構建質量體系實現(xiàn)智慧管理

文｜蘆辰

隨著BIM技術和智慧水務概念的推廣及發(fā)展，三維協(xié)同設計在水利工程領域也得到越來越廣泛的應用。在傳統(tǒng)二維設計階段，設計成品為二維CAD圖紙，針對二維圖紙有一系列的設計標準和制圖規(guī)定來保證二維圖紙的設計質量。進入三維協(xié)同設計階段后，設計成品主要是三維模型，模型的質量就代表了設計質量，也直接決定了由三維模型生成的二維圖紙的質量。一方面模型的造型、結構、位置、顏色、圖層等信息，對模型的質量有較大的影響；另一方面從目前的計算機軟、硬件技術水平來說，需要在模型精度和數(shù)據(jù)量之間找到一個合適的平衡點。

隨著北京市水利規(guī)劃設計研究院三維協(xié)同設計的不斷推廣和深入，建立了三維協(xié)同設計模型質量管理標準，該標準直接指導三維協(xié)同設計過程，使設計模型滿足設計出圖需要和三維成品展示需要，具備實際的可操作性。同時隨著三維協(xié)同設計模型質量管理標準的建立和不斷調整完善，逐步建立北京市水利規(guī)劃設計研究院的三維協(xié)同設計質量管理體系和三維協(xié)同設計生產(chǎn)管理體系，為北京市水利規(guī)劃設計研究院的信息化建設和實現(xiàn)工程項目全生命周期管理服務的目標保駕護航。

模型標準化定義

模型的標準化包含了三個層次的內容：

首先是建模環(huán)境的標準化。唯一且共享的工作空間使模型的圖層、標注、字體、斷面庫、切圖規(guī)則及圖框等設計元素是統(tǒng)一且標準的；管道數(shù)據(jù)庫和設備數(shù)據(jù)庫提供了標準、統(tǒng)一的模型庫，保證不同的設計人員繪制出的三維模型在風格上是一致的，模型的工程屬性和外形尺寸都是準確的。在專業(yè)內部和專業(yè)間協(xié)同工作時使得相關的模型及數(shù)據(jù)是一致的，也便于管理員維護軟件后臺環(huán)境和數(shù)據(jù)庫。

其次是模型文件的組織模式標準化。模型文件的組織模式涉及了工程項目中單項工程的劃分、專業(yè)內部的設計內容劃分及模型分裝、總裝的方式。在協(xié)同平臺上，按照標準規(guī)則建立的設計文檔體系可以直觀的反映出項目的工作內容和協(xié)同的組織形式，同時也便于管理員針對不同模型的層級和設計人員的權限做出相應的設置。

第三是建模過程的標準化。建模過程包括了在MicroStation軟件平臺的建模和第三方軟件建模，以及不同格式的模型互相導入的過程。MicroStation軟件平臺主要包括 了 AECOsim Building Designer（ 水 工、工藝、建筑、結構、電氣、自動化專業(yè)）、OpenPlant Modeler（工藝、管道、給排水、暖通專業(yè)）、Raceway and Cable Management（電氣、自動化專業(yè)）和GEOPAK（總圖、測繪專業(yè)）等軟件。第三方軟件主要用來建立景觀模型，所建模型需按一定規(guī)則導入MicroStation軟件平臺上進行模型布置工作。通過一系列標準化的建模過程，保證了所建模型的質量和建模效率，為模型的通用性和重用性提供保障，在設計方案調整、設計成品展示和設計過程管理方面提供有力支持。北京市水利規(guī)劃設計研究院在三維協(xié)同設計導航項目階段，已形成了若干標準建模方法指南，在隨后的三維協(xié)同設計過程中，設計人員均按照文檔中的方法建立模型。

模型質量控制

質量管理的基礎要素是過程控制，過程控制能夠對產(chǎn)品質量的源頭進行控制。過程控制是以預防為主的生產(chǎn)管理方法，是穩(wěn)定產(chǎn)品質量的有效手段，在生產(chǎn)過程中通過生產(chǎn)團隊過程控制意識的培養(yǎng)，對關鍵過程的重點監(jiān)控，及時有效地處理發(fā)現(xiàn)的質量問題，能實現(xiàn)質量不斷提高的目的。同理，三維協(xié)同設計的產(chǎn)品即三維模型的質量與模型建立的過程密切相關，要求設計人員在設計過程中遵循一定的設計規(guī)范和設計方法，通過控制設計過程保證設計成品即三維模型的質量。具體控制過程包含以下要素：

標準建模環(huán)境

工作空間：這是三維協(xié)同設計的重要組成部分，其中規(guī)定了圖層、線型、字體、標注和種子文件等基礎設計信息，使不同專業(yè)設計文件的風格保持一致，避免出現(xiàn)字體、線型等不統(tǒng)一的問題，另外工作空間中保存了出圖圖框、樓層管理器、渲染動畫等信息。基于一個公用且唯一的工作空間繪制三維模型，是保證模型質量的重要前提。

