基于BIM 的碰撞檢查在市政水務(wù)項目協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用

章 敏，龍虹池，俞小胖，吳人杰，胡歡梁，趙方圓

（杭州余杭環(huán)境控股集團有限公司，浙江 杭州 311121）

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是在計算機輔助設(shè)計（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，是傳統(tǒng)的二維設(shè)計建造方式向三維數(shù)字化設(shè)計建造方式轉(zhuǎn)變的革命性技術(shù)。推行BIM 技術(shù)應(yīng)用，發(fā)揮其可視化、虛擬化、協(xié)同管理、成本和進度控制等優(yōu)勢，將極大地提升工程決策、規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營的管理水平，減少返工浪費，有效縮短工期，提高工程質(zhì)量和投資效益[1]。建設(shè)項目傳統(tǒng)的設(shè)計模式是異地、異步、專業(yè)交叉進行的，BIM技術(shù)極大改變了線性推進的設(shè)計和建造模式，整合聯(lián)系了建筑、結(jié)構(gòu)、管線等不同工程階段，通過信息的有效傳遞和交互可以有效地組織協(xié)調(diào)這些設(shè)計環(huán)節(jié)，提高設(shè)計效率并減少設(shè)計錯誤的產(chǎn)生。其中發(fā)揮重要作用的就是建筑信息模型（BIM）及其平臺。一個完善專業(yè)的BIM 平臺及模型在建設(shè)項目中的作用是超越時間和空間的，它能整合捕捉項目所有階段的信息與過程，為項目參與方提供統(tǒng)一的交流媒介，在這樣有力信息技術(shù)支撐下項目設(shè)計可以進入多專業(yè)全生命周期的協(xié)同設(shè)計模式[2]。其中多專業(yè)協(xié)同設(shè)計中的碰撞檢查是應(yīng)用最為廣泛的一項。

水廠項目工藝流程繁雜，技術(shù)要求較多，是市政工程中一類重要項目，直接關(guān)系到社會民生，具有重要的社會和經(jīng)濟效益。本項目水廠工程體量大，水處理工藝復(fù)雜，并且涉及工藝、結(jié)構(gòu)、建筑、電氣、自控等眾多專業(yè)，這些特點增加了水廠項目在不同階段上不同專業(yè)之間協(xié)作的困難。應(yīng)用BIM 技術(shù)可在很大程度上解決水廠項目在不同專業(yè)設(shè)計上的沖突問題。運用基于BIM 的設(shè)計方式，設(shè)計團隊可以更準(zhǔn)時、更高質(zhì)量、更高效地完成項目任務(wù)；可以優(yōu)化各專業(yè)團隊工作流程，提高各個設(shè)計專業(yè)（建筑、結(jié)構(gòu)、MEP 等專業(yè)）成果質(zhì)量。基于BIM 的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計根本優(yōu)勢是能將項目信息分享給設(shè)計團隊的各專業(yè)成員，而不是以往各個專業(yè)之間是“信息孤島”，它有助于設(shè)計團隊成員能更早地參與到設(shè)計過程中，各個專業(yè)利用基礎(chǔ)模型進行單獨設(shè)計，取代單一的線性工作方式。除此之外，BIM 技術(shù)給各個專業(yè)之間提供了交流的平臺，利用平臺，各個專業(yè)之間可以共享設(shè)計成果，進行交叉設(shè)計和專業(yè)間的碰撞檢查，從而提高設(shè)計精度、優(yōu)化設(shè)計。

