三維虛擬建造施工技術在核島廠房中的應用

張磊磊，周情來，王宜盼

（中國核工業華興建設有限公司，江蘇 南京 225009）

核電站核島廠房通過集約化和模塊化設計，以減輕現場施工環境的擁擠，使現場可以有更多專業交叉作業、平行施工，因此對現場環境預判、技術策劃等工作也有了更高的要求。使用BⅠM 技術進行項目虛擬建造，借助信息模型的可視化、信息化的特點，提前發現難以預見的設計缺陷，解決技術準備中憑空想象造成的偏差錯漏。運用三維虛擬建造技術，構建實用美觀的信息模型（以下簡稱“BⅠM 模型”），展示設計數據描述物項的直觀形象，可為核島廠房的技術準備及施工策劃等工作提供清晰的指引。如何構筑BⅠM模型，缺乏標準做法，業內很多公司都在摸索前行，中國核工業華興建設有限公司經過對試點項目核島廠房的工程實踐，研究三維虛擬建造的具體方法，取得了一定的成果。

1 工程概況

試點項目核島廠房包括若干主廠房，設計圖紙共用同一套軸網體系，各專業設計圖紙相對獨立，土建圖紙主要涉及的專業包括建筑、負挖、鋼筋、混凝土、鋼結構、壓型鋼板結構樓承板、預埋件、管道貫穿件、電氣貫穿件、結構模塊、預制板、鋼制安全殼、裝飾裝修、總體布置圖等。為了使圖紙簡潔，每個專業圖紙上只標注本專業物項，對一份圖紙涉及的其他專業物項則在圖紙的說明文字和參考文件欄進行索引，而圖紙上可能簡化或省略其他專業物項。因此，從一套專業圖紙上是無法確定現場實際涉及物項的種類、數量、排布的，游走在諸多專業、成百上千的圖紙中，光靠憑空想象，要做出可靠的施工策劃和技術準備非常困難。

2 BIM 模型創建方法研究[1-2]

2.1 建模軟件選擇

本試點項目主要著眼于土建施工，使用AutoDesk Revit 軟件創建項目的主體土建構筑物，使用Tekla Structures 軟件創建鋼結構和結構模塊等。Revit 軟件能比較方便地將物項信息做成參數結合到物項模型中，同時能完成大部分的主體模型。Tekla 軟件是老牌鋼結構詳圖軟件，建模之后可以比較方便地輸出鋼結構的深化設計詳圖，鋼結構建模和鋼筋造型能力較Revit強，但物項信息的集成能力較Revit 弱，主要用于鋼結構和鋼筋的建模。

以下模型創建方面的研究如無特別說明，默認基于Revit 軟件環境的主體模型創建。

2.2 構建坐標系

試點項目的一大特點就是基于設計軟件的坐標系使用：設計圖紙上的軸網基于電廠坐標系定位，預制件、各類模塊、預埋件、貫穿件等物項都基于坐標定位，圖紙上不標定位尺寸，只給出物項坐標列表。

為方便建模過程中的子項定位、各臨建設施場地定位、物項的坐標查詢和位置校驗、視圖方向調整，以及為未來在本項目使用BⅠM 模型輔助完成施工數據復核、施工質量檢查等工作，同時為模型整合提供先決條件，需要對Revit 軟件的建模環境中設置匹配設計圖紙的電廠坐標系，滿足模型創建的需求。

