基于Bentley軟件平臺的三維協同設計模型質量管理

蘆辰

隨著BIM技術和智慧水務概念的推廣及發展，三維協同設計在水利工程領域也正在得到越來越廣泛的應用。進入三維協同設計階段后，設計成品主要是三維模型，模型的質量就代表了設計質量。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據量之間找到一個合適的平衡點。

隨著北京市水利規劃設計研究院在BENTLEY系列軟件平臺上進行的三維協同設計的不斷推廣和深入，建立了三維協同設計模型質量管理標準。該標準直接指導三維協同設計過程，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。同時隨著三維協同設計模型質量管理標準的建立和不斷調整完善，北京市水利規劃設計研究院逐步建立的三維協同設計質量管理體系和三維協同設計生產管理體系，為北京市水利規劃設計研究院的信息化建設和實現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：第一是建模環境的標準化。唯一且共享的工作空間使模型的圖層、標注、字體、斷面庫、切圖規則及圖框等設計元素是統一且標準的；管道數據庫和設備數據庫提供了標準、統一的模型庫，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。在專業內部和專業間協同工作時使得相關的模型及數據是一致的，也便于管理員維護軟件后臺環境和數據庫。

第二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、專業內部的設計內容劃分及模型分裝、總裝的方式。在ProjectWise協同平臺上，按照標準規則建立的設計文檔體系可以直觀地反映出項目的工作內容和協同的組織形式，同時也 便于ProjectWise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。第三方軟件主要用來建立景觀模型，所建模型需按一定規則導入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。北京市水利規劃設計研究院在三維協同設計導航項目階段，已形成了若干標準建模方法指南，在隨后的三維協同設計過程中，設計人員均按照文檔中的方法建立模型。

從四個方面控制模型質量

質量管理的基礎要素是過程控制，過程控制能夠對產品質量的源頭進行控制。過程控制是以預防為主的生產管理方法，是穩定產品質量的有效手段，在生產過程中通過生產團隊過程控制意識的培養，對關鍵過程的重點監控，及時有效地處理發現的質量問題，能實現質量不斷提高的目的。

同理，三維協同設計的產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：

標準建模環境

工作空間：是三維協同設計的重要組成部分，其中規定了圖層、線型、字體、標注和種子文件等基礎設計信息，使不同專業設計文件的風格保持一致，避免出現使用Auto CAD繪制二維圖紙時出現的字體、線型等不統一的問題，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。

數據庫：目前北京市水利規劃設計研究院初步建立了基于Microsoft SQL Server數據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。

協同平臺：ProjectWise軟件提供了一個協同工作平臺，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的設計文件瀏覽功能。這就要求設計人員把自己專業的設計文件保存在ProjectWise平臺的對應位置，同時設計參考文件也應該僅從ProjectWise平臺上選取。隨著三維協同設計的經驗逐步豐富，工作空間和數據庫均應在ProjectWise平臺上存儲和管理，使ProjectWise平臺真正成為標準化建模工作的環境平臺。

標準模型組織

設計文檔的命名規則：北京市水利規劃設計研究院通過三維協同設計導航項目總結了一套關于文件夾、DGN文件、設計文件中的model命名規則，采用關系型數據庫的定義方式，定義命名元素，所有命名規則中出現的字段均從命名元素中選取，通過確定的排列組合形成了對應的名稱。

各專業統一坐標系：統一模型的定位基準，主要用于專業內的定位配合以及與其他專業之間的定位配合，確保最終模型分裝以及總裝的統一性和準確性，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需要重點把握的。

定位基準方式：各個單項工程的軸網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。由于不同模型相對于ACS原點的空間位置不同，在做專業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。專業負責人應檢查模型文件和專業匯總，確保模型放在正確的位置上。

文件匯總規則：以北京市水利規劃設計研究院進行三維協同設計導航項目通州水廠項目為例，該項目涉及到了13個專業，16個單項工程。這些設計模型需要經過專業匯總、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范，才能保證整體三維模型的正確布置。

參考控制：專業負責人應明確每一個設計文件的設計內容和參考方式，監督并檢查設計文件內部的匯總，做好第二級別的專業匯總。保證匯總文件中不會出現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——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——模型干涉這兩方面的概念。

模型定位：以軸網模型為定位基準，軸網模型中的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模型，區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：模型布置時要參考軸網模型定位，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的偽碰撞。

模型與DGN文件的對應：設計人員應僅在本專業DGN文件的model中繪制模型，在匯總model、專業匯總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。協同設計過程中，為防止模型重復布置或缺失，某一專業繪制的任何模型，應由設計人員布置在本專業的DGN文件中。

標準建模方法

半參數化建模：即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，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。

另外如果建立參數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。

有部分模型是在建模之前需要將參數預先設置，如管道數據庫和梁柱斷面庫。數據庫和斷面庫應由專業人員配置和維護，其他設計人員在建模時不能對數據庫或斷面庫進行操作，若需進行更改，則按照已制定的數據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建設備模型，減少人為因素造成的模型差異，同時為參數化自定義設備建模的二次軟件開發提供資料。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一的聯系。

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，協同設計主要體現在設計人員之間可以及時準確的獲得相關設計信息，參考使得專業間即時協同成為可能。

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。由于各專業協同建模時采用了互相參考的方式在ProjectWise平臺協同工作，因此被參考模型的修改就需要有標準的工作流程來規范，否則會出現被參考模型被隨意更改。而參考其他專業模型進行設計的專業人員就會根據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一，降低工作效率。

三維協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。三維協同設計平臺的建設是一個系統工程，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，推廣和應用三維協同設計不僅需要建立標準文件，更需要通過軟件二次開發和項目級平臺定制等手段，體現出相對于二維設計階段的工具升級和流程更新。