基于BIM的港口工程地下管線設計方法

李薇 屠姍姍 于水

摘 要：針對目前以二維施工圖為基礎的港口工程地下管線設計存在的設計工具落后、各專業管線之間缺少協同工作、較難實現管線與地下建構筑物的碰撞校核等問題，進行基于BIM（Building Information Model/Modeling）的港口工程地下管線設計方法的探索，通過港口工程地下管線設計系統高效的模型創建能力、強大的交互功能，實現直觀的模型碰撞點查詢、實時的模型修改協調及地下管線二維出圖，為提高港口工程地下管線設計成果質量提供有效的手段。

關鍵詞：港口工程;地下管線設計;BIM

中圖分類號：U65? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0105-04

隨著港口的現代化發展，港區內的生產輔助管線分類日益精細，管線總體數量明顯增加，地下管線設計難度相應加大。地下管線設計的任務是在總體平面及豎向設計中合理安排各種管線的路由、埋深、敷設方式，協調各種管線之間（尤其在交叉點）及管線與地下建構筑物之間的矛盾，使之符合各專業現行設計規范要求，同時達到最大限度集約用地的目的。

目前，港口工程地下管線設計大多仍停留在傳統二維設計模式，各專業管線之間缺少協同工作，管線與地下建構筑物的綜合也較難實現，導致地下管線設計中始終存在碰撞問題，后期設計變更頻繁，效率低下。BIM技術具有強大的三維視覺優勢，因此，有必要探索基于BIM技術的港口工程地下管線設計新流程、新方法，使設計人員在設計過程中能直觀、快速地進行判斷，并及時精確調整和優化設計方案，解決上述管網綜合設計的重要難題，大幅提升設計效率和設計成果質量。

BIM的核心是信息數據，以數據驅動生成三維模型，完成地下管線的虛擬形體創建，能直觀反映其拓撲關系[1]。于貴書基于Revit、Navisworks平臺建立管線BIM模型，實現BIM技術在建筑工程地下管線設計階段的探究與應用[2];劉琳琳采用基于BIM的協同設計方式探索了青島市某市政管線工程3D核心模型的創建與設計優化[3]。但是，現有的研究多集中在建筑工程、市政工程領域，對于港口工程的地下管線設計較少涉及。因此，本文針對港口工程特點，對基于BIM的港口工程地下管線設計進行探索。

1 港口工程地下管線設計系統簡介

1.1 系統架構

系統架構分析以確定系統各部分組成及定義為主要目的。基于BIM的港口工程地下管線設計系統架構自上而下分為三層：參數層、方法層、目標層，逐層遞進以達到完成設計任務的目的。參數層為系統輸入參數，包括二維設計數據和構件干涉閾值數據。方法層為系統的模型構建體系，通過二維設計數據，基于BIM技術，建立地形TIN模型、管井模型、管線模型及地下建構筑物模型，經與構件干涉閾值數據進行耦合，完成模型自身查驗。目標層為系統的輸出成果，能完成模型實時碰撞點動態查詢及修改協調，最終達到完成二維設計出圖的目的。該架構主要組成及每層設計內容見圖1。

1.2 系統開發框架

本系統基于BIM核心建模軟件平臺進行擴展，選用插件模式完成港口工程地下管線設計系統的定制。系統界面采用WPF（Windows Presentation Foundation，Windows呈現基礎）的MVVM模式編寫。開發框架見圖2。

1.3 系統功能模塊

基于系統架構及開發框架，將本系統劃分為5個部分13個模塊，具體見圖3。

2 系統設計原理

2.1建立數據庫

選擇系統應用平臺、系統代碼框架，進行邏輯結構及數據庫等設計。通過建立關聯數據庫，可以建立二維設計數據與構件干涉閾值的關系，為地下管線設計的硬碰撞點及軟碰撞點實時動態查詢及修改協調提供數據結構基礎。

2.2建立港口工程管線參考平面模型及地下建構筑物模型

依據設計資料，在BIM核心建模軟件中建立港口工程管線參考平面TIN模型及地下建構筑物實體模型。

2.3建立港口工程管井及管線模型

港口工程管井及管線模型的建立需在模型數據結構基礎上實現，模型數據結構通過面向對象方法的“類”的形式體現[4]，包括：表面頂點、三角形邊及三角形3種基本幾何元素;管節點、管段、井室、井蓋4種管線實體對象。

（1）系統管線空間位置確定采用地下管網系統建設方法[5]，原理如下：給定一任意點P可表達為，設管線中心線起點坐標、終點坐標，管線有向線段記做，與x，y，z三個坐標軸正向夾角分別記做，這三個角即的方向角，其中。將模型中相連的管線簡化在同一xy平面，即，管線的方向角為：

（2）系統基于特征斷面法對兩條存在一定角度的管線生成彎管連接面，以圓形特征斷面為例，原理如下[6]：假設特征斷面S，在空間坐標系中S的形狀和位置可唯一地表示示為，其中為S的圓心坐標，為S的半徑，為S的法線方向。假設彎管連接的兩個直管分別為，確定彎管弧段的起始點、半徑、圓心、夾角等參數。

（3）基于上述原理，搭建所有管節點及管段數據結構，完成相應港口工程管井、管線模型的建立。

2.4 實時碰撞點動態查詢及模型修改協調

碰撞點動態查詢是在已建立港口工程管線及地下建構筑物BIM模型的基礎上利用系統功能對碰撞進行檢測，并生成碰撞點模型標記及碰撞點統計報告，以利于設計人員對碰撞點進行及時消解。系統中考慮兩種類型的碰撞問題[7]：①硬碰撞：不同管線之間、管線與地下建構筑物之間發生重疊、交錯;②軟碰撞：不同管線之間、管線與地下建構筑物之間沒有發生重疊、交錯，但它們之間的距離不滿足管線專業設計要求。