數(shù)據(jù)庫：目前北京市水利規(guī)劃設計研究院初步建立了基于Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫管理軟件的三維模型元件庫，元件庫中存儲了管道、管件、閥門等元件的參數(shù)信息以及水閘、水泵等設備類三維模型和門、窗、欄桿等元件。同時針對北京市水利規(guī)劃設計研究院部分河道、濕地整治項目，還建立了各類景觀三維模型庫。該元件庫在應用軟件級別上，還建立了次一級元件庫，例如在OpenPlant軟件平臺配套的數(shù)據(jù)庫就有CataLog數(shù)據(jù)庫和Spec等級庫兩個概念，CataLog數(shù)據(jù)庫是院級的三維管道基礎數(shù)據(jù)庫，有且只有一個權威版本，其數(shù)據(jù)存儲于院級三維模型元件庫中。繪制管道模型時，需要使用的基于Access數(shù)據(jù)庫的Spec等級庫，就是根據(jù)不同項目的需求由基礎元件庫生成的新的數(shù)據(jù)庫。

協(xié)同平臺：軟件提供了一個協(xié)同工作平臺，從三維建模的角度來看，給設計人員提供一個設計文件存儲空間和相關專業(yè)的設計文件瀏覽功能。這就要求設計人員把自己專業(yè)的設計文件保存在協(xié)同工作平臺的對應位置，同時設計參考文件也應該僅從協(xié)同工作平臺上選取。同時，隨著三維協(xié)同設計的經(jīng)驗逐步豐富，工作空間和數(shù)據(jù)庫均應在協(xié)同工作平臺上存儲和管理，使協(xié)同工作平臺真正成為標準化建模工作的環(huán)境平臺。

標準模型組織

北京市水利規(guī)劃設計研究院通過三維協(xié)同設計導航項目總結出了一套關于文件夾、DGN文件、設計文件中的model命名規(guī)則，采用了關系型數(shù)據(jù)庫的定義方式，定義了命名元素，所有命名規(guī)則中出現(xiàn)的字段均由命名元素中選取，通過確定的排列組合形成了對應的名稱。以北京市水利規(guī)劃設計研究院三維協(xié)同設計導航項目為例，其中高效沉淀池單項工程的水工專業(yè)設計模型所在的DGN文件命名方式為：

文件命名規(guī)則：

專業(yè)序號+專業(yè)代碼_單項工程序號+單項工程名稱代碼_設計文件名稱設計文件名稱：

02水工_03高效沉淀池_水池結構模型.dgn

02水工_03高效沉淀池_結構配筋模型.dgn

各專業(yè)統(tǒng)一坐標系。統(tǒng)一模型的定位基準主要用于專業(yè)內的定位配合以及與其他專業(yè)之間的定位配合，確保最終模型分裝以及總裝的統(tǒng)一性和準確性，關系到項目后期的碰撞檢測、設計檢視以及出圖，是項目實施初期各專業(yè)需要重點把握的內容。

定位基準方式。各個單項工程的軸網(wǎng)1軸與A軸交點定位在ACS原點位置，所有工程師在設計模型時都參考同一個軸網(wǎng)，由于不同模型相對于ACS原點的空間位置不同，在做專業(yè)匯總和單項分裝時模型會自動裝配在一起，設計人員僅需調整參考文件的嵌套層級即可，不需要移動參考文件的位置。項目總裝也可以在項目啟動前期完成工作，隨著模型文件逐步建立，在項目總裝文件中即可實時看到項目的整體進度。專業(yè)負責人應檢查模型文件和專業(yè)匯總，確保模型放在正確的位置上。

以北京市水利規(guī)劃設計研究院進行三維協(xié)同設計導航項目通州水廠項目為例，涉及到了13個專業(yè)，16個單項工程，這些設計模型需要經(jīng)過專業(yè)匯總、單項分裝和項目總裝三級模型拼裝，需要對相關的參考和匯總操作進行規(guī)范，才能保證整體三維模型的正確布置。

首先，專業(yè)匯總時，匯總文件中應僅出現(xiàn)本專業(yè)繪制的模型，在繪制模型時參考的各類文件都不應在匯總文件中出現(xiàn)。其次，在做單項分裝及項目總裝時，根據(jù)需要添加參考文件，對于參考文件本身不應該進行任何操作，并嚴禁把參考文件與主文件合并或把參考文件復制到設計文件中。最后，為保證各專業(yè)嵌套參考層級數(shù)一致，若有專業(yè)的匯總嵌套層級較低時，則按照最大層級原則（專業(yè)匯總時，某專業(yè)需要達到的最大的嵌套層級數(shù)）添加一個匯總文件進行參考（若采用多DGN文件且每個文件中僅有單個model的形式，則另外說明，不在本次討論中體現(xiàn)）。設計模型匯總規(guī)則，見圖1。

