结少鹏，乔艳伟，虞 鸿
（1.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，杭州 310002；
2.浙江省钱塘江流域中心，杭州 310020）
随着BIM技术的快速发展，水利领域中开展全生命周期BIM技术应用的工程项目越来越多[1-6]。BIM技术在设计方面可解决精确算量的问题[7-8]，在施工和运维方面可以用于过程监测[9-10]、进度管理[11]、信息管理[12-14]、质量管理[15-16]、成本管理[17]等，而基于BIM技术进行管线综合设计优化的研究较少。对于大中型水利工程，特别是厂房建筑物的设计和施工，管线综合涉及数十个管线系统，复杂程度极高，是工程建设的重点和难点。
传统二维设计采用CAD绘图软件，在综合图完成的基础上，约定基本的配合原则，各个专业分别开展各自的设计工作，重要的建筑物部位进行专业间会签，由此完成整体配合。这样的设计配合存在以下问题：①专业配合的及时性。各个专业独立进行设计，某个专业的设计变更不能及时地传递到其他配合专业，可能导致管线冲突，引起一系列施工问题。②专业配合的全面性。大多数情况下各个配合专业仅对工程重要部位的内容进行专业间会签，会导致许多非关键部位缺少专业之间的核对，出现配合不全面的问题。③专业配合的准确性。专业间大多通过约定基本的管线桥架布设原则来进行配合，但在管线桥架交叉的情况下，原则性的配合约定失效，交叉位置管线布设的设计细节不能确定，对管线的高度和平面位置定位不准确，导致后期管线施工的局部调整较多。④专业配合的有效性。传统二维设计中遇到复杂的系统交叉部位，需要采用单循环法分别进行各个系统的两两配合核对。当发现A系统与B系统出现碰撞错误时，修改A系统来避免冲突时，很可能会引起A系统与C系统的管线出现新的碰撞冲突，设计成果不可见导致配合工作量繁复、效率低下。另外，各个专业设计图纸表达的术语和符号不同，设计人员对非本专业图纸的理解会存在一定的偏差，即使进行了专业间的图纸会签，也易出现错误。
因此，利用BIM技术进行管线综合优化，使管线设计成果在空间上可视化，是解决当前行业痛点的关键。本文基于Autodesk公司的三维协同系列软件，对管线综合优化技术进行系统阐述。
2.1 构建三维协同设计平台
构建统一的协同设计平台，是管线综合优化的基础。不同专业的管线设计建模人员均在协同设计平台上进行同步设计和配合。三维协同设计的基本工作流程见图1，协同设计平台的网络架构见图2。
图1 三维协同设计基本工作流程
图2 三维协同平台的网络架构
协同设计平台中，人员的角色和权限按照平台层和项目层两个层面进行设置。两个层面的角色和权限相互独立存在，以避免职能管理人员对生产项目内部进行误操作。平台层人员角色按照管理权限设置有超级管理员、管理员、成员和访客等四类角色，其中超级管理员主要负责系统角色设置和数据安全管理，管理员主要负责员工账户、项目增减等平台日常的使用管理，成员只有使用权限，访客只有浏览权限。项目层人员角色设置有项目管理员、专业负责人、项目成员等三类，其中项目管理员在特定的项目内具有最高权限，可以进行项目相关设置，决定本项目（工程）的成员和人员角色，确定模型分组方案等。项目管理员和专业负责人都可以进行管线系统设置和工作集配置，将每个管线系统设计任务分配给特定的项目成员。项目成员根据专业负责人的分配进行设计建模。
同一个项目管线系统设计人员需要在协同平台上基于同一个（或一组）中心文件进行BIM设计建模。中心文件需要布置在企业文件服务器上以保证数据安全。设计人员每次完成管线系统模型修改都需要将修改的内容同步至中心文件，同时也能获得最新的中心模型。通过Revit Server功能，管线系统设计人员可以进行模型的及时更新。协同设计平台还具备自动同步功能，避免某位设计人员的设计模型在较长时间内未同步，电脑卡顿等带来的设计成果丢失风险。
