基于BIM 的碰撞检查在市政水务项目协同设计中的应用

章 敏，龙虹池，俞小胖，吴人杰，胡欢梁，赵方圆

（杭州余杭环境控股集团有限公司，浙江 杭州 311121）

BIM（Building Information Modeling）技术是在计算机辅助设计（CAD）等技术基础上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术，是传统的二维设计建造方式向三维数字化设计建造方式转变的革命性技术。推行BIM 技术应用，发挥其可视化、虚拟化、协同管理、成本和进度控制等优势，将极大地提升工程决策、规划、设计、施工和运营的管理水平，减少返工浪费，有效缩短工期，提高工程质量和投资效益[1]。建设项目传统的设计模式是异地、异步、专业交叉进行的，BIM技术极大改变了线性推进的设计和建造模式，整合联系了建筑、结构、管线等不同工程阶段，通过信息的有效传递和交互可以有效地组织协调这些设计环节，提高设计效率并减少设计错误的产生。其中发挥重要作用的就是建筑信息模型（BIM）及其平台。一个完善专业的BIM 平台及模型在建设项目中的作用是超越时间和空间的，它能整合捕捉项目所有阶段的信息与过程，为项目参与方提供统一的交流媒介，在这样有力信息技术支撑下项目设计可以进入多专业全生命周期的协同设计模式[2]。其中多专业协同设计中的碰撞检查是应用最为广泛的一项。

水厂项目工艺流程繁杂，技术要求较多，是市政工程中一类重要项目，直接关系到社会民生，具有重要的社会和经济效益。本项目水厂工程体量大，水处理工艺复杂，并且涉及工艺、结构、建筑、电气、自控等众多专业，这些特点增加了水厂项目在不同阶段上不同专业之间协作的困难。应用BIM 技术可在很大程度上解决水厂项目在不同专业设计上的冲突问题。运用基于BIM 的设计方式，设计团队可以更准时、更高质量、更高效地完成项目任务；可以优化各专业团队工作流程，提高各个设计专业（建筑、结构、MEP 等专业）成果质量。基于BIM 的多专业协同设计根本优势是能将项目信息分享给设计团队的各专业成员，而不是以往各个专业之间是“信息孤岛”，它有助于设计团队成员能更早地参与到设计过程中，各个专业利用基础模型进行单独设计，取代单一的线性工作方式。除此之外，BIM 技术给各个专业之间提供了交流的平台，利用平台，各个专业之间可以共享设计成果，进行交叉设计和专业间的碰撞检查，从而提高设计精度、优化设计。

1 碰撞检查与基于BIM 的协同设计

目前行业内建设项目的设计和表达仍然使用平面图纸，由于其平面图纸信息载量的有限性，以及对空间位置表达的局限性，在平面中项目设计的冲突很难被发现，往往只能依赖设计人员的经验与空间想象能力。而应用BIM 技术，将平面图纸转化为BIM 模型可以极大提升设计成果在信息和几何上的信息丰度，而利用相关软件技术可以实现3D 模型全方位、多尺度显示，极大方便设计人员对设计成果的阅读和理解，其数字化和标准化的信息也能供计算机进行读取和分析，以此能够快速、高效且定量地进行设计冲突和部件碰撞的检查[3]。不仅如此，传统的碰撞检查对于不同专业间的冲突检测非常困难，即使使用CAD 对设计图纸进行传递和表达，设计人员解决不同专业间的碰撞问题也只能通过重叠图纸对比，凭借自身经验和空间想象力找出可能的设计冲突。这样的冲突牵涉专业较多，且传统住宅设计模式中缺乏信息交流的有效手段，很难对设计中的冲突进行全面检测。

BIM 的协同设计是指以BIM 信息技术为支撑，将协同设计的理论与方法应用在项目的设计模式中，研究不同学科、不同专业、不同团队成员之间如何在项目设计中进行协作配合，消解设计冲突，提髙设计效率[4]。项目的协同设计最主要的工作内容是不同专业之间的碰撞检查及其更改，其中最重要的协同要素是模型标准一致且BIM 模型统一，它为BIM 的协同设计提供了协作的基础，因此围绕模型进行建立、维护、修改和更新是不同专业之间进行协同设计的主旋律。BIM 提供了一个单一的设计环境，即BIM 模型及其平台，各个专业人员可以在同一个BIM 模型上对他们的工作成果进行添加并更新，让不同专业人员可以实时观察到其他专业的模型，从而及时发现专业间的模型和信息冲突，并进行解决[5]。通过BIM 系统对多专业之间进行信息模型协调审查与碰撞，可解决建筑、结构以及专业管线之间的问题和矛盾，对整个工程进行优化。而且由于使用BIM 技术后设计结果被数字化转化和表达，可以进一步利用软件辅助冲突检测，并在三维的空间下快速高效发现并消解各类碰撞冲突，大大提高了设计效率。其解决的设计冲突减少了潜在的施工延误、返工，对项目的建设效率和降低费用有非常重要的作用。

