支架模型創建后，再次進行檢測，消除支架與各管線支管間的碰撞，確定支管開口位置。

6）繪制弧形管段加工圖。確定弧形管線曲率半徑和支管開口位置后，就可對管線精確分段，繪制弧形管段加工圖。加工圖中對各管段進行編號，標注各管段系統、管徑、長度、彎曲半徑等加工參數，各專業根據加工圖加工弧形管段。

7）支吊架和管線安裝。最后現場按照BIM深化圖紙進行施工，保證各專業管線同一位置與弧形結構弧度一致，成排成線，施工一次成優（圖7）。

圖7 西安國際足球中心弧形管線現場照片

3 創建弧形管道的方法對比

電纜橋架、風管的彎頭建模與加工不受角度和管件限制，在此主要討論弧形管道的建模方法。利用Revit軟件建模，因軟件底層架構原因，不支持創建弧形管道和大于175°的管道彎頭，這就限制了三維管線綜合在弧形管道方面的應用。通過項目應用經驗，在此列舉幾種變通的方法，并對建模效率、問題及成果影響進行分析。

3.1 創建“弧形管段”族替代弧形管道

通過創建專門的“弧形管段”族來替代弧形管道，利用放樣方法可很快創建出所需弧度的族，并可通過參數化控制管道尺寸，如圖8所示，此時弧長L=2πRarcsin(l/2R)/180，其中：R為弧形半徑；l為弧形管段對應弦長，為可調參數。

圖8 “弧形管段”族和參數設置

優點：模型與采用煨彎施工的實際管道一致，可快速計算出每段弧形管段的大致長度。

缺點：無法添加管道連接件，無法連接支管，改變曲率半徑需單獨調整每個管段的弧度，不利于管綜調整，無法分段，出加工圖較困難。

適用于弧形部分機電管線簡單、曲率半徑單一的位置，可快速排布出管綜方案，避免多次調整弧形管段。

3.2 利用軟管功能替代弧形管道

利用Revit軟件中的軟管功能，可畫任意弧度管道，如圖9所示，弧長L＝軟管長度。

圖9 用軟管功能繪制弧形管段

優點：建?？焖?，弧形，可與其他直管段連接。

缺點：無法添加管道連接件，無法連接支管，通過弧形頂點確定弧度且弧度調整不精確，不能調整標高，不利于管綜調整，達不到加工圖精度。

適用于弧形部分機電管線簡單、需要快速出效果圖等精度要求不高的模型成果。

3.3 管道＋軟管混合替代弧形管道

利用直管段＋軟管結合，小于175°的彎用彎頭管件連接，大于175°的彎利用軟管連接，如圖10所示。

圖10 用直管段＋軟管結合創建弧形部分模型

優點：模型與通過管件調整直管段角度形成弧形管線施工的實際管道方式相同，可精確生成加工圖；可添加連接件、閥門；可連接支管；可改變曲率半徑；控制同排風管、電纜橋架、管道在同一位置彎曲；有利于管綜調整。

缺點：與煨彎施工實際管道不同，建模效率有降低。

在西安國際足球中心項目中，主要選用第3種弧形管道建模方法：現場大部分采用通過管件調整直管段形成弧形的方法施工，有利于精確繪制加工圖；采用此方法建模，弧形管段和其他管段可連接，可保持系統完整；適用于機電管線復雜項目，可高效調整模型進行管線綜合排布，改變標高、平移管道等操作；對于局部采用煨彎施工的部位，也可通過CAD軟件快速轉換為相應加工圖紙。

4 提高管線綜合排布效率的方法研究

在管線綜合排布時，如何快速地將同一區域各專業管線曲率半徑調整一致也是難點之一。下面提供2種方法，能夠滿足不同情況下弧形區域快速調整成排管線要求。

4.1 弧形區域曲率不變

弧形區域曲率不變，為一個圓形的一部分，曲率半徑即圓形半徑，可采用同心圓分段輔助線族，快速調整管線統一曲率半徑，同一分段長度和位置。輔助線族制作方法如下：采用內接多邊形替代圓形，設置族的半徑和分段數量來控制圓弧拆分的精細度，如圖11所示。其中，半徑R、管段分割n、角度α為可調參數，可得出圓心到管線中心偏移量h＝R·cos(180°/n)；L弦＝2R·sin(180°/n)；L弧＝2πR/n。對于成排弧形管線，復制多根內接多邊形，通過參數調整每根輔助線的間距，用以輔助快速定位。