模型的裝配按如下層級進行：第一級別專業(yè)設計模型（模型文件）參考嵌套層級為0（無嵌套）；第二級別專業(yè)匯總模型（專業(yè)內，將本專業(yè)文件參考至專業(yè)匯總）參考嵌套層級為1；第三級別單項分裝模型（區(qū)域內，將專業(yè)匯總文件參考至單項分裝）參考嵌套層級為2；第四級別項目總裝模型（總裝，將單項分裝文件參考至總裝模型）參考嵌套層級為3。

參考控制。專業(yè)負責人應明確每一個設計文件的設計內容和參考方式，監(jiān)督并檢查設計文件內部的匯總，做好第二級別的專業(yè)匯總。保證匯總文件中不會出現(xiàn)重復的參考文件和多余的圖形、構造線等元素，同時檢查模型所在的圖層與模型是否對應。另外應嚴禁修改被參考的文件，無論是軸網(wǎng)還是模型文件。

模型在三維空間中的布置。模型定位既包括模型本身在三維空間中的定位是否與設計要求一致即模型定位，也包括模型本身與其他模型之間的相互位置關系是否沖突即模型干涉這兩方面的內容。

模型定位以軸網(wǎng)模型為定位基準，軸網(wǎng)模型中的1軸與A軸交點定位在ACS原點位置，所有工程師在設計模型時都參考同一個軸網(wǎng)模型，區(qū)域坐標原點相對固定，不可輕易變更。布置模型時需準確捕捉模型的關鍵點，此時模型關鍵點的捕捉是否正確主要取決于模型創(chuàng)建時的繪制方法是否標準，通過精確繪圖功能或繪制輔助線放置模型，模型放置后應刪除輔助線。建立梁、柱、板等模型時應進行必要的回切、開洞操作；建立墻體時應注意墻體的拐角和墻體封閉處的處理，以及墻體相對于梁、柱、板的回切。

模型干涉。模型布置時一方面要參考軸網(wǎng)模型定位，一方面也要參考其他模型進行定位布置。由于在三維設計階段，所有模型是按照物體的實際安裝狀態(tài)進行組裝，這就要求布置模型時也要注意模型與模型之間的嵌入安裝和模型開孔等模型之間細部的匹配，否則在做模型的碰撞檢查時，無法判斷發(fā)生碰撞的兩個模型之間是真正碰撞還是由于表面相接出現(xiàn)的偽碰撞。

模型與DGN文件的對應。設計人員應僅在本專業(yè)DGN文件的model中繪制模型，在匯總model、專業(yè)匯總DGN文件、單項分裝DGN文件及項目總裝DGN文件中均不繪制任何二維或三維模型。協(xié)同設計過程中，為防止模型重復布置或缺失，某一專業(yè)繪制的任何模型應由設計人員布置在本專業(yè)的DGN文件中。有些情況下，屬于A專業(yè)的模型由B專業(yè)設計，則應由A專業(yè)進行模型的布置，此類問題在項目開始前應編寫項目專業(yè)設計指導書設定模型的劃分及布置規(guī)則。

圖1 設計模型匯總規(guī)則

標準建模方法

半?yún)?shù)化建模。利用軟件自帶的功能模塊通過輸入外形尺寸和工程屬性等參數(shù)，自動生成三維模型，主要包括門、窗、樓梯、梁、柱、樓板、墻體、電纜橋架及部分設備。由于模型是通過軟件預設的函數(shù)自動生成，模型樣式不能隨意修改，因此針對此類模型，在建模時應核實要輸入的參數(shù)信息并準確輸入，模型生成后應檢查模型的外形、樣式和屬性是否正確，同時每個模型都應放置在預設好的對應的圖層上。如果建立參數(shù)化模型時需要使用輔助線，應在繪制輔助線時將輔助線設置成構造線的樣式，便于模型修改。

另外有部分模型是在建模之前需要將參數(shù)預先設置，如管道數(shù)據(jù)庫和梁柱斷面庫。數(shù)據(jù)庫和斷面庫應由專業(yè)人員配置和維護，其他設計人員在建模時不能對數(shù)據(jù)庫或斷面庫進行操作，若需進行更改，則按照已制定的數(shù)據(jù)庫及工作空間配置的工作流程提交需求。

自定義建模方法。軟件自帶的功能模塊通常不能滿足設計過程的全部需求，在目前的水利工程設計領域的三維協(xié)同設計過程中，自定義的模型占到相當大的比例，例如一些非標混凝土構件和水閘等模型。

