管网工程设计中的软件协同BIM技术研究

2021-05-31亭1谢立全1吴军伟季慕州

土木建筑工程信息技术 2021年2期

李亭1 谢立全1 吴军伟季慕州

(1.同济大学水利工程系，上海，200092；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

引言

自20世纪80年代改革开放起，我国城市化率从改革开放初期的不足20%，至2018年末已经达到59.58%，并呈现稳步上升趋势(如图1)。建筑行业在国民生产总值中一直占据重要地位，其发展状况对经济形态、经济结构、发展质量都有着巨大影响。增长总值近十年来逐渐增加，但其增长速率却在逐年下降(图2)，增长速率的走低反映了行业的发展乏力；另一方面，建筑业过于粗放的管理模式使得成本难以控制，并且造成了建筑污染。如何实现建筑业的提质增效，成为亟待解决的问题。近些年来，计算机技术、人工智能以及大数据处理技术的发展使得各行各业发生了巨大的变化，这种变化替代了陈旧的生产方式，其外在表现则是效率、质量的飞跃性提升。而建筑业的答案则是BIM，全称Building Information Model，译为建筑信息模型。美国教授Chuck Eastman于1975年为实现建筑工程的可视化和量化分析、提高工程建设效率，首次提出BIM理念，其原型为Building Description System。1980年之后，美国改称该技术为Building Product Model，而在欧洲它则被称作Product Information Model。直到2002年，欧特克公司(Autodesk)正式提出“建筑信息模型”即Building Information Modeling(BIM)的概念，该理念一经提出立即受到业内人士的广泛认同，沿用至今[1]。

图1 我国近十年城镇化率统计(数据来源：国家统计局)Fig.1 Statistics of urbanization rate in China in the past decade(Source：National Bureau of Statistics)

图2 2013-2018年建筑业增长值及增长速度(数据来源：国家统计局)Fig.2 Growth value and growth rate of construction industry in 2013-2018(Source：NBS)

BIM技术的高速发展则是在本世纪初，自应用后很快便得到行业内的普遍认可，成为公认的继CAD后建筑业的第二次革命。国家住房和城乡建设部(以下简称“住建部”)在2011年颁布的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要的通知》里第一次提到“BIM”技术[2]。在2016年发布《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》(建质函〔2016〕183号)(以下简称《纲要》)中对建筑业信息化提出了明确的目标。“十三五”时期，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通信、云计算、物联网等信息技术集成应用能力，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展。推广项目管理信息系统，开展施工阶段的BIM基础应用，有实力的公司创建基于BIM技术的项目管理体系，研究基于BIM的管理组织模式与协同管理机制[3]。

地下管网作为市政基础设施的重要组成部分，是城市生活物质输送和信息传递的主要介质，对城市职能的正常实现至关重要。随着城市化进程不断加快，地下管网系统日渐复杂，导致新建设管线规划、设计、施工难度加大，已有管线的运营、管理、维护愈发困难。而管网工程本身空间性和整体性较强，在这方面BIM技术较传统的二维管理模式有着得天独厚的优势。2014年，李峰等研究了借助BIM工具解决商业综合体中管网设计与安装的难题，最大限度减少碰撞与返工，优化了资源配置[4]。2016年，李慧莉等对深圳某片区管网改造工程项目，利用BIM分析，对比设计施工现状，提出更加合理的管网改造优化设计方法[5]。2016年宋学峰研究了BIM与GIS(地理信息系统)集成应用的城市地下管网信息管理模式，证明了此管理模式更为合理、高效且安全[6]。同样是结合GIS，徐卫星等研究了高校地下管网管理的新模式，证明BIM与GIS的集成应用同样适用于高校这种多领域多维度的管网管理[7]。于贵书等以BIM模型为基础分析了管网综合各专业的设计优化方向[8]。汪再军聚焦于机场水务管网运维阶段的BIM应用，设计开发了基于BIM技术的机场水务运维管理平台，为机场水务管网运维找到了一套全新的解决方案[9]。陈辰以市政管网为切入点探讨了BIM在数字城市的大概念中的重要地位，也从侧面证明在管网工程中应用BIM确实具有代表性[10]。蒲红克对BIM在市政工程应用现状调研后，提出了道路、管道协同设计的方法，节约成本，提高了设计效率[11]。黄林青等将BIM技术应用至装配式管廊设计中，优化设计模型，提升了项目质量[12]。刘琳琳对BIM在管网工程全生命周期的具体应用做出了探索[13]。宗仁栋在南宁沙井项目中使用BIM技术，具体展示了BIM在管网碰撞、净高优化方面的作用[14]。燕晓辉从运营维护阶段分析了BIM对市政管网工程质量提高带来的影响[15]。以上工程人员研究主要聚焦于管网工程BIM应用阶段，尤其是运营维护阶段的BIM应用，而随着社会发展，管网工程本身日趋复杂，新旧管线空间交错，管网综合本身的建模形成了繁重复杂的工作量，对工程人员造成了负担。本文针对这一问题，提出了鸿业—Revit协同建模的技术路线，详细介绍了该路线的操作逻辑并以工程实例验证其可行性与应用效果。