2.3 設置材質庫

設置軟件的材質庫，主要考慮模型外觀和材質信息2 個方面。

2.3.1 關于模型外觀的考慮

Revit 模型外觀在軟件的視圖中有至少8 種以上的改變方法，但每個視圖模型默認的外觀是在材質中定義的。這其中包括渲染外觀、著色外觀和圖紙外觀。

材質設置直接影響模型的默認觀感和出圖便利，對于模型來說，美好的外觀能給觀眾留下很深的印象，但對于利用模型進行技術準備和施工策劃的使用者來說，更重要的卻是模型的易用性[1]。經過項目實踐，材質的外觀設置主要應考慮以下幾點：①對于材質渲染外觀，在考慮材質貼圖與真實材質外觀接近的同時，還要考慮不同材質之間貼圖的區別，造成不同材質之間的鮮明對比以方便識別。②對于材質的著色外觀與渲染外觀類似，主要考慮不同材質之間的顏色對比度，使不同材質之間能夠清晰辨認。③材質設置時不應拘泥于構件本身的物理外觀或油漆顏色，首要考慮的是不同材質的不同物項能夠輕松區別。模型使用人員需能從高對比度中讀出模型的材質、區分不同的構件、辨認模型所屬的不同專業，這比效果圖中逼真的外觀對技術、施工工作來說更加重要。當然模型的實用性和美觀性不是二擇其一，模型的實用性是構建模型首要的考慮因素，美觀性是以實用性為前提條件，是模型在實用性基礎上的價值擴展，應該在不損害材質間辨識度的基礎上，讓模型更接近真實的貼圖和配色方案，務必使模型實用又美觀。本項目材質設置示例如圖1 所示。④對于圖紙外觀中的填充圖案設置，應考慮使用各種材質常用的截面填充圖案，以減少或避免出圖時剖面線的修改，節省出圖步驟和時間。⑤對于配套使用的其他BⅠM 軟件的材質庫，需要考慮與Revit軟件的材質外觀的配套和協調，同時也要考慮材質在實用性基礎上的美觀性，形成各自軟件的材質庫。

圖1 Revit 多專業的材質示例——著色模式

2.3.2 關于材質信息的考慮

Revit 軟件的材質里定義的不僅有材質的圖形特性和外觀表現，還有標識信息、物理屬性、透光隔熱屬性等材質信息。

用于結構分析的物理屬性和用于能量分析的熱屬性：作為施工企業一般都有自己常用的結構分析計算軟件，也極少對構筑物進行能量、采光分析，因此這2類信息的各項參數可以忽略。

材質的標志信息包括材質的名稱、說明信息、產品信息、Revit 注釋信息等，對于這方面信息可以制定規則、合理安排，從而增加模型材質信息的可讀性。

2.4 建立項目族庫

Revit 軟件一大特點是參數化建模，對于規則構件能使用參數化族較輕松地定義符合其規則的一系列類型，將族載入項目環境后就能插入的族實例的方式代替常規建模；族實例形狀還能通過修改族參數進行一定程度的修改。

Revit 軟件的建模工作都是使用族來完成的，對于可項目間共享的可載入族（預埋件、貫穿件、墊板、螺栓、H 形鋼等），需要進行事先規劃和建立族庫。

項目中擁有相似的形狀、需要重復使用的構件，每一類都可以做成擁有通用參數集的一個或多個可載入族，形成族庫。圖2 為試點項目的預埋件眾多種類中的一小部分。

圖2 預埋件族庫中的部分預埋件類型

按照物項重復程度，規劃出需要做成族的物項類別。對于某一類物項，根據其形狀特點，規劃出需要建立的可載入族的數量，族庫的建立應盡量利用Revit軟件參數化優勢，減少族的數量，讓一個族可以表示出盡量多的實例類型，以減少項目模型的文件大小。由于每個族都可能涉及很多的族類型，例如預埋件，同一個族中的參數選擇和類型名稱需要進行構思設計。同一物項可能會隨圖紙升版和設計變更而增加類型，如預埋件，其族庫則要根據需要增加或修改族，不斷完善。對族的創建和記錄需要執行標準化程序，使族庫的管理規范化。

為了在項目級甚至公司級范圍內應用共享，應該對項目中各種自建族，在命名、分類、存儲、記錄、更新上形成系統性族庫，并融入BⅠM 數據庫的存儲系統中。

2.5 項目環境準備

為使建模采用統一標準、同一項目原點，需要建立標準項目樣板作為建模標準環境，內置常用族、參數、坐標系、視圖樣板等，使各子項的模型外觀、圖紙樣式、圖元參數等保持一致。在標準項目樣板中還可以設置共用軸網，作為每個子項定位的基準；設置統一的視圖樣板和過濾器，以便使整個項目的不同子項共用統一的視圖樣式。

2.6 確立建模范圍

項目涉及的專業很多，建模人手有限，建模軟件的建模能力也有局限，所以必須要確立項目的建模范圍，減少建模時間，降低建模的復雜程度。

對于物項過小、過薄且難于形成實體的物項，不建立三維模型，可以考慮在二維視圖中添加這些物項的二維替代圖元，如防水層、焊縫等。安裝專業的模型不屬于土建承建范圍，無法獲取相應的設計圖紙和變更，也缺乏專業知識的配合，不列入建模范圍，可以考慮與安裝單位合作，引用安裝專業的模型。對于同時使用多個建模軟件的情況，要確立每個軟件自身的建模領域。使用多個建模軟件互相配合建模時，建模范圍不應有重疊，造成模型重復。

