基于 BIM 的水運工程三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究與應(yīng)用

王長海 覃延春

摘要：文章應(yīng)用BIM技術(shù)對三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)進行了研究，并以山秀船閘擴建工程項目為例，介紹BIM數(shù)字化協(xié)同設(shè)計解決方案在船閘工程中的應(yīng)用，同時針對協(xié)同設(shè)計模式存在的問題，提出了改進和優(yōu)化的建議。

關(guān)鍵詞：船閘;三維;數(shù)字化;協(xié)同設(shè)計

文獻標識碼：U612.3-A-53-186-4

0 引言

隨著計算機技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展，智能制造工程深入實施，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)字化的全面推進，數(shù)字技術(shù)在我國社會、經(jīng)濟發(fā)展中的重要性愈發(fā)突顯。“數(shù)字中國”的建設(shè)是新時代國家信息化發(fā)展的新戰(zhàn)略，關(guān)乎著民族、國家未來的發(fā)展，而數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)又是“數(shù)字中國”建設(shè)的一個重要組成部分，是支撐“數(shù)字中國”建設(shè)的重要力量。

傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計技術(shù)雖然也是數(shù)字化的設(shè)計，但其設(shè)計成果是扁平化的，讀懂、弄通圖紙需要專業(yè)的知識背景、專業(yè)的培訓(xùn)以及豐富的工程實踐經(jīng)驗，其設(shè)計成果以電子文檔或者紙質(zhì)文檔的形式存在，成果之間沒有相互的關(guān)聯(lián)和信息銜接。而以BIM技術(shù)為代表的工程數(shù)字化技術(shù)則具有可視化、參數(shù)化、信息化、自動算量、精確出圖等特點，可極大提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，設(shè)計成果可作為信息載體應(yīng)用于工程全生命周期。

船閘工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計涉及的專業(yè)多，專業(yè)間的協(xié)同、溝通困難。基于BIM的數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在多個船閘工程中得到應(yīng)用，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。邕寧水利樞紐船閘工程根據(jù)二維設(shè)計成果建立了船閘BIM三維模型，并對模型進行了碰撞檢查[1]。上海國際航運服務(wù)中心項目西船閘工程建設(shè)過程中采用3D打印技術(shù)研制船閘實體比例模型，并結(jié)合BIM三維模型對復(fù)雜多曲面異形空間進行了模板拆分、拼接、安裝以及工程量統(tǒng)計等工作[2]。富春江船閘工程采用BIM建立了三維地形和土建模型，對模型進行了碰撞檢查;利用模型體積復(fù)核結(jié)構(gòu)混凝土工程量;利用Navisworks模擬施工方案工序的合理性[3-5]。濛里樞紐二線船閘在測量、勘察、設(shè)計三個階段應(yīng)用BIM技術(shù)，形成全階段解決方案，并在建立BIM設(shè)計的標準化方面進行了嘗試[6]。

上述船閘工程多數(shù)基于Autodesk平臺進行了設(shè)計局部專業(yè)或者全階段的協(xié)同應(yīng)用，也解決了一些工程實際問題，但是還沒有應(yīng)用Bentley平臺進行設(shè)計全過程協(xié)同應(yīng)用的案例。本文以山秀船閘擴建工程為例，介紹BIM數(shù)字化協(xié)同設(shè)計解決方案在船閘工程中的應(yīng)用，并對協(xié)同設(shè)計過程的機理和問題進行了分析。

1 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計研究

1.1 項目數(shù)字化解決方案

本項目數(shù)字化解決方案以“一個平臺、一個模型、一個數(shù)據(jù)架構(gòu)”的理念為指導(dǎo)[7]，以Bentley公司的MicroStation平臺為基礎(chǔ)，以直接運行于MicroStation基礎(chǔ)平臺之上的各種專業(yè)三維設(shè)計軟件為支撐，以三維協(xié)同設(shè)計軟件ProjectWise為骨干，構(gòu)建船閘工程數(shù)字化三維協(xié)同設(shè)計軟件體系。解決方案如圖1所示。