1 软件协同与建模框架

1.1 软件协同的概念

多项调研都表明在目前阶段，绝大多数企业已经认可了BIM带来的价值，而政策与企业的双向推进，使得我国建筑业的信息化进程大大加快。住建部《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》指出，BIM是在计算机辅助设计(CAD)等技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达。多数情况下，创建模型是BIM应用的开始，尤其目前阶段BIM应用点主要是三维可视化、碰撞检查、施工进度模拟等，没有模型便无从谈起。在管线综合方面，由于种类繁多、整体性强且涉及专业较多精度要求高，并没有公认效率较高的建模软件，多数单位使用的是Revit下的建筑MEP(电气、暖通、给排水)进行管线综合设计。2014年吕小彪等提出了MEP综合管线的二次优化设计方法，一定程度上预先解决了设计阶段管线碰撞方面的问题[16]。但随着管网系统日趋复杂，新旧管线交织，利用MEP进行管网综合设计工作变得不再方便，运营维护需求的提高也要求更高的模型精度，因此也对建模手段和效率提出了更高的要求。

本文旨在研究设计阶段基于BIM的管线综合设计，提出了鸿业—Revit协同建模思路：利用鸿业科技提供的管线软件方便快捷的管线建模功能，可以快速定义管线，而Revit具有对细部构件的精细修改以及强大的自定义建模优点，对模型细部进行优化，深化模型精度。在满足工程需求的前提下，提高设计效率，使繁重复杂的工作简单化流程化。

1.2 协同软件

Revit是目前较为主流的建模工具，其覆盖专业广泛，自定义建模功能强大。在管线综合设计方面，主要是利用软件中的MEP功能模块。具体到管网建模优化设计方面，Revit软件具有以下较为明显的特点：管网综合设计涉及给排水、电力暖通热力等多个专业，而Revit MEP模块覆盖了管网设计的几乎所有专业，使得在一款软件中建模一步到位成为可能； Revit建模过程及参数直观明确，这要优于很多基于CAD进行二次开发的建模工具。同时Revit可导出明细表，是工程算量及施工的重要参考； Revit具有强大的自定义建模功能，对于管线综合设计中涉及到的细小构件可进行快捷方便的自定义建模，一定程度上提高了设计效率。

同时，Revit覆盖面较广，具体到单专业的建模工作上功能划分则不够细致，存在较为明显的短板：对于曲线的处理会出现部分失真，而管网工程曲线段占多数，工程体量较大时软件压力较大，导出效果无法保证；对于排水管线等重力管线，起始点的标高是重要的参数，而在Revit中建立如此细致繁杂的参数数量给设计人员带来了极大负担，且准确性无法保证，对后期碰撞检查等方面的应用影响很大；对于大体量工程，Revit的批量生成工具Dynamo模块在桥梁、桩基建模中经常使用，但在管线方面，由于节点种类繁多，大量的数据处理工作并没有使得效率得到提升，使用上仍不够方便。

国内鸿业科技研发的“管立得”软件是基于Autodesk平台二次开发的管线软件，这是一款专门用于管线设计建模方面的工具，其特点：建模快捷方便，可直接在CAD图纸上进行建模，软件界面友好，信息的传递和存储也更符合国内的设计习惯和规范要求；专业划分明确，管线规格、材质、节点类型全面，符合国内设计标准，同样可以导出明细表便于算量与施工。但同时也存在着以下不足：软件自带节点族库在设计阶段齐全，但可支持导出的类型只有“国标06”族库，因此模型导出后节点信息并不准确；节点部分模型较为粗糙，导出后精度仅可用作碰撞检查，难以满足三维可视化及施工模拟等方面的应用点；由于软件本身是基于AutoCAD的二次开发成果，因此存在部分功能未开发或不完善的情况。总结来看，针对管网工程建模，两款软件的特点如表1所示。