1 碰撞檢查與基于BIM 的協(xié)同設(shè)計

目前行業(yè)內(nèi)建設(shè)項目的設(shè)計和表達仍然使用平面圖紙，由于其平面圖紙信息載量的有限性，以及對空間位置表達的局限性，在平面中項目設(shè)計的沖突很難被發(fā)現(xiàn)，往往只能依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗與空間想象能力。而應(yīng)用BIM 技術(shù)，將平面圖紙轉(zhuǎn)化為BIM 模型可以極大提升設(shè)計成果在信息和幾何上的信息豐度，而利用相關(guān)軟件技術(shù)可以實現(xiàn)3D 模型全方位、多尺度顯示，極大方便設(shè)計人員對設(shè)計成果的閱讀和理解，其數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化的信息也能供計算機進行讀取和分析，以此能夠快速、高效且定量地進行設(shè)計沖突和部件碰撞的檢查[3]。不僅如此，傳統(tǒng)的碰撞檢查對于不同專業(yè)間的沖突檢測非常困難，即使使用CAD 對設(shè)計圖紙進行傳遞和表達，設(shè)計人員解決不同專業(yè)間的碰撞問題也只能通過重疊圖紙對比，憑借自身經(jīng)驗和空間想象力找出可能的設(shè)計沖突。這樣的沖突牽涉專業(yè)較多，且傳統(tǒng)住宅設(shè)計模式中缺乏信息交流的有效手段，很難對設(shè)計中的沖突進行全面檢測。

BIM 的協(xié)同設(shè)計是指以BIM 信息技術(shù)為支撐，將協(xié)同設(shè)計的理論與方法應(yīng)用在項目的設(shè)計模式中，研究不同學(xué)科、不同專業(yè)、不同團隊成員之間如何在項目設(shè)計中進行協(xié)作配合，消解設(shè)計沖突，提髙設(shè)計效率[4]。項目的協(xié)同設(shè)計最主要的工作內(nèi)容是不同專業(yè)之間的碰撞檢查及其更改，其中最重要的協(xié)同要素是模型標(biāo)準(zhǔn)一致且BIM 模型統(tǒng)一，它為BIM 的協(xié)同設(shè)計提供了協(xié)作的基礎(chǔ)，因此圍繞模型進行建立、維護、修改和更新是不同專業(yè)之間進行協(xié)同設(shè)計的主旋律。BIM 提供了一個單一的設(shè)計環(huán)境，即BIM 模型及其平臺，各個專業(yè)人員可以在同一個BIM 模型上對他們的工作成果進行添加并更新，讓不同專業(yè)人員可以實時觀察到其他專業(yè)的模型，從而及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的模型和信息沖突，并進行解決[5]。通過BIM 系統(tǒng)對多專業(yè)之間進行信息模型協(xié)調(diào)審查與碰撞，可解決建筑、結(jié)構(gòu)以及專業(yè)管線之間的問題和矛盾，對整個工程進行優(yōu)化。而且由于使用BIM 技術(shù)后設(shè)計結(jié)果被數(shù)字化轉(zhuǎn)化和表達，可以進一步利用軟件輔助沖突檢測，并在三維的空間下快速高效發(fā)現(xiàn)并消解各類碰撞沖突，大大提高了設(shè)計效率。其解決的設(shè)計沖突減少了潛在的施工延誤、返工，對項目的建設(shè)效率和降低費用有非常重要的作用。

2 基于BIM 的協(xié)同碰撞檢查方法

為了能在水廠項目的設(shè)計中有效利用BIM 技術(shù)，提高不同專業(yè)之間在設(shè)計上的協(xié)同，避免發(fā)生不同建筑部件上的物理沖突和錯誤排列，盡可能降低施工返工的可能性，本文提出了水廠項目不同專業(yè)之間基于BIM 的碰撞檢查方法。

2.1 各個專業(yè)進行協(xié)同碰撞檢查的通用流程

立足于目前的工程實際，從項目專業(yè)設(shè)計圖紙出發(fā)，對其進行專業(yè)模型的BIM 建模，對于結(jié)構(gòu)和管線工程等后置工程可以在先前建立好的建筑模型基礎(chǔ)上進行專業(yè)擴展及建模。建立模型首先需要對其進行審查以確保符合項目建模標(biāo)準(zhǔn)，這樣不同專業(yè)模型才能完整順暢地進行相互轉(zhuǎn)化和導(dǎo)入，為不同專業(yè)之間的模型碰撞檢查提供基礎(chǔ)，幫助實現(xiàn)設(shè)計上的協(xié)同。進行專業(yè)內(nèi)部的碰撞檢查，確保本專業(yè)建模的準(zhǔn)確性和有效性。之后通過項目統(tǒng)一的BIM 平臺導(dǎo)入其他專業(yè)BIM 模型或綜合BIM 模型與本專業(yè)模型進行組合，進行專業(yè)間模型的碰撞檢查，該流程是不同專業(yè)間基于BIM 的碰撞檢查的重要部分。當(dāng)通過專業(yè)間的碰撞檢查后，模型可以被發(fā)布到協(xié)同工作平臺中，充實或更新平臺的模型庫，具體如圖1所示。