2.2 工作集的设置和分配
工作集是某一项建模任务的图元和构件放置的一个集合，具有私人属性。项目设计人员需要在工作集模式下开展设计工作，以满足任务分工和管线系统分类的要求。每个设计人员只能在自己的工作集内完成特定的管线系统设计建模；
如遇管线系统冲突，需修改他人工作集的图元，必须得到他人同意。
各个专业可以根据管线综合设计需求和特点创建相关的工作集，同时综合考虑任务分工、视图设置、碰撞检测、剖切出图的便捷性，以提高设计建模的效率。对于大型工业厂房的设计建模，一般每个管线系统都要设置独立的工作集。比如水机专业至少要为技术供排水、检修排水、渗漏排水、透平油系统、低压压缩空气等系统设置5个工作集；
暖通专业至少要设置通风（新风）、空调、采暖等3个工作集；
给排水专业至少要设置生活给水、污水、雨水等3个工作集。每一位设计人员可以有多个工作集。
大多数情况下，设计人员直接在目标Revit模型自己的工作集中创建管线系统即可。对于已在其他项目或者Revit模型中创建的模型组，需要把模型组导入至目标Revit模型中。导入目标Revit模型时，应注意导入的工作集（或系统分类）是否正确。对于已在其他项目中创建的管线系统，需要把项目文件链接至目标Revit模型中。
2.3 管线系统设置
大中型水利工程管线设计包括技术供排水、渗漏排水、消防供水、叶片调节、喷淋、压缩空气、闸门液压启闭、通风、电缆桥架等数十项管线系统的综合设计。每种管线系统在建模时独立进行设置，根据规范或设计需要，不同管线系统设置不同的颜色，以便于在建模过程和后期碰撞检测中进行系统区分。根据《泵站设备安装及验收规范》（SL 317—2015），各种管线系统的颜色设置见表1。
表1 管线系统颜色设置规则
2.4 管线系统碰撞检测
Revit软件具有初级的碰撞检测功能，如果实现高标准的碰撞检测需要对软件进行二次开发或在市场上采购具有相关功能的软件。成熟的碰撞检测模块包含硬碰撞检测、水平净距检测和垂直净距检测3种功能。硬碰撞检测是指检测实体与实体之间是否发生交叉碰撞。水平净距检测和垂直净距检测属于软碰撞检测，是指虽然实体之间没有发生交叉碰撞，但要检测其在水平和垂直方向的净距是否满足要求。①碰撞检测模块支持对每一种类型的检测规则进行修改，也支持新建检测规则。②检测对象包括风管、管道、桥架、墙（柱、板）等多种类别。碰撞检测模块支持对同一类别中不同构件进行碰撞检测，也可以对不同对象类别的构件进行碰撞检测。③碰撞检测模块还支持一键导出碰撞检测报告。检测报告会明确相互冲突的两个构件的类型、构件编号以及所处的轴网位置区间，同时也会呈现碰撞构件的平面位置和空间位置截图，为碰撞位置的查找和修改提供位置信息。
2.5 剖切综合评审和虚拟漫游检查
模型剖切综合评审是通过对三维模型的层层剖切来检查管线系统与建筑物的位置关系，综合判断管线布设的合理性。虚拟漫游检查则是通过Fuzor软件加载三维管线综合模型，以第一视角或第三视角身处模型环境进行巡检体验，检查管线布设的合理性。虚拟漫游可以设定巡检人的身高、渲染模式等，以获得不同的巡检体验。
基于模型剖切的综合评审和虚拟漫游技术可以对设计细节进行检查，检查方法更加灵活，检查内容更加详细直观。
2.6 基于模型的设计交底和施工管理
多专业管线综合设计完成的原始三维模型，大小在300～2000 M之间，模型信息虽然全面，但数据量过大，对于显卡和缓存等硬件的要求较高，同时需要计算机安装专门的三维建模软件才能查看，不适合施工过程中使用。