圖11 內接多邊形輔助原理和組合弧形輔助線族

將輔助族載入項目中，找到項目弧形結構圓心，與輔助族圓心對齊。根據排布好的剖面定位管線中心到圓心的距離，設置輔助族的半徑h和偏移量參數?？紤]實際施工的每段管道長度和角度，設置族的半徑和分段數量。創建好的弧形管線按彎曲位置批量打斷，將管線中心與輔助線對齊后連接每段管段，從而快速完成成排弧形管線的調整。

此建模排布方法優點為：弧形結構的項目通用，不需要其他軟件輔助，難度和成本低；可根據實際情況快速分段，獲得統一的彎頭角度，不建模型也可輔助現場快速提取弧形管段工程量；建立模型效率較高，模型精度可達到LOD400，可導出每段直管段長度、個數、彎頭角度等，有助于之后的工廠化預制加工快速出圖。

適用范圍：適用于曲率不變的弧形結構中。

4.2 弧形區域為不同曲率的弧形擬合而成

弧形區域為多個不同曲率的弧形擬合而成的項目，可拆分多個同心圓擬合出所需弧度輔助線，再復制多個，通過設置偏移參數組合成成排管線弧形輔助線。管段拆分位置需考慮擬合情況提前確定。

5 繪制弧形管段加工圖

機電模型管線綜合排布完成后，根據管線剖面設計綜合支架形式，以弧形管線彎曲位置、梁柱位置確定支吊架位置，創建支架模型。

支架模型創建后，再次進行碰撞檢測，消除支管與支架的碰撞，綜合弧形管線彎曲位置、管線末端位置，優化支管開口位置。確定了弧形管線曲率半徑和支管開口位置后，就可對管線精確分段，繪制弧形管段加工圖。加工圖繪制步驟如下：

1）根據管線綜合排布方案優化后模型，確定各弧形管線曲率半徑擬合點。不同管材、規格、曲率半徑的管線分別出具單獨的加工圖紙。

2）綜合考慮弧形管段長度、曲率半徑變化處、各類閥門安裝位置、支管位置、梁柱分布情況、各管線材料情況，以及管線綜合支架位置，確定各系統管線分割位置和支架數量，進行綜合管線分段。分割時從美觀角度考慮，需保證同一弧度區域內各管線分割位置在一個剖面位置上。同一曲率半徑的管線分割出的標準節數量最大化，可有效提高弧形管段加工效率。

3）按照弧形管段分割位置，繪制各專業加工詳圖，明確風管、管道、橋架的分段長度、曲率半徑等詳細參數信息并編碼，出具各管線弧形部分加工圖。弧形輔助線可直接作為該弧形管線的中心定位線，導出至加工圖中。各系統管段按加工圖制定詳細的批量預加工清單。

采用煨彎工藝加工的弧形管道，加工圖需標明弧形管段的曲率半徑R、端點直線長度、弦高、編碼等參數。使用3.1節方法創建的弧形管道可直接作為弧形管線中心定位線，導出至加工圖中。使用3.3節方法創建的弧形管道，需在CAD中將近似圓多邊形轉化為曲率半徑不變的弧形管道后，再進行后續的繪制和標注。

風管、橋架和利用管件形成弧度的管道，需在管件、閥門、管段拼接點以及其他設備連接處，適當擴充外接直線段長度，保證連接處在直管段進行安裝。需在加工圖中標明各專業管段長度、管件尺寸和角度、標記定位尺寸、編碼等參數。

6 結語

Revit軟件作為現今BIM技術應用最普及的軟件，僅利用建模手法和輔助類族來彌補軟件弧形管線功能上的缺失，有助于在有弧形結構的項目中推廣，提高弧形管線的綜合排布效率和管線加工精確度，同時提高了工廠化預制的預制率，實際施工中的弧形管段安裝質量和美觀度，縮短工期。這是縮減成本、創造經濟價值的綜合體現。