上海市水利院水利工程BIM設計流程研究

卓鵬飛

模型作為BIM技術的載體，建立模型的過程則是BIM技術的基礎工作和前提。模型的正確與否直接影響著BIM綜合交付的高效協作水平。模型的創建效率直接決定BIM技術的發展效益。

技術人員多根據經驗完成建模工作，但各行業建立模型的規則差異較大，水利工程建模的方法及流程更無規可循。現有BIM標準多集中于BIM技術體系的整體架構，除了模型自身的核心數據如IFC數據結構外，對三維模型確立的內在流程和組織關系較少涉及。

BIM模型可以分為兩類：第一類作為設計方案的翻版模型，即翻模，大多依賴于設計方案自身的正確性與合理性，翻模無需進行較復雜的校審和版本變更；第二類作為整體設計方案及優化的完整BIM模型，即正向模型，被作為設計或全壽命期交付數據對象，包含了設計意圖與明細方案，版本控制的工作量呈現幾何倍數增長，需要建立完全區別于二維設計的三維校審體系和模型定型（版本定型）體系。

在水利工程項目實踐方面，有了標準化的BIM流程，模型便可在二維設計的空間、信息的多維延伸基礎上，發揮其核心數據共享功能，以流程作為模型自我發展和完善的催化劑，實現高效率的綜合交付。

BIM模型構建流程研究

某泵閘工程BIM項目涉及地質、基坑、水工、建筑、結構、金結、電氣、水機、給排水、暖通、橋梁共計11個專業，各專業按協同流程建立相應的專業模型。所有建模均基于協同平臺。

具體建模流程為以下幾點：

■建立軸網和基準坐標系

軸網指建筑軸網，建筑、結構、暖通依據此軸網建立模型；基準坐標系以水工站身和閘室特征點（閘室下游與站身相鄰的閘室邊墩角點為坐標原點）為坐標原點建立正交坐標系，泵閘閘室和站身順水流向為X軸，垂直水流向為Y軸，Z向按系統默認，表示真實的高程坐標，除建筑、結構、暖通外的其他專業依據此坐標系建立模型，此坐標系實質是絕對坐標系，只是模型位于其原點附近。

■水工先行，其他專業并行建模

水工專業依據二維方案圖紙進行三維布置和三維建模，建立站身和閘室主體機構模型后，其他專業參考其位置并作為基準建立相應模型。

由于采用了三維協同設計，在協同平臺中，各專業的建模流程與傳統的二維設計圖紙流程并不相同，且各專業可以采用“并行建模”的任務處理方式（具體協同的流程詳見下文），因此其他專業作為為一種并行任務的建模方式。

■依據工藝關系建模

某泵閘工程基坑安全等級為一級，采用逆作法施工，同時考慮施工作業的先后順序，基坑圍護模型主要依據工藝關系建立模型。

為了建立模型的方便（主要是建模過程中的視覺方便），將基坑圍護整體拆分為既有結構、內河圍堰、外河圍堰、圍護樁、樁基礎及基坑立柱（格構柱）、坑底加固、防滲帷幕、支撐與土方開挖等獨立子模型，然后依次按相對位置關系相互參考逐步建立各子模型。最后對子模型組成的基坑組裝模型構件添加施工進度計劃時間，使基坑圍護模型與逆作法施工工藝相匹配。

■功能和位置分區分段建模

水工專業按從上游至下游分為上游附屬設施、上游連接段、站身閘室、下游連接段、下游附屬設施建模；按功能劃分區段分為排澇泵閘和引水泵閘建模，建模依次為拋石防沖槽、內河翼墻及海漫、清污機橋段、進水前池、進水池、消力池、閘室、站身、出水池、消力池、東閘路橋段、外河翼墻及海漫、拋石防沖槽；按層次劃分區段分為地基基礎和主體結構建模，其中地基基礎主要指樁基礎和地基處理，主體結構自下而上依次為鋪墊、底板、閘墩（泵墩、翼墻等）、胸墻、進出水流道、閘室站身結構層、排架、上部附屬設施等。

建筑和結構專業依據水工專業功能分區劃分為排澇泵閘廠房區和引水泵閘管理區模型，皆按樓層劃分模型，通過軟件樓層管理器工具快速定位構件位置，建立各樓層模型。廠房區分為主廠房和副廠房模型，區分1、2、3號樓分別建模，管理區作為自然散落建筑模型依靠室外交通（場地）模型連接。

■專業建模先總體、后局部，先主體、后細節原則

各專業先建立總體模型（不影響位置的整體框架），再進行局部細化。如水工專業先進行底板、閘墩、胸墻、排架等主體結構建模，再進行局部開孔、圍欄、支墩、玻璃鋼蓋板等細節建模；建筑和結構專業先進行梁板柱、墻門窗樓板等主體結構建模，再進行臺階、樓梯、欄桿、裝飾條連接等細部構造建模。

