管網工程設計中的軟件協同BIM技術研究

李 亭1 謝立全1 吳軍偉 季慕州

(1.同濟大學 水利工程系，上海，200092；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

自20世紀80年代改革開放起，我國城市化率從改革開放初期的不足20%，至2018年末已經達到59.58%，并呈現穩步上升趨勢(如圖1)。建筑行業在國民生產總值中一直占據重要地位，其發展狀況對經濟形態、經濟結構、發展質量都有著巨大影響。增長總值近十年來逐漸增加，但其增長速率卻在逐年下降(圖2)，增長速率的走低反映了行業的發展乏力； 另一方面，建筑業過于粗放的管理模式使得成本難以控制，并且造成了建筑污染。如何實現建筑業的提質增效，成為亟待解決的問題。近些年來，計算機技術、人工智能以及大數據處理技術的發展使得各行各業發生了巨大的變化，這種變化替代了陳舊的生產方式，其外在表現則是效率、質量的飛躍性提升。而建筑業的答案則是BIM，全稱Building Information Model，譯為建筑信息模型。美國教授Chuck Eastman于1975年為實現建筑工程的可視化和量化分析、提高工程建設效率，首次提出BIM理念，其原型為Building Description System。1980年之后，美國改稱該技術為Building Product Model，而在歐洲它則被稱作Product Information Model。直到2002年，歐特克公司(Autodesk)正式提出“建筑信息模型”即Building Information Modeling(BIM)的概念，該理念一經提出立即受到業內人士的廣泛認同，沿用至今[1]。

圖1 我國近十年城鎮化率統計(數據來源：國家統計局)Fig.1 Statistics of urbanization rate in China in the past decade(Source：National Bureau of Statistics)

圖2 2013-2018年建筑業增長值及增長速度(數據來源：國家統計局)Fig.2 Growth value and growth rate of construction industry in 2013-2018(Source：NBS)

BIM技術的高速發展則是在本世紀初，自應用后很快便得到行業內的普遍認可，成為公認的繼CAD后建筑業的第二次革命。國家住房和城鄉建設部(以下簡稱“住建部”)在2011年頒布的《2011-2015年建筑業信息化發展綱要的通知》里第一次提到“BIM”技術[2]。在2016年發布《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》(建質函〔2016〕183號)(以下簡稱《綱要》)中對建筑業信息化提出了明確的目標。“十三五”時期，全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通信、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力，建筑業數字化、網絡化、智能化取得突破性進展。推廣項目管理信息系統，開展施工階段的BIM基礎應用，有實力的公司創建基于BIM技術的項目管理體系，研究基于BIM的管理組織模式與協同管理機制[3]。

地下管網作為市政基礎設施的重要組成部分，是城市生活物質輸送和信息傳遞的主要介質，對城市職能的正常實現至關重要。隨著城市化進程不斷加快，地下管網系統日漸復雜，導致新建設管線規劃、設計、施工難度加大，已有管線的運營、管理、維護愈發困難。而管網工程本身空間性和整體性較強，在這方面BIM技術較傳統的二維管理模式有著得天獨厚的優勢。2014年，李峰等研究了借助BIM工具解決商業綜合體中管網設計與安裝的難題，最大限度減少碰撞與返工，優化了資源配置[4]。2016年，李慧莉等對深圳某片區管網改造工程項目，利用BIM分析，對比設計施工現狀，提出更加合理的管網改造優化設計方法[5]。2016年宋學峰研究了BIM與GIS(地理信息系統)集成應用的城市地下管網信息管理模式，證明了此管理模式更為合理、高效且安全[6]。同樣是結合GIS，徐衛星等研究了高校地下管網管理的新模式，證明BIM與GIS的集成應用同樣適用于高校這種多領域多維度的管網管理[7]。于貴書等以BIM模型為基礎分析了管網綜合各專業的設計優化方向[8]。汪再軍聚焦于機場水務管網運維階段的BIM應用，設計開發了基于BIM技術的機場水務運維管理平臺，為機場水務管網運維找到了一套全新的解決方案[9]。陳辰以市政管網為切入點探討了BIM在數字城市的大概念中的重要地位，也從側面證明在管網工程中應用BIM確實具有代表性[10]。蒲紅克對BIM在市政工程應用現狀調研后，提出了道路、管道協同設計的方法，節約成本，提高了設計效率[11]。黃林青等將BIM技術應用至裝配式管廊設計中，優化設計模型，提升了項目質量[12]。劉琳琳對BIM在管網工程全生命周期的具體應用做出了探索[13]。宗仁棟在南寧沙井項目中使用BIM技術，具體展示了BIM在管網碰撞、凈高優化方面的作用[14]。燕曉輝從運營維護階段分析了BIM對市政管網工程質量提高帶來的影響[15]。以上工程人員研究主要聚焦于管網工程BIM應用階段，尤其是運營維護階段的BIM應用，而隨著社會發展，管網工程本身日趨復雜，新舊管線空間交錯，管網綜合本身的建模形成了繁重復雜的工作量，對工程人員造成了負擔。本文針對這一問題，提出了鴻業—Revit協同建模的技術路線，詳細介紹了該路線的操作邏輯并以工程實例驗證其可行性與應用效果。