1.2 協(xié)同設(shè)計模式

船閘工程傳統(tǒng)的二維設(shè)計沒有真正意義上的協(xié)同設(shè)計，專業(yè)間的協(xié)同僅通過互提資料和專業(yè)會簽來完成，專業(yè)間的工作開展是有順序的、串行的[7]，任何一個專業(yè)出現(xiàn)問題都會返回至上一個環(huán)節(jié)進行處理，導(dǎo)致后序?qū)I(yè)工作的停滯，因此設(shè)計效率非常低下。

在三維協(xié)同設(shè)計的模式下，專業(yè)間串行的工作方式轉(zhuǎn)為并行，減少了專業(yè)校審和會簽等待所需要的大量時間，而且更加注重團隊之間協(xié)同的效率，強調(diào)的是各專業(yè)相互配合、相互幫助、相互支撐的過程，而不是割裂的某個人或者某個專業(yè)內(nèi)部的效率。山秀船閘三維協(xié)同設(shè)計模式如圖2所示。

三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計以ProjectWise Explorer為協(xié)同平臺，工程所包含的8個專業(yè)均在平臺下同時開展設(shè)計工作。項目目錄結(jié)構(gòu)下設(shè)模型總裝，用于項目整體模型的裝配和集成，各專業(yè)設(shè)置專業(yè)總裝文件，專業(yè)總裝文件經(jīng)審查合格后進行發(fā)布，模型總裝文件通過文件參考的方式將各專業(yè)總裝文件參考進來進行總裝配。采用參考的協(xié)同方式，既保證了設(shè)計的效率，也保證了硬件配置需求能在合理的范圍之內(nèi)。在同一個總裝模型下，各專業(yè)對構(gòu)件模型的調(diào)整都能立即反映在總裝模型中，相關(guān)專業(yè)也能根據(jù)其他專業(yè)的變化直接調(diào)整自己專業(yè)的構(gòu)件模型，實現(xiàn)設(shè)計同步。

2 山秀船閘三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

2.1 項目概況

山秀水電站位于左江主干流下游河段，距崇左市扶綏縣約14 km，距南寧市約90 km，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運、灌溉等綜合效益的水利水電工程。山秀船閘擴能工程是為適應(yīng)目前左江水運發(fā)展的要求，擬在現(xiàn)有300噸級船閘的左岸按1 000噸級（兼顧2 000噸級）標準新建二線船閘。

2.2 三維設(shè)計會審

基于山秀船閘總裝模型進行三維設(shè)計會審，各專業(yè)負責人與設(shè)計總工程師、技術(shù)總工一起對全專業(yè)的設(shè)計模型進行審核。在會審的過程中，直觀地進行技術(shù)復(fù)核及設(shè)計問題審查，直接發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計的問題及專業(yè)間設(shè)計銜接和碰撞問題，有利于各專業(yè)基于同一平臺討論并提出能滿足各方需求的解決方案。通過三維設(shè)計會審總共審核和發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題十余項。

三維會審后，各專業(yè)根據(jù)會審的意見迅速修改和調(diào)整設(shè)計方案并最終固化形成階段性的設(shè)計成果。三維協(xié)同會審解決了傳統(tǒng)二維會簽費時、周期長的缺點，提升了評審的效率，縮短了項目整體的設(shè)計周期。

2.3 模型出圖應(yīng)用

基于會審固化后的數(shù)字化模型，在MicorStation等軟件中通過創(chuàng)建切面的方式，將三維結(jié)構(gòu)在切面處的信息以二維平面圖的形式提取出來，主要有幾何結(jié)構(gòu)切圖、地質(zhì)構(gòu)造剖面切圖、構(gòu)件配筋切圖等。抽圖流程如下頁圖3所示。

三維數(shù)字化協(xié)同工作模式基本上是全三維的，最終形成相當于傳統(tǒng)施工圖深度的工程項目模型，并以模型為輸出成果，而且可以利用三維模型剖切出所需的二維圖紙，再對生成的二維圖紙進行適當?shù)募庸ぃㄈ缥淖帧⒊叽绲臉俗ⅲ┍憧傻玫絺鹘y(tǒng)的工作成果。隨著三維模型的修改和更新，從三維模型抽取的二維圖形也會隨之更新，設(shè)計的質(zhì)量及效率方面的優(yōu)勢體現(xiàn)