■從元件庫（數據庫）到模塊化拼裝

地質專業需先配置（搭建）后臺數據庫平臺（較為獨立的專業數據庫平臺），然后進行地質數據庫建立和維護，包括地質定義、勘探布置、地質測繪、地質勘探、物探數據、試驗數據、觀測數據、查詢統計等，最后進行地質勘探建模， 包括地層切分、地質鉆孔、開挖地質模型等。

電氣專業需先配置（搭建）后臺數據庫平臺（較為獨立的專業數據庫平臺）。其中電氣專業需建立模型庫（元件庫），再根據需求提取數據庫模型組建電氣模型，分為電氣一次與電氣二次建模，包括主變壓器柜、站用變壓器柜、高低壓開關柜、進出線柜、控制箱、電纜橋架、LCU柜、照明、火災報警、視頻監控、測量儀表等幾部分。

建筑專業門窗，裝飾部件，水機專業主泵、電機、齒輪箱、輔助設備等幾部分，其中輔助設備包括技術供排水系統、消防供水系統、檢修排水系統、滲漏排水系統、起吊設備等，給排水專業雨污水井、閥門、雨水口等均可與主體建模并行，預先建立模型元件庫，為整體模型重復調用提供便利，也可同時作為企業級數據庫，作為其他同類項目的元件庫。

■先模型后屬性或模型與屬性并行建模

在各專業和各任務建模（各子模型）時，可以按一個構件+一個屬性集方式建立信息模型，也可以按整體模型+拆分構件+批量賦屬性的方式建模（此處屬性集包括圖層、顏色、切圖屬性、材質、工程量等屬性集合，在Bentley平臺中成為family part，詳見協同平臺章節敘述），例如：水工專業一般可建立整個（或大部分）三維模型后，再進行統一添加屬性集；而建筑、結構、給排水、暖通、橋梁等專業則可在建立構建前預先選擇屬性集（或將屬性集掛接至參數化構件），形成標準化信息化構件，再進行統一建模。

■專業模型組裝

在各專業和各技術人員建立了各自的子模型后，可采用Bentley平臺提供的“參考（Reference）”工具將各子模型（或子文件）組合在一起形成專業組裝模型。

■建立帶真實地理坐標的專業總裝模型

各專業模型需移動相關模型至真實地理坐標，形成帶真實地理坐標的總裝模型，便于后期開展基于地理坐標的模型應用。

■以真實地理坐標總裝模型為基礎建立設計場坪模型

在形成帶真實地理坐標的總裝模型后，同時“參考”該專業總裝模型，利用其位置依據，基于現狀的場地地形建立設計場坪模型。

■建立項目總裝模型

將帶真實地理坐標的專業總裝模型與設計場坪模型通過“參考”組裝為項目總裝模型。

BIM模型定型

及可視化流程研究

■三維校審流程

從建模過程到形成項目總裝模型的過程應遵循一定的三維校審流程，主要指對專業組裝模型、專業總裝模型、項目總裝模型進行完整性檢查、合理性檢查、碰撞檢查、集中會審。三維校審流程圖如圖所示：

三維設計成果的校核與審查有別于傳統打印圖紙的校審模式，三維設計的校審工作，可以借助Navigator、AECOsim Building Designer軟件實施，通過導入三維模型進行瀏覽、添加批注、保存視圖、碰撞檢查等方式完成校審工作，高效且節能。

完整性檢查指通過瀏覽項目總裝模型或專業總裝模型的子模型（子文件）組成以及通過對模型本身瀏覽、觀察、剖切、視角切換、漫游等行為檢查模型某些位置和某些構件（設備、部件）等的缺失來判斷模型是否完整的過程。具體流程為：

首先，打開“參考”文件工具，檢查模型組成目錄樹結構，以功能完備性和結構完整性兩條原則檢查文件缺失情況。

然后，瀏覽和觀察模型，檢查子模型、構件（系統、設備、部件、功能元素）是否缺失。

最后，通過剖切、漫游等工具檢查模型內部空間（廠房、房屋內部等）和模型細部構造（連接、開孔等），檢查內部構件位置和完備性。

合理性檢查指通過與設計技術（工程技術、標準規范、方案優劣）的對接以及通過三維數字化模型檢驗設計技術的合理性過程。

具體流程為：

首先，檢驗模型是否滿足設計技術（技術要求、標準規范）的規定。

其次，在滿足設計控制性要求的前提下，綜合檢查模型與模型（空間布置、功能邏輯、技術銜接）之間對接的合理性。

最后，通過對模型和設計技術的綜合考察，探索設計技術（包括模型）是否有優化的空間。

碰撞檢查指通過BIM軟件平臺自動完成對構件與構件（不同類別的元素）之間空間凈空、安裝間距、作業空間是否滿足要求的過程。具體流程為：統計規劃需要進行碰撞檢查的專業、模型、構件、設備等要素；按規劃順序進行兩要素間的碰撞檢查；對碰撞檢查結果進行二次篩選；保存并輸出統計經篩選后的碰撞檢查結果，并輸出為表格保存；分析碰撞檢查結果出現的原因、類型、調整方式、調整結果，形成碰撞檢查報告，作為BIM技術報告的中期報告（中間報告）或稱為其一部分。