圖1 各專業(yè)進行協(xié)同碰撞檢查的通用流程

2.2 項目各專業(yè)基于BIM 的協(xié)同碰撞檢查模式

該協(xié)作模式以項目設(shè)計進展為線索，展示了建筑、結(jié)構(gòu)和管線3個不同專業(yè)之間在碰撞檢查上的協(xié)作模式。首先是建筑設(shè)計階段的建模及碰撞檢查，該階段幾乎包含了項目的整個設(shè)計階段，因為建筑設(shè)計作為頂端設(shè)計必須時刻接受下游專業(yè)設(shè)計的意見反饋，當(dāng)出現(xiàn)不可調(diào)和的設(shè)計沖突時，有必要從建筑設(shè)計上進行更改。隨著項目進程的推進，不同專業(yè)陸續(xù)參與到協(xié)同設(shè)計過程中，并不斷豐富項目綜合模型庫，最終形成各專業(yè)都協(xié)同共存的項目模型。利用這樣的模型可以提前解決項目不同專業(yè)施工時可能發(fā)生的碰撞沖突問題，確保所有專業(yè)工程按照設(shè)計順利施工，具體如圖2所示。

圖2 項目各專業(yè)基于BIM 的協(xié)同碰撞檢查模式

3 案例研究

本文以某水廠項目為依托，在不同專業(yè)的設(shè)計過程中應(yīng)用提出了碰撞檢查方法，通過將現(xiàn)有設(shè)計圖紙按項目BIM 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為3D BIM 模型后，不同專業(yè)按照本方法依次對模型進行審查、內(nèi)部碰撞檢查和專業(yè)間碰撞檢查等操作，最后通過碰撞檢查結(jié)構(gòu)或進行本模型更改，或通過本方法協(xié)同設(shè)計模式與其他專業(yè)進行協(xié)商溝通，協(xié)同解決設(shè)計沖突問題，實現(xiàn)設(shè)計上的協(xié)同。

3.1 項目簡介

本市政水務(wù)項目為某市自來水廠工程，廠區(qū)工程建設(shè)內(nèi)容為近期規(guī)模20 萬m3/d、遠期規(guī)模30 萬m3/d、遠景規(guī)模40 萬m3/d 的凈水廠1 座，包括廠區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)建（構(gòu)）筑物、污泥處理設(shè)施和廠前區(qū)的工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控、工程經(jīng)濟、景觀、綠化等各專業(yè)內(nèi)容。其中廠前區(qū)和部分輔助建（構(gòu)）筑物按照遠景40 萬m3/d 規(guī)模一次性建成，其余按照近期20 萬m3/d 規(guī)模建設(shè)。工程總投資近20 億元。凈水工藝采用“折板絮凝+平流沉淀+氣水反沖洗濾池+臭氧氧化+活性炭過濾處理工藝”的處理路線，工藝流程及涉及到的構(gòu)筑物如圖3所示。