自定義構件。與參數(shù)化建模類似，但需要在軟件中提前設置模型的外形和工程屬性，詳細的操作方法需要根據(jù)實際需要臨時研究，目前不作為主要的自定義建模方法。

三維實體造型。根據(jù)二維圖紙繪制三維模型，或直接繪制大概的三維模型再進行精確修改。此類模型的外形尺寸要求準確；其中設備類模型應先導入項目級元件庫中，再由元件庫中調用該設備并進行布置；需要連接管道的設備，應提前預留管嘴的空間位置；模型應放置在對應的圖層上。

隨著模型元件庫的逐漸豐富，應針對每一類設備建立標準的建模流程文檔，以保證同一類設備的建模方式是相同的，便于模型修改和批量創(chuàng)建設備模型，減少人為因素造成的模型差異，同時為參數(shù)化自定義設備建模的二次軟件開發(fā)提供資料。另外模型既有三維模型，也包括二維模型，每建立一個自定義設備，應同時繪制模型的二維平、立、剖面圖樣，使二維圖紙和三維模型建立統(tǒng)一的聯(lián)系。

第三方模型導入。如為了提高渲染效果而增加的模型，包括使用U3D、RPC、樹木單元等，或者是設備廠家提供的三維模型。此類模型需要根據(jù)三維實體造型的要求，對模型進行二次加工，然后制作成設備單元，并將對應的屬性信息添加入元件庫中。

標準設計協(xié)同

設計過程中可以參考二維圖紙或其他設計人員的三維模型，設計人員僅能在本人的DGN文件的非匯總model中進行參考操作，可以對被參考的文件進行移動、復制、縮放、旋轉和鏡像操作，禁止對被參考文件進行交換、激活和合并到主文件的操作。

參考是將特定路徑的模型，與激活模型一同顯示。三維設計過程中，協(xié)同設計主要體現(xiàn)在設計人員之間可以及時準確的獲得相關設計信息，參考使得專業(yè)間即時協(xié)同成為可能。用戶參考其他模型時，激活模型中參考的部分會隨著參考模型的修改而即時更新。由于各專業(yè)協(xié)同建模時采用了互相參考的方式在平臺協(xié)同工作，因此被參考模型的修改就需要有標準的工作流程來規(guī)范，否則會出現(xiàn)被參考模型被隨意更改，而參考其他專業(yè)模型進行設計的專業(yè)人員就會根據(jù)參考模型不停修改自己的設計，這樣做不僅會浪費設計人員大量的精力和時間，也會造成模型版本的不統(tǒng)一，降低工作效率。

協(xié)同參考的一般原則為，主承專業(yè)需要建立確定的軸網(wǎng)模型，使其他專業(yè)有一個標準共用的定位基點；各專業(yè)在建立模型后需要經(jīng)過三級檢查，確定模型不會變更，然后向相關專業(yè)發(fā)布模型，并記錄模型版本信息；發(fā)布模型的專業(yè)需要將ProjectWise平臺上的模型文件更新并通知相關專業(yè)，相關專業(yè)在本專業(yè)激活的模型文件中重新加載被參考的模型文件，以便看到發(fā)布的模型，至此完成了一次即時協(xié)同的工作流程；被參考模型修改后，三維繪圖軟件會提示參考文件已修改，設計人員自行加載即可；設計人員應根據(jù)工作情況隨時打開參考模塊，檢查被參考文件是否更新。

隨著BIM技術在水利工程中的應用和發(fā)展，三維協(xié)同設計工程設計水平和設計質量的提升起到了較大的促進作用，其中三維模型作為三維協(xié)同設計中最基本的設計元素，其設計質量直接影響了整個設計的質量。本文從三維建模的后臺環(huán)境定制、三維模型的拼裝組織方式和三維模型繪制三個方面探討了控制三維模型質量的方法和要素，提供了一些管理三維模型質量的手段。這些僅僅是針對三維建模本身的質量控制探討，在實際設計過程中，還應該結合三維協(xié)同設計特有的碰撞檢查功能和基于三維模型的設計、校核、審查流程，共同把控好每個三維協(xié)同設計項目的三維模型質量。使基于三維模型產(chǎn)生的二維圖紙、材料清冊等內容達到甚至超越二維設計階段的設計質量和設計深度，真正的發(fā)揮出三維協(xié)同設計的優(yōu)勢。

三維協(xié)同設計是工程設計領域的技術革新，也是設計理念和工作方式的全面升級。三維協(xié)同設計平臺的建設是一個系統(tǒng)工程，三維模型的質量管理屬于三維標準體系中的一個組成部分，推廣和應用三維協(xié)同設計不僅需要建立標準文件，更需要通過軟件二次開發(fā)和項目級平臺定制等手段，體現(xiàn)出相對于二維設計階段的工具升級和流程更新。