1 軟件協同與建模框架

1.1 軟件協同的概念

多項調研都表明在目前階段，絕大多數企業已經認可了BIM帶來的價值，而政策與企業的雙向推進，使得我國建筑業的信息化進程大大加快。住建部《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》指出，BIM是在計算機輔助設計(CAD)等技術基礎上發展起來的多維模型信息集成技術，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達。多數情況下，創建模型是BIM應用的開始，尤其目前階段BIM應用點主要是三維可視化、碰撞檢查、施工進度模擬等，沒有模型便無從談起。在管線綜合方面，由于種類繁多、整體性強且涉及專業較多精度要求高，并沒有公認效率較高的建模軟件，多數單位使用的是Revit下的建筑MEP(電氣、暖通、給排水)進行管線綜合設計。2014年呂小彪等提出了MEP綜合管線的二次優化設計方法，一定程度上預先解決了設計階段管線碰撞方面的問題[16]。但隨著管網系統日趨復雜，新舊管線交織，利用MEP進行管網綜合設計工作變得不再方便，運營維護需求的提高也要求更高的模型精度，因此也對建模手段和效率提出了更高的要求。

本文旨在研究設計階段基于BIM的管線綜合設計，提出了鴻業—Revit協同建模思路：利用鴻業科技提供的管線軟件方便快捷的管線建模功能，可以快速定義管線，而Revit具有對細部構件的精細修改以及強大的自定義建模優點，對模型細部進行優化，深化模型精度。在滿足工程需求的前提下，提高設計效率，使繁重復雜的工作簡單化流程化。

1.2 協同軟件

Revit是目前較為主流的建模工具，其覆蓋專業廣泛，自定義建模功能強大。在管線綜合設計方面，主要是利用軟件中的MEP功能模塊。具體到管網建模優化設計方面，Revit軟件具有以下較為明顯的特點：管網綜合設計涉及給排水、電力暖通熱力等多個專業，而Revit MEP模塊覆蓋了管網設計的幾乎所有專業，使得在一款軟件中建模一步到位成為可能； Revit建模過程及參數直觀明確，這要優于很多基于CAD進行二次開發的建模工具。同時Revit可導出明細表，是工程算量及施工的重要參考； Revit具有強大的自定義建模功能，對于管線綜合設計中涉及到的細小構件可進行快捷方便的自定義建模，一定程度上提高了設計效率。

同時，Revit覆蓋面較廣，具體到單專業的建模工作上功能劃分則不夠細致，存在較為明顯的短板：對于曲線的處理會出現部分失真，而管網工程曲線段占多數，工程體量較大時軟件壓力較大，導出效果無法保證； 對于排水管線等重力管線，起始點的標高是重要的參數，而在Revit中建立如此細致繁雜的參數數量給設計人員帶來了極大負擔，且準確性無法保證，對后期碰撞檢查等方面的應用影響很大； 對于大體量工程，Revit的批量生成工具Dynamo模塊在橋梁、樁基建模中經常使用，但在管線方面，由于節點種類繁多，大量的數據處理工作并沒有使得效率得到提升，使用上仍不夠方便。

國內鴻業科技研發的“管立得”軟件是基于Autodesk平臺二次開發的管線軟件，這是一款專門用于管線設計建模方面的工具，其特點：建模快捷方便，可直接在CAD圖紙上進行建模，軟件界面友好，信息的傳遞和存儲也更符合國內的設計習慣和規范要求； 專業劃分明確，管線規格、材質、節點類型全面，符合國內設計標準，同樣可以導出明細表便于算量與施工。但同時也存在著以下不足：軟件自帶節點族庫在設計階段齊全，但可支持導出的類型只有“國標06”族庫，因此模型導出后節點信息并不準確； 節點部分模型較為粗糙，導出后精度僅可用作碰撞檢查，難以滿足三維可視化及施工模擬等方面的應用點； 由于軟件本身是基于AutoCAD的二次開發成果，因此存在部分功能未開發或不完善的情況。總結來看，針對管網工程建模，兩款軟件的特點如表1所示。