集中會審指召集BIM技術模型負責人員和設計技術控制相關負責人員集中對項目總裝模型進行聯合校審的過程，一般包括專業三維會審和項目三維會審。

首先，專業三維會審主要目的是對本專業三維總體設計進行校審，主要內容如下：水工專業各部分結構型式、總體布置是否與項目總體策劃匹配。專業內部是否存在不匹配之處。本專業結構是否與電氣、水機、金屬結構等其它專業存在干擾、沖突。其它需要會審的內容。

其次，項目三維會審是在各專業完成本專業三維總體設計和三維會審后，項目組組織召開項目三維會審會議，集中對項目總裝模型進行會審的過程，主要內容如下：項目總體布置是否合理、美觀。各專業間的結構、設備、管線是否存在干擾、沖突。孔洞、通道、集水井等隱蔽工程是否滿足功能及使用要求。討論、協調專業間的布置沖突；確認各專業的三維設計進度是否滿足要求。其它需要會審的內容。

■模型定型流程

內容定型主要是指在進行模型校審后，各專業的模型、專業組裝模型、專業總裝模型、項目總裝模型系統、設備、部件（構件）滿足完整性、合理性和碰撞檢查以及相應的技術要求，可以作為正確的數據模型固定下來，開展后期模型應用。

該環節的具體流程為：整理模型存儲目錄，按規范命名模型文件名；刪減多余的線、面、體（如輔助線、面等要素）和冗余屬性及信息；刪除底層文件冗余的“參考”鏈接文件，梳理組裝文件的文件鏈接層級，避免過多嵌套“參考”。

環境定型主要針對協同平臺，是對本項目的共享數據庫（屬性庫和元件庫）的定型，由于采用ProjectWise協同平臺，環境定型多是由協同平臺管理員管理和維護，并不影響其他專業BIM技術人員的模型定型工作。具體地，環境定型主要包括項目級共享數據庫的定型，如在某泵閘工程項目中建筑和結構專業反復應用的樓層管理器。地質、電氣專業數據庫配置平臺以及基本數據庫也隨著其模型內容的定型而固定下來。

版本定型是隨著項目實施推進產生的較大（或較多）模型改動后產生的多次模型內容定型的版本，如項目在一個建設階段產生的企業內部的初次定型版本、重大節點定型版本、階段最終定型版本三個基本的模型定型版本。

定型版本的數量是制約BIM技術設計生產效率的關鍵因素，因此應做好BIM技術整體策劃，加強協調和管理來限制定型版本的數量，使其與模型應用目標以及設計基本需求相匹配。版本定型的方式為：在協同平臺中建立完整的版本定型目錄結構，以A版、B版……等為定型版本根目錄（版本號），項目進行中一般建立A版、B版兩種目錄，在有更多定型版本時再新建新的版本號，內部目錄結構按標準化結構目錄進行；版本定型后建立版本說明文件，說明工程屬性、項目屬性、版本適用性、版本建立時間等相關要素。

應用定型即以應用目標為導向的模型定型。在項目進展過程中，有時并非所有的節點、任務、需求都需要完整的項目總裝模型，而單獨考察其中幾項內容，例如在前期的基坑影響評價、三維模型到二維圖紙抽取等應用過程。伴隨著水利工程建設的逐步推進，對模型的關注點多是不同的，可以建立以這種以重要節點的應用目標為依據的定型模型，即應用定型，可單獨建立版本，也可與版本定型相結合進行。應用定型按以下步驟進行：整理應用目標，通過新模型模板（種子文件）建立應用子模型；標準化命名子模型，描述子模型應用目標、主要內容、面向對象、提交時間等信息；協同平臺上建立相應的應用定型目錄，存儲應用子模型用于指定的應用目標。

權限定型作為以上四種模型定型管理權限的界定。在某種版本確定為定型版本（或者新建某種定型版本）后，由協同平臺管理員對其定型版本的文檔權限和人員角色權限作出調整，即定型后的版本只對主要負責人員開放文檔控制權限，包括讀、寫權限，但無刪除權限。

某泵閘按BIM標準化設計流程得到施工圖階段設計模型如圖1所示，某河道工程按BIM標準化設計流程得到施工圖階段設計模型如圖2所示。

結論

目前水利工程BIM建模的方法及流程無規可循；模型可視化往往被獨立于BIM技術之外獨立完成，不能發揮BIM模型的核心數據共享功能。筆者針對以上問題，研究水利工程多種工程實踐成果，總結如下：

首先，BIM模型構建的流程可分為11個過程，在協同平臺上按各過程的先后順序與主次關系進行建模，可有效降低建模過程的隨意性帶來的效率延滯。

其次，BIM模型的校審流程大體上包括完整性、合理性、碰撞檢查及集中會審；定型流程包括內容定型、環境定型、版本定型、應用定型和權限定型。