自動化三維協同設計淺析北京市通州水廠BIM設計項目

【摘要】BIM三維設計擁有其得天獨厚的優勢，在提高設計人員的工作效率的同時，直觀的反映出設計成果，并且合理的規避了諸多設計隱患及后期施工可能遇到的問題，是水利行業設計的發展趨勢。

【關鍵詞】BIM；Bentely平臺；水廠自動化；三維建模；碰撞檢測

目前BIM已不能稱之為行業前沿性技術，換而言之，BIM是行業發展的大趨勢。但是，在水利行業中BIM設計并不常見，其中工程設計的復雜與多變性尤其讓BIM設計在水利行業的推廣放緩腳步。

基于城市水廠建設是水利行業建設工程的重要組成，并且擁有參建專業繁多配合緊密以及基礎處理工藝相近具有代表性等特點，本文主要以北京市通州水廠三維設計項目為案例，通過分析Bentely平臺的搭建以及多個電氣軟件配合建模的應用實效，針對設計過程中一些存在的問題進行討論。

一、通州水廠項目概述

北京市通州區處于北京市城市自來水管網供水東部末端，現狀供水條件無法滿足遠期規劃要求，通州水廠項目應運而生。該項目是北京市南水北調工程的一個配套工程，位于北京市通州區城市副中心通州文化旅游區內，緊鄰北京環球影城，是未來城市副中心建設和發展的一項重要基礎設施保障。項目設計供水規模一期為20萬立方/日，二期工程規模達到40萬立方/日，提供了155平方公里服務范圍內90萬人62.9%的生活、生產用水供給，使地區供水能力提升至2011年的2.8倍，供水安全系數提升至1.33。同時以外調地表水置換本地地下水供水，使本地地下水源供水占比由2011年的74.2%下降至21.4%，每年減少地下水開采477萬立方米，使地下水源得以涵養。因此，通州水廠這一汪清水將為優化首都水資源配置，保障北京城市副中心供水安全，保護生態環境帶來重大意義。

該項目共涉及14個專業，涵蓋建筑、水工、水利機械、金屬結構、電氣、自動化、工藝、暖通、測繪、地質等專業，所有專業設計均基于Bentely協同設計平臺進行全面的協同設計。利用協同平臺的優勢，自動化專業在設計初期即可展開工作，與各專業配合同時，使用三維建模軟件將建設內容生成三維模型，在后期與各個專業模型的“整體拼裝”過程中，高效緊密的與各專業配合組模、碰撞檢測、施工出圖。在此過程中，三維設計在水利行業自動化專業的應用優勢非常直觀的體現了出來，但與此同時，仍存在一些問題有待探討與解決。

下文將針對這個項目的自動化三維設計過程進行詳細分析。

二、三維協同設計平臺的建設

2.1建設目標

1、建立水廠標準化三維設計生產模式，全過程、全專業進行水廠三維協同設計，完成水廠設計在ProjectWise（簡稱PW）平臺的環境布置。

2、建立三維信息模型、生成施工圖紙并完成工程量統計，實現電纜的自動敷設和統計電纜材料清冊。

3、進行跨專業模型碰撞檢查，減少設計誤差提高設計質量， 減少施工時材料浪費，降低施工成本并提高設計效率。

2.2建設方案

2.2.1系統平臺構成

該項目三維協同設計采用Bentely的ProjectWise協同平臺。通過授權以相應的人員及權限管理，使各個專業的工程師共享數據和模型。由于本文針對自動化專業的三維建模著重分析，故針對ProjectWise協同平臺的詳細內容不在本文體現。

2.2.2專業建模平臺

1、基礎建模平臺

利用MicroStation（簡稱MS）軟件作為三維建模的基礎圖形平臺。

2、專業建模軟件

利用Substation和Bentely Raceway and Cable Management（簡稱BRCM）兩款專業建模軟件，針對自動化專業中的盤柜、橋架、電纜布置等建設內容進行專業建模及電纜設計。

三、三維協同設計

3.1三維協同設計流程

該項目將三維協同設計流程分為3步驟，三維建模、三維校審、三維出圖。

基于城市水廠工程自身的特點，結合了平面設計生產流程，整個項目在BIM設計流程中做了部分環節的調整。

3.2三維實體建模

3.2.1三維建模

在北京市通州水廠工程項目中，主臭氧、活性炭濾池及設備間、高效沉淀池、砂濾池、泵房及總配電室、臭氧制備間等多個專業性建筑單體，以及綜合辦公樓等管理型建筑單體，基本覆蓋自動化專業在城市水廠中所有建設內容。自動化系統在劃分為監控、通訊、網絡、建筑樓宇、火災報警等多個子系統。在三維建模過程中，根據子系統建設內容，依據不同單體不同系統進行建模。繪制的三維模型有：監控盤柜、液位計、壓力傳感器、橋架、埋管、各系統控制柜、控制箱、火災報警器、煙感及溫感裝置、監控大屏、攝像機、各類信息接口等等自動化系統設備。

其中，各類控制盤柜、火災報警裝置、液位計攝像機等設備運用SubStation軟件進行建模，由于此軟件涵蓋設備型號不完全，所以在建模過程中與MS軟件合并使用，對模型進行二次設計，同時使用MS軟件直接建立三維模型。