1.3 鸿业—Revit协同建模框架

由两款软件功能与特点可知，Revit建模精细直观，但工作量较为繁重；鸿业软件建模快捷方便，但模型精度不能达到应用点要求，成果可用性不高。使用单一软件进行管线综合设计会遇到多重困难，是个效率较低的过程，因此在工程实践的摸索过程中，产生了鸿业—Revit协同建模的思路，即综合两款软件的优点，利用鸿业科技提供的管线软件方便快捷的管线建模功能，可以快速定义管线，而Revit具有对细部构件的精细修改以及强大的自定义建模优点，对模型细部进行优化，深化建模精度。在缩短建模时间的同时，保证设计精度能够满足三维可视化、碰撞检查及施工运维等多项应用点要求。

协同设计框架的思路是，管线主体建模在鸿业软件中完成，而深化模型精度工作在鸿业所得模型的基础上在Revit中完成。以排水管线建模为例，其建模主要包含六个内容：

(1)创建规格库。处理图纸时总览工程涉及管线规格、材质、查阅标准和相关资料，提前设置好规格库以备后续调用。

(2)管线建模及参数修改。严格按照设计说明，定义管线模型。有关管线的重要参数有起始标高，管线代号及自身管径、壁厚、管材等。

(3)节点参数修改。修改节点处检查井标高、编号及规格，由于节点规格库中只有“国标06”可进行三维转换，若工程所涉及节点不属国标06规格库，则需要提前建立好对应关系，便于后续优化模型时方便修改。

(4)导出明细表及转换文件。到目前阶段模型信息已全面准确，导出明细表，进行图面检查后二维转三维，并以“.xml”格式导出。至这一步，鸿业软件“管立得”中所有操作已完成。

(5)Revit优化模型。在Revit中创建基于管立得的样板文件，将模型文件导入Revit样板文件(如图3)，提前建立好项目检查井族库并按照上述建立的对应关系，利用Revit族参数覆盖规则，用满足精度要求的检查井替代模型中的节点，模型中存在的部分细节问题也一并改正，此时便得到符合精度要求的模型文件。图4展示了圆形直通检查井在Revit中优化前后的对比。

(6)模型信息明细表对比。模型以“.fbx”格式导出，在Autodesk平台下的另一款软件Navisworks中打开模型，对比模型信息与导出的明细表是否一致，以防Revit中某些操作而使模型信息发生变化。确定无误后将按照一一对应的方式在项目管理平台中将信息返还模型，便于施工及运营维护。

图3 模型导入RevitFig.3 Import Model to Revit

图4 节点模型优化前后对比Fig.4 Comparison of node model before and after optimization

2 工程应用实例

2.1 工程背景及建模难点

徐州市城东大道快速化及其配套管网管廊项目，工程范围西起三环东路，东至徐贾快速路。沿线分别经过三环东路、德政路、民祥园路、庆丰路、学院东路、汉源大道、龙湖东路、广德路、振兴大道、鲲鹏大道、金凤路、高新大道、徐贾快速路。道路改造工程全长约12.3km，主线标准为城市快速路，设计车速80km/h，辅路标准为城市主干路，设计车速40-60km/h。因工程地处市区，三面住宅区(如图5)，另一面则是给排水相关工厂，已有管线交错复杂导致设计难度加大，BIM技术可提前进行碰撞检查和三维可视化预览，提早发现问题，可争取将问题在设计阶段解决或者对施工阶段予以细节指导，避免施工阶段不必要的人力物力浪费，节约工程成本。在创建管线综合模型时，利用了本文所提出的鸿业—Revit协同设计方法，在三维可视化基础上进行碰撞检查，平台应用等多个应用点进行成果检验。

图5 工程概览Fig.5 Project Overview

2.2 模型应用

2.2.1 三维可视化方案展示

根据模型应用点的要求，模型精度要求至工程施工所涉及的最小单位，如检查井的标号、井筒、井盖、井圈、基础等细节均要有所展示，通过项目名称一一对应保证明细表中的模型信息能够在平台中返还模型，由于完成后的模型体量较大，因此挑选部分细节展示。图6、图7分别是管线模型载入项目的地面及地下视角透视模型，模型精度可以满足可视化应用的需求。