1.3 鴻業—Revit協同建模框架

由兩款軟件功能與特點可知，Revit建模精細直觀，但工作量較為繁重； 鴻業軟件建模快捷方便，但模型精度不能達到應用點要求，成果可用性不高。使用單一軟件進行管線綜合設計會遇到多重困難，是個效率較低的過程，因此在工程實踐的摸索過程中，產生了鴻業—Revit協同建模的思路，即綜合兩款軟件的優點，利用鴻業科技提供的管線軟件方便快捷的管線建模功能，可以快速定義管線，而Revit具有對細部構件的精細修改以及強大的自定義建模優點，對模型細部進行優化，深化建模精度。在縮短建模時間的同時，保證設計精度能夠滿足三維可視化、碰撞檢查及施工運維等多項應用點要求。

協同設計框架的思路是，管線主體建模在鴻業軟件中完成，而深化模型精度工作在鴻業所得模型的基礎上在Revit中完成。以排水管線建模為例，其建模主要包含六個內容：

(1)創建規格庫。處理圖紙時總覽工程涉及管線規格、材質、查閱標準和相關資料，提前設置好規格庫以備后續調用。

(2)管線建模及參數修改。嚴格按照設計說明，定義管線模型。有關管線的重要參數有起始標高，管線代號及自身管徑、壁厚、管材等。

(3)節點參數修改。修改節點處檢查井標高、編號及規格，由于節點規格庫中只有“國標06”可進行三維轉換，若工程所涉及節點不屬國標06規格庫，則需要提前建立好對應關系，便于后續優化模型時方便修改。

(4)導出明細表及轉換文件。到目前階段模型信息已全面準確，導出明細表，進行圖面檢查后二維轉三維，并以“.xml”格式導出。至這一步，鴻業軟件“管立得”中所有操作已完成。

(5)Revit優化模型。在Revit中創建基于管立得的樣板文件，將模型文件導入Revit樣板文件(如圖3)，提前建立好項目檢查井族庫并按照上述建立的對應關系，利用Revit族參數覆蓋規則，用滿足精度要求的檢查井替代模型中的節點，模型中存在的部分細節問題也一并改正，此時便得到符合精度要求的模型文件。圖4展示了圓形直通檢查井在Revit中優化前后的對比。

(6)模型信息明細表對比。模型以“.fbx”格式導出，在Autodesk平臺下的另一款軟件Navisworks中打開模型，對比模型信息與導出的明細表是否一致，以防Revit中某些操作而使模型信息發生變化。確定無誤后將按照一一對應的方式在項目管理平臺中將信息返還模型，便于施工及運營維護。

圖3 模型導入RevitFig.3 Import Model to Revit

圖4 節點模型優化前后對比Fig.4 Comparison of node model before and after optimization

2 工程應用實例

2.1 工程背景及建模難點

徐州市城東大道快速化及其配套管網管廊項目，工程范圍西起三環東路，東至徐賈快速路。沿線分別經過三環東路、德政路、民祥園路、慶豐路、學院東路、漢源大道、龍湖東路、廣德路、振興大道、鯤鵬大道、金鳳路、高新大道、徐賈快速路。道路改造工程全長約12.3km，主線標準為城市快速路，設計車速80km/h，輔路標準為城市主干路，設計車速40-60km/h。因工程地處市區，三面住宅區(如圖5)，另一面則是給排水相關工廠，已有管線交錯復雜導致設計難度加大，BIM技術可提前進行碰撞檢查和三維可視化預覽，提早發現問題，可爭取將問題在設計階段解決或者對施工階段予以細節指導，避免施工階段不必要的人力物力浪費，節約工程成本。在創建管線綜合模型時，利用了本文所提出的鴻業—Revit協同設計方法，在三維可視化基礎上進行碰撞檢查，平臺應用等多個應用點進行成果檢驗。

圖5 工程概覽Fig.5 Project Overview

2.2 模型應用

2.2.1 三維可視化方案展示

根據模型應用點的要求，模型精度要求至工程施工所涉及的最小單位，如檢查井的標號、井筒、井蓋、井圈、基礎等細節均要有所展示，通過項目名稱一一對應保證明細表中的模型信息能夠在平臺中返還模型，由于完成后的模型體量較大，因此挑選部分細節展示。圖6、圖7分別是管線模型載入項目的地面及地下視角透視模型，模型精度可以滿足可視化應用的需求。

圖6 地面視角管線模型Fig.6 Ground view pipeline model

圖7 地下視角管線模型Fig.7 Underground perspective pipeline model

2.2.2 碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術的主要應用點之一，尤其是對于管網工程這種空間性較強的工程，對模型進行碰撞檢查后可提前發現新設計管線與已有管線的沖突，以及設計管線自身碰撞沖突，提前發現問題給予施工方建議，更多的是反饋設計方，將問題解決在設計階段，避免累積到施工階段，造成成本增加及人力物力浪費，尤其是對于管網工程這種整體性較強的工程，牽一發而動全身，利用碰撞檢查提前發現問題有著極為重要的意義。圖8展示了部分碰撞檢查結果，并以顏色區分，設計人員可依此進行凈高復核優化。