为了使设计阶段的模型尽量多地为工程建设服务，需要对模型进行轻量化处理并对各参建单位发布，以便工程设计三维管线在Web端能够查看。市场上能实现BIM模型轻量化的软件有很多种，比较常见的是BIMe数据协作平台和协同大师三维设计平台软件，这两种软件都可以生成轻量化发布的网址，供Web端查看。由于不需要安装复杂的三维软件，可以在设计交底和施工管理过程中，实现设计模型三维可视化浏览和交付，十分方便。
3.1 工程概况
某大型排涝泵站工程主要由进水渠（涵）、泵站、排水箱涵等建筑物组成。设计排涝流量200 m3/s，装设5台斜轴式轴流泵组（其中1台备用），单泵设计流量50 m3/s，总装机容量1.8万kW。其中泵站厂房管线系统复杂，包括技术供排水系统、检修排水系统、喷淋系统、闸门液压启闭系统、通风系统、消防排烟系统、建筑给排水系统、电缆桥架等，是工程设计的难点。工程设计单位构建了三维协同平台，对工程进行三维BIM协同设计，厂房部分采用管线综合优化技术进行管线综合设计。泵站厂房剖切模型见图3。
图3 某大型泵站剖切模型
3.2 三维管线综合设计
项目组根据专业特点、人员配置等情况，兼顾碰撞检测和剖切出图的便捷性，对厂房部分设计任务进行了工作集的设置和分配，见表2。泵站厂房创建完成的部分管线系统模型见图4。
图4 部分管线系统模型
表2 某大型泵站的工作集设置及工作分配
续表
3.3 碰撞检测和剖切检查
在完成管线系统模型创建的基础上，对泵站厂房部分进行碰撞检测和剖切检查，发现各系统管线与水工结构（梁、板、柱）碰撞冲突52处，消防供水管路与暖通系统风管碰撞22处，技术供水管路与叶片调节油管路碰撞13处，电缆桥架与消防供水管路碰撞12处，压缩空气管与技术供水管路碰撞5处，叶片调节油管路与暖通风管碰撞4处等。碰撞检测和剖切检查完成后，对管线综合设计模型进行修改完善。部分典型的管线系统碰撞检测前后模型对比见图5。
图5 典型管线系统碰撞检测前后布置优化
3.4 虚拟漫游巡检
碰撞检测完成以后，将模型导入Fuzor软件进行厂房虚拟巡检，巡检重点包括：①阀门的布设位置是否合适；
②沟槽及洞口的盖板是否遗漏；
③管线布设整体效果是否美观；
④局部管线冲突修改是否有遗漏；
⑤设备间距是否过小；
⑥房间内管线下方净高是否合理等。虚拟巡检界面见图6，通过虚拟漫游巡检，泵站厂房部分共优化阀门布设15处，补充盖板布置40块，美化管道布设8处，优化设备布置7处，调整房间净高3个，优化效果明显。
图6 泵站厂房虚拟巡检界面
3.5 模型的轻量化发布
为了使设计意图更充分地传递到施工过程，最大限度发挥BIM模型作用，项目组采用协同大师三维设计平台软件的轻量化发布模块将泵站厂房全部设计模型发布在云端服务器，并结合模型进行了设计交底。施工人员不需要装设三维软件，仅通过Web浏览器和地址即可对模型进行现场查看和比对。模型轻量化发布的界面见图7。
图7 某大型泵站工程模型的轻量化发布
大中型水利工程的厂房设计涉及数十个管线系统，需要多专业密切配合协作。传统二维设计的工作模式下，各专业独立开展管线系统设计，在专业配合上存在不及时、不全面、不准确、效率低等问题，对设计质量有较大影响。
基于BIM技术的三维协同管线综合设计方法，设计人员可以在统一的协同平台上进行各管线系统综合建模，每次设计模型的修改及时与中心文件模型进行同步，可以实现全面、准确的专业间配合。经实际工程检验，碰撞检测、剖切检查、虚拟漫游巡检等措施可以在很大程度上减少管线系统碰撞冲突，优化管线布置，减少设计变更，为业主提供更为人性化的优质服务。
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