圖3 本項目采用的凈水工藝及涉及的構(gòu)筑物

3.2 建筑設(shè)計碰撞檢查

首先進行建筑專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查。應(yīng)用本方法，先根據(jù)建筑設(shè)計圖進行建筑模型的創(chuàng)建，通過將平面圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，設(shè)計模型的信息豐富程度極大增加，也變得更加方便相關(guān)人員閱讀和理解，直觀找出各處碰撞點，也可以借助相應(yīng)的算法快速獲得建筑部件之間的相對位置和碰撞發(fā)生處。在本項目的應(yīng)用實例中，建筑設(shè)計專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查中發(fā)現(xiàn)了軟碰撞，即不符合建筑設(shè)計要求的空隙或間隔，有12 處。發(fā)現(xiàn)的硬碰撞，即部件之間發(fā)生重疊或交叉以至于不能在空間中共存，有15 處。其中特別報告有如下幾處：①2#二層、三層平面圖右側(cè)柱與結(jié)構(gòu)柱尺寸不一致，梁突出柱邊（如圖4所示）；②FM1222 門與1KL10 梁碰撞，梁底標(biāo)高0.25 m，地面標(biāo)高﹣1.85 m，高度僅為2 m，門高度2.2 m（如圖5所示）；③LM1528 門平面位置與立面位置匹配不上（如圖6所示）。

圖4 原建筑設(shè)計平面圖與3D 模型檢測到的設(shè)計沖突（2#二層、三層平面圖右側(cè)柱）

圖5 原建筑設(shè)計平面圖與3D 模型檢測到的設(shè)計沖突（FM1222 門）（單位：mm）

圖6 原建筑設(shè)計平面圖與3D 模型檢測到的設(shè)計沖突（LM1528 門）（單位：mm）

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計碰撞檢查

根據(jù)圖1所示流程進行結(jié)構(gòu)專業(yè)的碰撞檢查。結(jié)構(gòu)設(shè)計利用已有結(jié)構(gòu)設(shè)計圖進行BIM 建模，并需要符合本項目的建模標(biāo)準(zhǔn)和交互標(biāo)準(zhǔn)，使其可以與建筑模型進行結(jié)合和轉(zhuǎn)化。在建筑模型的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)模型進行建模。在本項目的應(yīng)用實例中，結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查共發(fā)現(xiàn)了軟碰撞9 處，硬碰撞6 處。結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他專業(yè)間協(xié)同碰撞檢查共發(fā)現(xiàn)了軟碰撞8處，硬碰撞7 處。其中特別報告有如下幾處。

3.3.1 結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)碰撞檢查結(jié)果分析

KZ1 柱與LC1533 梁碰撞如圖7所示。

圖7 原結(jié)構(gòu)設(shè)計平面圖與3D 模型檢測到的沖突（KZ1 柱與LC1533 梁碰撞）（單位：mm）

3.3.2 結(jié)構(gòu)與建筑專業(yè)間協(xié)同設(shè)計及碰撞檢查情況分析

西立面左側(cè)百葉窗與梁碰撞如圖8所示。

圖8 原建筑設(shè)計圖與建筑、結(jié)構(gòu)聯(lián)合3D 模型檢測到的沖突（西立面左側(cè)百葉窗與梁碰撞）

3.4 管線設(shè)計碰撞檢查

水廠項目的管線工程是項目的重要部分，其影響到項目的很大一部分使用功能。因此對管線設(shè)計的碰撞檢查需要尤其重視。由于該項專業(yè)工程通常在主體和副結(jié)構(gòu)完工后才開始進行，因此其專業(yè)間協(xié)同設(shè)計需要對建筑和結(jié)構(gòu)的綜合模型進行考慮。在本項目的應(yīng)用實例中，管線設(shè)計專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查共發(fā)現(xiàn)了6處碰撞問題。而管線專業(yè)與其他專業(yè)間的碰撞檢查發(fā)現(xiàn)軟碰撞有9 處，硬碰撞有4 處。其中特別報告有如下2 處：WL-6、LM 立管撞柱子（如圖9所示），管線、建筑、結(jié)構(gòu)聯(lián)合3D 模型檢測到的沖突（如圖10所示）。

