BIM 技術在工業總圖設計中的應用

黃文軍(上海建安化工設計有限公司，上海 200437)

0 引言

隨著各學科技術日新月異的發展，市場競爭也日趨激烈，不斷加快社會生產節奏的對設計行業的傳統設計模式提出了更快的要求，原有設計理念已不能滿足客戶的需求。各種新技術應用到設計中，同樣深深影響著設計行業，傳統的設計方法需要新的變革，縮短設計周期，加強與客戶交互性，滿足客戶的多樣性需求是設計行業適應新市場形勢的新的挑戰。在這場技術方法變革需求的背景下，三維總圖設計能應對新時期客戶提出的更高的要求，帶來設計方法的變革。

應用BIM 技術的三維總圖設計能很好的適應這一新的形勢。三維總圖設計是面向對象的全新設計方法，相比傳統過程方法具有明顯的立體可見性和動態性，更有真實體驗感。通過建立各類對象模型模擬項目各實體，不同設計成果可以基于已有對象信息分別組合自動生成[1]。當客戶以及相關專業提出變重需求時，僅針對原始對象模型改動即可完成全部成果的動態生成，設計成果具有真實的立體效果和表面質感，增強的設計的可交互性和可見性，同時使人力和時間成本大幅降低。把三維建模的方法引入總圖設計，利用計算機軟件對原始輸入資料進行轉換，設計人員依據設計經驗建立和修正相應對象模型，完成設計過程；輸出設計成果時再組合對象信息得到二維出圖，完成繪圖過程。對原有對象模型的修改會在繪圖中實時更新。BIM 軟件的使用和計算機的高計算性能輔助使設計成果具有所見即所得和較強的交互性特點，把設計師的理念用三維模型展示給受眾，讓靜止的設計結果成為虛擬的真實世界，人們通過身臨其境的感受來體驗設計師的成果，可以對設計的合理性和優缺點進行評價，增強了設計的科學性和可靠性。

利用軟件的三維模型動態功能，設計師可以模擬出所擬建項目運營期的實際運行情況，發現靜態設計無法表達的碰撞點，在項目投用之前就對設計進行優化，因而不但可使設計方案具有合理的平面/豎向布置，交通物流組織順暢，而且避免了項目中反復變更帶來的時間和人力的消耗，提高設計方案的可行性，從而提高工作效率，縮短設計周期[2]。

1 三維總圖設計的概念、任務

三維總圖設計，即在三維實體模型的基礎上，加上原有傳統二維總圖設計經驗的，借助計算機三維軟件進行總圖專業范圍內的各項目設計。圍繞工程項目的各類實體模型，在三維設計平臺上，與各相關專業相互配合，組合中模型中相關信息形成設計方案，這種方法也是對傳統總圖設計方法的完善。

通過導入地形數據及地質勘探數據建立原始自然地面及各地層模型，基于各類模型可以分析地塊在地形、坡度、日照、風向等與擬建工程的匹配性，利用曲面模型來進行土方計算，可以在平衡填挖方量的基礎上找到目標地形曲面的最合理高程，并提高計算精度。設計人員用模型模擬出擬建項目的竣工狀態，便于與客戶及各相關專業溝通。在設計中導入各相關專業條件后進行專業間檢查，及時修正和優化設計，從而提高設計方案的合規性和合理性，提高了工作效率，使設計周期大為縮減。

在傳統平面總圖設計的基本內容里，借助于三維實體模型與BIM 軟件各項目功能，使平面布置、豎向布置、交通組織設計更加快速便捷，土方動態平衡計算、道路三維建模、管網三維建模、場景動態模擬等新元素的加入，使設計與成果展示成為一個有機的整體，以大幅度提高設計效率，提升設計成果質量，讓總圖設計更好地服務于工程項目管理，這是總圖設計在新的形勢下的主要任務[3]。

2 Civil 3D在總圖設計中的主要內容

本文就Civil 3D 在總圖設計中常用的兩個主要內容加以闡述，即：用三維模型模擬地形曲面、土石方計算。

2.1 用三維模型模擬地形曲面

三維地形模型，是對現有地形曲面和目標設計曲面的模擬。通過對測繪數據及地形圖處理，對特定區域的地形地貌，通過計算機模擬，得到一個可以精確反應現實設計目標的數字模型，區域內任意一點可以提取三維坐標等基本信息，基于這些信息，人們可以組合出坡度、區域徑流流向等數據，便于人們的觀察、設計研究和利用[3]。

在工程設計過程中涉及多專業協作時，其他專業常需要場地內某些不規則的點的高程，這在二維設計時往往帶來的額外的計算工作量，特別是數據量大、地形不規則、以及對結果的精度要求較高時更顯得捉襟見肘，這時三維模擬場地的優勢便顯現出來，它可以實時顯示任意點的不同曲面的高程，如某一點的原始地面標高、設計地面標高等。當然三維地形的優點遠不止這些，它還可以用來分析地形的各方面特性以及動態展示等。面對傳統的用等高線和高程點表達的平面地形圖上，設計者更多的精力主要花費在營造頭腦中立體場景，考慮各單體間及單體與地形間的匹配情況，道路、管線與單體間的銜接等問題。隨著需要考慮的要素越來越多，設計人員就顯得力不從心。在各種三維模型實體營造真實感場景中，設計者可以更容易更準確地把握擬建單體與周圍環境的相互關系。設計師就可以直觀的感受場地地形模型的全貌，進行總體上的平面布置和豎向布置，組織各單體的人流、物流，使設計出的地形曲面符合工程要求，為后續其他相關各專業的設計工作提供支持。計算機軟件在處理測繪地形數據會，建立數字地面高程模型，把地形轉化為三維數據，土方計算求出每一個立體塊的體積，匯總得出填挖方量，對比手工計算及計算機匯總計算來說，無論從速度還是精度，都有明顯優勢。

通過組合各類三維實體模型可以進行道路系統的設計。道路平面布置結合地形資料，為道路設計提供所在線路任意一點的自然地面標高、設計標高及坡度等信息，同時根據現場的地形進行地護坡、擋土墻等附屬設施的設計，加上軟件本身的動態鏈接特性，使設計人員方便快捷的進行道路的選線平面設計和縱斷面設計。Civil 3D 對這兩種形式的地形數據都提供的完美的解決方案，可以方便的轉化為三維地形。

2.2 土石方計算

Civil 3D 在土方計算方面提供了強大的支持，有了前面三維數字地形作支撐，后續的工作實現起來就容易得多。通常我們在設計過程中需要兩個三維曲面：原始地形曲面和最終設計地形曲面。原始地形曲面是根據業主提供的數據對原始場地地形的模擬。最終設計曲面是我們將要得到的建設目標，也是我們設計時主要的工作對象。設計曲面由放坡組、道路、要素線等對象構成，我們做方案設計時可以對這些對象編輯修改以得到我們的理想結果。

在設定原始地形和設計地形兩個曲面后，再拾取生土方施工圖所需的設計邊界和柵格原點，詳細設置施工圖樣式后，單擊生成土方施工圖，就可以得出土方施工圖。在以上工作的基礎上，我們通過建立三維體積曲面等操作，繪制出土方施工零線。

3 結語

Civil 3D 是一個功能十分強大的三維軟件，利用它可以使我們在總圖設計中得到更加直觀科學的成果，這不但會減少以往二維設計中考慮不到的因素，而且使我們在與客戶及各相關專業協作時更容易表達我們的設計意圖，而且使設計成果相比二維總圖更精確，可視化程度更高，便于人們在更宏觀的層次理解設計師意圖，使工程設計向著更加系統化、智能化的方向發展。