尤為顯著。項目越復(fù)雜和周期越長，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工作模式的優(yōu)勢會愈加明顯。因此在多專業(yè)參與的大型復(fù)雜項目上采用數(shù)字化正向協(xié)同設(shè)計，將更能獲取高質(zhì)量、高效率的設(shè)計成果。模型質(zhì)量是獲得高質(zhì)量工作成果的關(guān)鍵，更是BIM價值的真正基礎(chǔ)，這也是采用BIM數(shù)字化設(shè)計模式的價值所在。

2.4 三維數(shù)字化配筋

傳統(tǒng)的鋼筋圖繪制，技術(shù)含量相對較低，但是出圖工作量卻最大，且全部是靠人工一筆筆地畫出來，需要耗費非常多的人力資源和時間[7]。使用三維配筋軟件進行配筋，通過輸入鋼筋直徑、間距等參數(shù)后，軟件自動在配筋面上生成鋼筋，可直觀地修改錨固長度和方向、鋼筋形狀等，軟件自動根據(jù)配筋面的形狀、長度等信息，生成鋼筋形式并計算鋼筋數(shù)量，自動對鋼筋進行編號和生成鋼筋表、統(tǒng)計材料表等，通過切圖，即可生成常規(guī)鋼筋圖。

應(yīng)用三維配筋軟件，可明顯加快大體積、形狀不規(guī)則水工構(gòu)件的鋼筋圖繪制工作，將設(shè)計師從繁瑣的鋼筋繪制、統(tǒng)計工作中解脫出來，并且具有平剖面圖對應(yīng)、數(shù)量準確、方便修改等優(yōu)點，可大幅度提高配筋設(shè)計的工作效率。三維配筋的效率比常規(guī)方法大大提高，例如常規(guī)配筋需要一周的時間，采用三維配筋軟件，配筋和出圖的時間可以縮短至2 d以內(nèi)，越復(fù)雜的構(gòu)件越能體現(xiàn)三維配筋軟件的優(yōu)越性。

2.5 BIM+GIS的數(shù)字化交付

通過無人機傾斜攝影技術(shù)獲取項目周圍影像數(shù)據(jù)，并基于Bentley公司的傾斜攝影數(shù)據(jù)處理軟件CCC以及后期模型修飾軟件Descartes生成3MX實景模型。通過GIS接口，可以一鍵將模型導(dǎo)入到Skyline中，實現(xiàn)BIM與GIS的無縫融合，利用影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等真實環(huán)境及構(gòu)建物模型等創(chuàng)建實景模型，直觀地反映山秀船閘項目建成后與周邊以及地形的融合情況。

GIS+BIM的模型數(shù)字化交付給項目業(yè)主帶來了全新的交付體驗。通過數(shù)字化模型，項目業(yè)主可以直觀地審查設(shè)計方案的合理性，方便地查詢設(shè)計構(gòu)件信息。數(shù)字化的成果和交付方式得到了項目業(yè)主的一致好評。山秀船閘GIS+BIM數(shù)字化成果如圖4所示。

2.6 應(yīng)用小結(jié)

在沒有二維設(shè)計圖紙的情況下，山秀船閘工程各專業(yè)基于正向設(shè)計的思路開展協(xié)同設(shè)計，在設(shè)計過程中實時地審查模型，及時修改設(shè)計上的錯漏碰缺。項目全專業(yè)在一個多月的時間內(nèi)合作完成了設(shè)計建模工作，水工結(jié)構(gòu)部分設(shè)計建模精度達到LOD300施工圖要求，并且基于項目數(shù)字化模型進行了會審、出圖、算量、配筋等工作。

通過三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計直觀的表達方式，能輕易地發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計方式不易發(fā)現(xiàn)的問題，如管道碰撞、模型銜接偏差、復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達缺失等。正向協(xié)同設(shè)計能保證各專業(yè)之間信息交流的直觀性、及時性與準確性，極大提升設(shè)計工作效率。