進行碰撞檢查的工具是Autodesk平臺下的Navisworks軟件，由于模型最終是在Revit中導出，兩款軟件同屬Autodesk平臺，一定程度上也避免了不同平臺之間信息傳遞流失的情況。Navisworks系列軟件提供了強大的模型查看和分析功能，多利用模型分析結果進行設計優化、施工指導、運營維護等多個方面。使用其碰撞檢查功能模塊，可直觀地觀察到部分碰撞現象，并能導出碰撞分析報告，工程人員將以此為依據進行決策。

圖8 部分碰撞檢查結果Fig.8 Partial collision check results

2.2.3 施工組織模擬

將模型信息明細表按照項目名稱一一對應的方式在管理平臺上關聯模型，施工組織人員可直觀方便地查看模型信息(圖9)，平臺中點擊相應模型構件即可顯示詳細的屬性信息，施工方可以此為根據進行施工進度模擬，隨時監督施工進度，指導施工的先后順序(圖10)，未建、在建、已完未驗、已完已驗在施工管理平臺中一目了然，大大減輕了管理人員的工作，使得工程施工進度透明直觀。

圖9 平臺管線屬性信息Fig.9 Platform pipeline attribute information

圖10 平臺施工質量進度管控Fig.10 Platform construction quality progress management and control

2.3 協同建模創新點及應用點

(1)對管網綜合建模帶來的效率提升

經過工程實例的考驗，證明鴻業—Revit的管網建模思路是切實可行的。針對兩款軟件的特點，揚長避短，綜合了兩款軟件的優點后，使得建模流程清晰明確，減輕設計人員負擔的同時盡可能避免了人力帶來的數據偏差。利用本技術路線創建的模型精度完全可以滿足目前工程對于BIM應用點的需求，且Revit擁有強大的自定義建模功能，可隨時根據需求對模型進行相應調整，保證在滿足工程要求的同時提高設計效率。

(2)構件庫的建立，對BIM正向設計的導向作用

目前國內大多數使用BIM 技術的項目還處于傳統CAD圖紙到 BIM 的過渡模式中，即三維模型是基于二維圖紙的“翻模”，而理想化的高效率BIM技術模式應是：CAD圖紙成為三維模型的副產品，是一種傳統包含于新技術的高效模式。這種模式便是正向設計，即直接進行三維設計，利用三維模型導出CAD 圖紙，改動也直接在三維模型信息中進行，自動生成更改的二維圖紙。而BIM正向設計的推進與發展不是一蹴而就的。基于構件庫的裝配思想是目前推進正向設計的主要渠道之一。簡言之，構件庫是將工程所涉及構件按照一定的分類標準分門別類所構成的集合，在建模時可直接調用相應構件組裝模型，這是理想的構件庫使用模式。

本文提出的新型建模路線，第一階段在鴻業“管立得”軟件中的操作是優化后的基于二維CAD圖紙的翻模，而第二階段在Revit中模型優化需要使用深化精度后的節點模型，調用節點模型的過程契合構件庫的思路。對建好的節點模型按照統一標準進行嚴格的分類編碼，可充實企業構件庫，便于后續工程調用，符合BIM正向設計的大發展方向。

(3)符合BIM發展趨勢，協同交流，共同解決問題

“信息孤島”或者說交流障礙是阻礙BIM發展的一個重要原因，這種障礙存在于各專業間、工程各層級、企業間以及各平臺軟件之間，只有打破壁壘，將各方信息匯聚處理才是目前解決問題的最佳方式，本文所提出的兩款軟件間協同合作的技術路線，發揮各自優點，最終在滿足工程要求的同時，大大提高了建模效率，是解決“信息孤島”障礙的軟件實踐。

3 結論

在政府與企業的雙重推動下，BIM技術已逐步從理論層面過渡到工程應用層面。針對目前各企業過于注重BIM可視化及其他應用層面而忽略了BIM的核心是信息。針對空間性復雜、整體性較強的管網工程，提出了BIM建模的軟件協同建模思路。按照技術路線的操作邏輯，總結了管線綜合建模的技術要點。

以徐州市城東大道快速化及其配套管網管廊項目為例，在工程建模階段采用了鴻業—Revit建模路線，并以三維可視化、碰撞檢查、施工進度模擬等應用點為考核目標，證明了利用此路線所創建的模型是滿足工程要求的，在減輕設計人員負擔的同時，為管網工程建模提供了新的解決方案，也對類似工程建模問題的解決提供了參考。