圖9 管線、建筑、結(jié)構(gòu)聯(lián)合3D 模型檢測到的沖突與原管線設(shè)計圖（WL-6、LM 立管撞柱子）

圖10 管線、建筑、結(jié)構(gòu)聯(lián)合3D 模型檢測到的沖突

排煙機房接三軸外墻防雨百葉尺寸為1 000 mm×600 mm，柱子與墻凈距980 mm，排煙管過寬。

4 結(jié)果分析

本文主要從專業(yè)內(nèi)和專業(yè)之間2個方面對以碰撞檢查為主題的BIM 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計進行應(yīng)用。其中建筑、結(jié)構(gòu)和管線3個專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查結(jié)果表明，3D模型有效發(fā)現(xiàn)了平面圖紙設(shè)計的各類設(shè)計沖突和錯誤，幫助項目團隊及時有效地對相關(guān)錯誤進行更改，避免將錯誤遺留到施工中造成更大的項目損失。專業(yè)內(nèi)各專業(yè)碰撞檢查發(fā)現(xiàn)的設(shè)計沖突和錯誤匯總?cè)绫?所示，共發(fā)現(xiàn)沖突或錯誤48 項，其中建筑27 項，涉及到的建筑部件體量90 m3；結(jié)構(gòu)專業(yè)發(fā)現(xiàn)沖突或者錯誤15 項，涉及到的結(jié)構(gòu)部件體量70 m3；管線發(fā)現(xiàn)沖突或者錯誤6 項，涉及到的管線長度19 m。

表1 專業(yè)內(nèi)碰撞檢查結(jié)果匯總

若以建筑或結(jié)構(gòu)設(shè)計階段每項錯誤可能導(dǎo)致的施工延誤2 d，采取措施或返工費用增加1 萬元來計算，本項目應(yīng)用本文提出的基于BIM 的碰撞檢測方法預(yù)計幫助項目在建筑設(shè)計階段節(jié)約工期54 d，節(jié)省費用27萬元，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段節(jié)約工期30 d，節(jié)省費用15 萬元。而以管線設(shè)計階段每項錯誤可能導(dǎo)致的施工延誤2 d，采取措施或返工費用增加5 000 元來計算，本項目應(yīng)用本文方法在管線設(shè)計階段節(jié)約工期12 d，節(jié)省費用3萬元。

對本項目在各專業(yè)協(xié)同設(shè)計中應(yīng)用專業(yè)間碰撞檢查方法發(fā)現(xiàn)的設(shè)計沖突和錯誤匯總?cè)绫?所示，共發(fā)現(xiàn)沖突或錯誤34 項，發(fā)起設(shè)計更改19 項。其中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計更改11 項，管線設(shè)計更改8 項。以上述類似方法計算，可以發(fā)現(xiàn)基于BIM 技術(shù)的各專業(yè)間協(xié)同碰撞檢查共節(jié)約工期68 d，節(jié)省費用19 萬元。

表2 專業(yè)間協(xié)同設(shè)計中碰撞檢查結(jié)果匯總

從專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查和專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計中所發(fā)現(xiàn)和更改的錯誤來看，專業(yè)間的協(xié)同也發(fā)現(xiàn)了大量的專業(yè)內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)的碰撞和設(shè)計沖突，約占所有碰撞問題的42%，并發(fā)起了不同專業(yè)之間的設(shè)計協(xié)商和更改請求，牽涉了更多的設(shè)計團隊參與工作，在節(jié)約項目費用和工期上得到了顯著的工程價值，可見專業(yè)協(xié)同在碰撞檢查中的重要性和必要性。

5 結(jié)論

由于目前BIM 技術(shù)在協(xié)同設(shè)計上的巨大價值，本文提出了基于BIM 技術(shù)的協(xié)同碰撞檢查方法，并于某水廠項目的設(shè)計過程中成功應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，通過將平面圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，設(shè)計中的各類沖突和碰撞問題可以更加方便地被發(fā)現(xiàn)和檢測出來。更為重要的是，本文方法還涉及到了不同專業(yè)之間的協(xié)同檢查，在保證專業(yè)模型符合同一模型標(biāo)準(zhǔn)和交互規(guī)則后，各專業(yè)模型可以與BIM 平臺中的專業(yè)模型庫進行無縫導(dǎo)入和交互，為不同專業(yè)之間的協(xié)同碰撞檢查提供了基礎(chǔ)。從協(xié)同碰撞檢查的應(yīng)用結(jié)果可以看出，其發(fā)現(xiàn)大量的錯誤和提起的更改請求，證明專業(yè)間的協(xié)同碰撞檢查在工程實際中具備非常重要的價值，值得重視。