3 三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計問題分析

三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，使船閘工程的設(shè)計模式由傳統(tǒng)的串行變成為并行，船閘工程的設(shè)計效率也有了明顯的變化。對船閘工程設(shè)計周期進行初步統(tǒng)計的結(jié)果如圖5所示。

從項目的整體進度上看，采用了三維設(shè)計后，整個設(shè)計周期縮短了將近一半，主要得益于采用了并行的協(xié)同設(shè)計模式。在設(shè)計環(huán)節(jié)，各專業(yè)可以并行設(shè)計，可以進行實時的資料傳遞和信息共享，保證了設(shè)計方案的一致性和統(tǒng)一性;在會簽會審環(huán)節(jié)，基于三維模型的自動碰撞檢測，提高了檢測的效率和準確率，而且集中會審的效率也比各專業(yè)之間的順序會簽效率高。因此，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在項目的整體性上。

而從單一的專業(yè)應(yīng)用角度分析，可以看到目前三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計存在的問題，如建模所花費的時間比常規(guī)的二維設(shè)計多很多，這也是為什么生產(chǎn)設(shè)計人員普遍反映三維設(shè)計不好用，沒法進行正常的正向設(shè)計。究其原因主要還是專業(yè)應(yīng)用軟件的功能不完善，建模效率低下，也就造成了專業(yè)設(shè)計人員從局部的眼光看問題，對三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用推廣形成了一定的阻礙。

在本項目的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計應(yīng)用過程中，主要存在以下一些問題：

（1）地質(zhì)軟件建模成功率并不高，模型局部調(diào)整難度大，對大型模型開挖常需要分塊進行，效率低。

（2）水工專業(yè)三維模型轉(zhuǎn)二維圖紙需要較多的時間。

（3）電氣圖庫還不完善，電氣負荷計算功能未能達到正向設(shè)計的目的。

（4）給排水專業(yè)缺少符合國家標準的模型庫，軟件的水力計算功能偏弱，需要傳統(tǒng)的手段進行輔助。

（5）航道專業(yè)缺乏專業(yè)的填挖方工具軟件。

從反饋的問題上看，主要集中在專業(yè)軟件的功能上。因此要推動和發(fā)展數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，必須依靠專業(yè)的軟件公司和工程設(shè)計單位戮力合作，不斷對專業(yè)軟件的功能進行開發(fā)和完善，提高設(shè)計建模的效率。縮短專業(yè)建模的時間必將進一步縮短工程整體設(shè)計周期，給工程帶來可觀的經(jīng)濟效益。同時，工程設(shè)計人員也應(yīng)該不斷提升軟件操作熟練度和應(yīng)用技能，要以數(shù)字化的眼光從全局考慮工程問題，深刻認識到工程數(shù)字化的重要性和為工程建設(shè)行業(yè)帶來的技術(shù)革新，積極、主動地在其他項目上探索性地開展三維數(shù)字化正向化設(shè)計工作。

4 結(jié)語

三維數(shù)字化技術(shù)是工程建設(shè)行業(yè)未來發(fā)展的方向，也是國家數(shù)字化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)力量。在國家政策引導(dǎo)、市場競爭等因素的影響下，三維數(shù)字化技術(shù)必將得到越來越深入和廣泛的應(yīng)用[8]。

山秀船閘擴建工程三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)的成功應(yīng)用，表明基于BIM的三維數(shù)字化技術(shù)對于船閘工程具有良好的適用性，可以為船閘工程各專業(yè)提供比較好的數(shù)字化解決方案和協(xié)同設(shè)計模式，能提高船閘工程的設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短設(shè)計周期。

參考文獻

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收稿日期：2021-03-05

基金項目：

2018年度交通運輸行業(yè)重點科技項目“基于互聯(lián)網(wǎng)+BIM的高速公路協(xié)同設(shè)計與施工管理一體化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：2018-MS1-029）

作者簡介：

王長海（1983—），碩士，教授高級工程師，主要從事信息技術(shù)、地理信息及BIM技術(shù)研究與應(yīng)用工作;

覃延春（1979—），碩士，高級工程師，主要從事水利、交通工程BIM技術(shù)研究與應(yīng)用工作。