在橋架、埋管以及電纜敷設的三維設計中，以BRCM軟件為主要建模軟件。通過定義電纜橋架、電氣盤柜及電力電纜的屬性實現電力電纜的自動敷設，將電纜統計的工作交付計算機處理，擺脫純手工的統計方式。同時，經過后臺布纜的設計方案可調，可以進行人工優化，體現出了BIM三維設計中工作效率的提高同時也具備靈活性。

3.2.2三維校審

三維協同設計的校審過程主要通過設計軟件自帶的碰撞檢測功能，這個功能尤其體現出BIM設計的優勢所在。

3.3三維出圖

相對于既有的二維平面圖紙的成果交付現狀，三維數字化產品的交付在現如今的大環境下還不具備普遍應用的條件。受制約的因素有很多，包括社會整體行業水平的參差不齊，以及管理單位在后期運維方式上仍處于不斷探索狀態等多方面因素。該工程則采用利用三維模型直接剖切斷面，提取出二維圖紙，其中利用PDF軟件，生成動態的軸側PDF圖紙。這種成果呈現方式，更加直觀、清晰的表達出了設計意圖，給業主及管理單位以更明朗的設計展示，同時可以幫助施工單位更好的理解圖紙內容，從而減少因為“看不懂”設計圖紙而造成的施工中的問題，以降低施工成本。

四、案例總結與問題淺析

4.1案例總結

北京市通州水廠項目采用BIM三維協同設計手段后，將二維設計周期有效的縮短，多個專業協同設計達到了高效作業有效出圖等設計要求。從這個項目不難看出，由于充分利用三維數字化設計技術優勢，在清楚表達設計意圖、提高設計效率的前提下，大量采用三維軸測圖配以平（剖）面圖的表示方法，賦予了圖紙更多的信息，從設計一方的角度，給建設方、施工方以更便捷、高效的服務以及指導。

ProjectWise軟件作為協同設計管理平臺，便于建設方、設計方和施工方在設計前、中、后期對基本設計資料、三維信息模型、二維圖紙及工程量統計表等信息隨時共享，應用BIM設計同時方便參建各方對于項目進度和總體概況有了更加直觀的了解。

MicroStation、SubStation以及Bentely Raceway and Cable Management（BRCM）的應用過程中，三維建模相對于二維繪圖的優勢尤為明顯，尤其是在多專業間模型的碰撞監測過程中，計算機精細化作業，高效率的查出多處模型碰撞信息，這些與施工現場反饋的信息基本一致，預計三維模型的碰撞檢查功能今后可以極大的提高設計質量，可大幅削減圖紙審核工時和不必要的施工成本。

4.2問題分析

新技術帶來的全新的設計變革的同時，也意味著自動化專業在水利行業中的三維設計不再是一個簡單的設想，當它真正被應用在實際工程中的時候，所迸發出的一系列問題也需要軟件開發方與設計人員共同探討、研究；

（1）模型庫匱乏，降低工作效率

眾所周知，在這個信息化的時代，BIM設計決不是單純的三維模型所能滿足的。信息模型所包含的不僅僅是物體的多邊形表示，更重要的是模型本身附帶的屬性。軟件公司提供的模型庫僅包含市場中一部分設備型號，當模型庫中找不到與工程所對應的設備時，設計人員大量的精力就用在了構建三維立體模型上，設計人員并不都是學習建模軟件出身，在建模過程中對軟件的熟悉運用能力也參差不齊，所以勢必要花費更多的精力時間在構建單純的模型中，這反而降低了設計方的工作效率。

由于自動化專業發展非常迅速的特性，如何將模型庫與市場上日新月異、不斷創新的設備相匹配？由設備廠家附帶設備的三維模型？找專業制作三維模型的公司建模？由此帶來的成本又將如何核算？這些問題還有待商榷。

（2）細節設備瑣碎，三維模型圖紙的精細化程度難把握

水利行業自動化專業設計內容廣泛，既有針對水利設施、機電設施等大型設

備的各項監控器件，又有針對管理方后期運維管理的各項視頻、通信、網絡等各種零散器件，其中包括規格較大的盤柜、橋架、管線等，同時也包括信息接口、各類傳感器、門禁等等小微設備，這些小型設備有的僅僅為嬰兒拳頭大小。目前在BIM三維設計的各項規范及標準中，對于建模深度的問題說法不一。廣義而言，既然BIM作用于建筑全生命周期，包含建造過程及運營過程，那就應該事無巨細，將工程中所有建設內容體現在模型中，而后方可將建立出的模型結合成本數據庫，使能概算成本。然而要將一個嬰兒拳頭大小的小設備體現在占地30公頃的整體模型中，如何更加精準清晰的體現細微設備的模型信息，也是需要慢慢摸索著解決的一個問題。

五、結束語：

作為行業發展的大趨勢，BIM三維協同設計三維建模的方式終將取代現行的二維繪圖模式。雖然在實現BIM三維協同設計過程中，涌現出的諸多問題需要解決，但與此同時，搭載新技術以及新理念的設計方式成效顯著。相信伴隨著未來更多的水利項目BIM設計的啟動，相關設計人員的專業技術能力、軟件的開發應用等眾多因素，必將更加完善、更加適應行業發展的需求，以更完美、成熟的姿態服務于我們的工程建設。

參考文獻：

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