2.7 建立BIM 數據庫

建立BⅠM 模型的過程中，會有很多依據設計文件、標準文件、技術規格書建立的各種自建族庫，另外還有建模時外部輸入的參考模型，各個技術人員提供的輸入信息（分段方案、構件清單、技術信息、變更清單等），從模型導出的轉換格式模型、AutoCAD 圖紙文件、渲染圖片等，模型文件的自查、校審信息，臨時共享的模型、經審核發布的模型、竣工存檔的模型等[2]。從建模開始到結束涉及到海量的電子文件，這些文件需要進行系統性組織，形成有機的統一體，才能成為記錄、跟蹤、應用BⅠM 技術的有效BⅠM 數據庫。對于數據庫的存儲結構，可以參考已有的標準結合項目實際情況建立，并在建模生產過程中不斷完善。

2.8 確立建模規則

為了使模型創建符合規范，方便管理、整合模型，有必要建立模型創建的一般規定。規定中除了要求使用統一的項目樣板、族庫、材質庫進行建模外，對于設計文件審閱、模型拆分、結構分段、特殊結構建模等工作需要確立規則。涉及到軟件操作層面的具體規定，對不同的軟件要訂立不同的建模程序因應。

2.9 模型元素及其深度標準

對本項目核島工程BⅠM 模型的各種建模元素分配相應的深度要求，建模深度在LOD200～LOD400 之間，以滿足施工需求為原則建模。原則上第一階段依據設計圖紙及設計變更完成設計模型的建模，并在設計模型的基礎上進行施工層段劃分滿足施工圖需求；第二階段根據現場變更更新模型，按建模深度要求完成施工模型，施工模型需要與設計模型分別保存；第三階段如有需要將施工模型繼續深化后另存為竣工模型，如果施工模型以滿足使用需求，也可將施工模型直接作為竣工模型存檔。

2.10 按順序建模

模型的結構拆分、施工分段、專業順序都是影響建模順序的因素。通常模型按空間結構自下而上、自內而外創建，這樣做是為了方便建模時下層不會被上層擋住視線，內部不會被外部擋住視線。自下而上逐層建模時一般按先建立基礎、樓板再建墻體，先建主體再建附件的順序進行，創建某層主體結構時，以這層結構為主體的專業模型也一并創建。當受到制約因素必須先建上層結構時，因對本層尚未建模的物項、專業及涉及的設計文件進行記錄，避免出現遺漏。建模應符合事先確立的建模規則，進行參數設置、分段劃分等工作。

2.11 提升建模生產力

對于Revit 軟件來說，可以通過Dynamo 可視化編程平臺定義程序流程，探索參數化的方案設計和自動化建模與模型檢查工作流。通過Dynamo 可以幫助實現互操作性的工作流程文檔管理，自動實現模型創建、協調、模擬和分析。

例如本項目的預埋件專業，設計圖紙上只提供了用以定位的預埋件坐標清單，按照坐標手動定位十分耗時，使用一般的建模方式可能要花費數月時間才能建完。使用Dynamo 平臺編制一個按照坐標插入預埋件族實例的插件，即使數以萬計的預埋件定位工作，也能在幾個小時以內完成，還能自動寫入每塊預埋件的編碼、變更等信息，大幅提高建模生產力。

2.12 模型的檢查與更新

BⅠM 模型的創建不是一次性完成的，需要根據圖紙升版和設計變更進行不斷更新，結合本項目的變更頻次，最終模型完成時的工作量，是模型初成型時的數倍。需要對模型建立檢查與更新機制，保證模型質量和可靠性，記錄更新的內容。

3 結語

項目級的三維虛擬建造是一個系統性的工程，產生的成果是可以累積并增值的，和實體工程一樣，完善的質量保證措施是保證成果價值的必要措施。三維虛擬建造技術已經成為項目施工的強大助力，只有不斷的累積經驗和提升技能，才能讓這項技術不斷精進，為項目的施工更好地服務。