當硬碰撞或軟碰撞問題出現時，系統按照港口工程常規設計原則[8]進行處理：①壓力管線避讓自流管線;②小管徑管線避讓大管徑管線;③可彎曲管線避讓不可彎曲管線;④新建管線避讓已建管線;⑤臨時管線避讓永久管線。

經系統自動完成模型修改協調后，如仍發現需調整的部位，需手動進行模型調整，最終達到滿足地下管線設計要求的效果。

2.5 二維設計出圖

完成港口工程管線BIM模型修改協調后，為進行下一步二維設計出圖，設計人員需在系統內完成如下資源配置：①管井縮略樣式;②管道線型樣式;③管道交叉點平面標注樣式;④管道顯示樣式;⑤圖框樣式;⑥圖幅分割;⑦打印樣式。其中：管線繪制格式、管網設施簡化圖例等可自動顯示在圖紙中;管線交叉點高程標注等可通過批注功能進行一鍵生成，僅需在個別位置做適當調整即可;圖幅分割、圖框嵌套等可通過輸入自定義分割繪圖范圍、選定系統內置圖框進行確定;圖簽內容可通過在系統內填寫項目工程信息、項目參加人員信息等資料后進行自動填寫;最后，在圖紙管理器中批量生成圖紙，與出圖系統相連接完成自動化出圖。通過系統二維設計出圖模塊完成的出圖工作，能節省效率低下的體力勞動，避免信息填報疏漏，提高設計產品質量。

二維設計出圖流程見圖4。

3 工程應用

以某港口工程為例。該工程占地29公頃，管網綜合設計涉及的管線種類包括雨水、污水、給水、消防、高低壓電管等多種地下管線及冷藏箱架、燈桿、燈塔、消防泵、圍網、軌道梁等建構筑物基礎，各類管線布局密集且交叉頻繁。

（1）地下建構筑模型建立。根據設計資料，使用BIM核心建模軟件完成建構筑物基礎的三維模型的建立。

（2）地下管線參考平面模型建立及管井頂高程提取。根據設計資料，使用BIM核心建模軟件完成地下管線參考平面TIN模型的建立，經與管井平面坐標耦合后求得管井頂高程。

（3）管井及管線模型建立。從二維設計數據中提取管井編號、管井平面坐標、管井高度、管井旋轉角度、管線編號、管線首尾連接的管井編號、管線首尾端點高程等信息后導入系統，并在系統中選取已錄入的管井單元類型、管線型號、構件干涉閾值等參數，為管線模型建立做準備。

使用系統中模型構建向導，導入管井信息表格（以低壓電井為例，見圖5），得到管井模型，見圖6。

使用系統中模型構建向導，導入管線信息表格（以低壓電管線為例，見圖7），得到管井模型，見圖8。

（4）模型組裝。將地下建構筑物模型、管井及管線三維模型進行協同裝配，形成管線工程整體模型，見圖9。

（5）碰撞點動態查詢及模型修改協調。利用系統碰撞點動態查詢功能，對管線設計狀態進行碰撞檢測分析，見表1，共發現管線間碰撞點共計165處，其中硬碰撞51處，軟碰撞114處;管線與建構筑物基礎碰撞點共計203處，其中硬碰撞87處，軟碰撞116處。通過模型自動及人工手動修改協調管線布局，消解所有管線碰撞，使管線設計間距滿足現行設計規范要求，并確保最大限度集約用地。

（6）二維設計出圖。模型確認后，利用系統二維設計出圖模塊，完成本工程的地下管線設計平面、斷面自動出圖。

4 結語

（1）本文是對港口工程地下管線設計工作模式的流程及方法的前沿探索，為管線模型的設計表達提供了一種新的技術途徑。

（2）基于BIM的港口工程地下管線設計系統，耦合二維設計數據和干涉閾值數據，快速生成符合港口工程現行規范要求的三維管線模型。系統設計步驟為數據結構錄入、模型建立、碰撞點動態查詢、模型修改協調及二維設計出圖。

（3）基于BIM的港口工程地下管線設計系統為設計人員精準及時地消解管線碰撞提供三維模型依據，彌補了傳統港口工程地下管線設計存在的設計工具落后、各專業管線之間缺少協同工作，較難實現管線與地下建構筑物的碰撞校核、設計效率低下等不足。

參考文獻：

[1]楊懋偲，陳江平. 地下排水管網自動化BIM建模研究[A]. 中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會.第六屆全國BIM學術會議論文集[C].中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會：中國建筑工業出版社數字出版中心，2020：6.

[2]于貴書. BIM技術在管網綜合設計中的探究與應用[D].大連理工大學，2016.

[3]劉琳琳. BIM技術在地下市政管網工程全生命周期中的應用研究[D].青島理工大學，2016.

[4]周京春. 地下管網三維空間數據模型及自動化精細建模方法研究[D].武漢大學，2016.

[5]陳子輝. 虛擬三維地下管網建模技術研究與實現[D].天津大學，2009.

[6]賴承芳. 三維建模技術及其在城市地下管網系統建設中的應用[D].中國地質大學（北京），2013.

[7]姚剛. 基于BIM的工業化住宅協同設計的關鍵要素與整合應用研究[D].東南大學，2016.

[8]交通部第一行務工程勘察設計院主編.海港工程設計手冊（上冊）[M].北京：人民交通出版社，2001.