图6 地面视角管线模型Fig.6 Ground view pipeline model

图7 地下视角管线模型Fig.7 Underground perspective pipeline model

2.2.2 碰撞检查

碰撞检查是BIM技术的主要应用点之一，尤其是对于管网工程这种空间性较强的工程，对模型进行碰撞检查后可提前发现新设计管线与已有管线的冲突，以及设计管线自身碰撞冲突，提前发现问题给予施工方建议，更多的是反馈设计方，将问题解决在设计阶段，避免累积到施工阶段，造成成本增加及人力物力浪费，尤其是对于管网工程这种整体性较强的工程，牵一发而动全身，利用碰撞检查提前发现问题有着极为重要的意义。图8展示了部分碰撞检查结果，并以颜色区分，设计人员可依此进行净高复核优化。

进行碰撞检查的工具是Autodesk平台下的Navisworks软件，由于模型最终是在Revit中导出，两款软件同属Autodesk平台，一定程度上也避免了不同平台之间信息传递流失的情况。Navisworks系列软件提供了强大的模型查看和分析功能，多利用模型分析结果进行设计优化、施工指导、运营维护等多个方面。使用其碰撞检查功能模块，可直观地观察到部分碰撞现象，并能导出碰撞分析报告，工程人员将以此为依据进行决策。

图8 部分碰撞检查结果Fig.8 Partial collision check results

2.2.3 施工组织模拟

将模型信息明细表按照项目名称一一对应的方式在管理平台上关联模型，施工组织人员可直观方便地查看模型信息(图9)，平台中点击相应模型构件即可显示详细的属性信息，施工方可以此为根据进行施工进度模拟，随时监督施工进度，指导施工的先后顺序(图10)，未建、在建、已完未验、已完已验在施工管理平台中一目了然，大大减轻了管理人员的工作，使得工程施工进度透明直观。

图9 平台管线属性信息Fig.9 Platform pipeline attribute information

图10 平台施工质量进度管控Fig.10 Platform construction quality progress management and control

2.3 协同建模创新点及应用点

(1)对管网综合建模带来的效率提升

经过工程实例的考验，证明鸿业—Revit的管网建模思路是切实可行的。针对两款软件的特点，扬长避短，综合了两款软件的优点后，使得建模流程清晰明确，减轻设计人员负担的同时尽可能避免了人力带来的数据偏差。利用本技术路线创建的模型精度完全可以满足目前工程对于BIM应用点的需求，且Revit拥有强大的自定义建模功能，可随时根据需求对模型进行相应调整，保证在满足工程要求的同时提高设计效率。

(2)构件库的建立，对BIM正向设计的导向作用

目前国内大多数使用BIM 技术的项目还处于传统CAD图纸到 BIM 的过渡模式中，即三维模型是基于二维图纸的“翻模”，而理想化的高效率BIM技术模式应是：CAD图纸成为三维模型的副产品，是一种传统包含于新技术的高效模式。这种模式便是正向设计，即直接进行三维设计，利用三维模型导出CAD 图纸，改动也直接在三维模型信息中进行，自动生成更改的二维图纸。而BIM正向设计的推进与发展不是一蹴而就的。基于构件库的装配思想是目前推进正向设计的主要渠道之一。简言之，构件库是将工程所涉及构件按照一定的分类标准分门别类所构成的集合，在建模时可直接调用相应构件组装模型，这是理想的构件库使用模式。

本文提出的新型建模路线，第一阶段在鸿业“管立得”软件中的操作是优化后的基于二维CAD图纸的翻模，而第二阶段在Revit中模型优化需要使用深化精度后的节点模型，调用节点模型的过程契合构件库的思路。对建好的节点模型按照统一标准进行严格的分类编码，可充实企业构件库，便于后续工程调用，符合BIM正向设计的大发展方向。

(3)符合BIM发展趋势，协同交流，共同解决问题

“信息孤岛”或者说交流障碍是阻碍BIM发展的一个重要原因，这种障碍存在于各专业间、工程各层级、企业间以及各平台软件之间，只有打破壁垒，将各方信息汇聚处理才是目前解决问题的最佳方式，本文所提出的两款软件间协同合作的技术路线，发挥各自优点，最终在满足工程要求的同时，大大提高了建模效率，是解决“信息孤岛”障碍的软件实践。