2 基于BIM 的协同碰撞检查方法

为了能在水厂项目的设计中有效利用BIM 技术，提高不同专业之间在设计上的协同，避免发生不同建筑部件上的物理冲突和错误排列，尽可能降低施工返工的可能性，本文提出了水厂项目不同专业之间基于BIM 的碰撞检查方法。

2.1 各个专业进行协同碰撞检查的通用流程

立足于目前的工程实际，从项目专业设计图纸出发，对其进行专业模型的BIM 建模，对于结构和管线工程等后置工程可以在先前建立好的建筑模型基础上进行专业扩展及建模。建立模型首先需要对其进行审查以确保符合项目建模标准，这样不同专业模型才能完整顺畅地进行相互转化和导入，为不同专业之间的模型碰撞检查提供基础，帮助实现设计上的协同。进行专业内部的碰撞检查，确保本专业建模的准确性和有效性。之后通过项目统一的BIM 平台导入其他专业BIM 模型或综合BIM 模型与本专业模型进行组合，进行专业间模型的碰撞检查，该流程是不同专业间基于BIM 的碰撞检查的重要部分。当通过专业间的碰撞检查后，模型可以被发布到协同工作平台中，充实或更新平台的模型库，具体如图1所示。

图1 各专业进行协同碰撞检查的通用流程

2.2 项目各专业基于BIM 的协同碰撞检查模式

该协作模式以项目设计进展为线索，展示了建筑、结构和管线3个不同专业之间在碰撞检查上的协作模式。首先是建筑设计阶段的建模及碰撞检查，该阶段几乎包含了项目的整个设计阶段，因为建筑设计作为顶端设计必须时刻接受下游专业设计的意见反馈，当出现不可调和的设计冲突时，有必要从建筑设计上进行更改。随着项目进程的推进，不同专业陆续参与到协同设计过程中，并不断丰富项目综合模型库，最终形成各专业都协同共存的项目模型。利用这样的模型可以提前解决项目不同专业施工时可能发生的碰撞冲突问题，确保所有专业工程按照设计顺利施工，具体如图2所示。

图2 项目各专业基于BIM 的协同碰撞检查模式

3 案例研究

本文以某水厂项目为依托，在不同专业的设计过程中应用提出了碰撞检查方法，通过将现有设计图纸按项目BIM 应用标准转化为3D BIM 模型后，不同专业按照本方法依次对模型进行审查、内部碰撞检查和专业间碰撞检查等操作，最后通过碰撞检查结构或进行本模型更改，或通过本方法协同设计模式与其他专业进行协商沟通，协同解决设计冲突问题，实现设计上的协同。

3.1 项目简介

本市政水务项目为某市自来水厂工程，厂区工程建设内容为近期规模20 万m3/d、远期规模30 万m3/d、远景规模40 万m3/d 的净水厂1 座，包括厂区内各生产建（构）筑物、污泥处理设施和厂前区的工艺、建筑、结构、电气、自控、工程经济、景观、绿化等各专业内容。其中厂前区和部分辅助建（构）筑物按照远景40 万m3/d 规模一次性建成，其余按照近期20 万m3/d 规模建设。工程总投资近20 亿元。净水工艺采用“折板絮凝+平流沉淀+气水反冲洗滤池+臭氧氧化+活性炭过滤处理工艺”的处理路线，工艺流程及涉及到的构筑物如图3所示。

图3 本项目采用的净水工艺及涉及的构筑物

3.2 建筑设计碰撞检查

首先进行建筑专业内的碰撞检查。应用本方法，先根据建筑设计图进行建筑模型的创建，通过将平面图纸转化为三维模型，设计模型的信息丰富程度极大增加，也变得更加方便相关人员阅读和理解，直观找出各处碰撞点，也可以借助相应的算法快速获得建筑部件之间的相对位置和碰撞发生处。在本项目的应用实例中，建筑设计专业内的碰撞检查中发现了软碰撞，即不符合建筑设计要求的空隙或间隔，有12 处。发现的硬碰撞，即部件之间发生重叠或交叉以至于不能在空间中共存，有15 处。其中特别报告有如下几处：①2#二层、三层平面图右侧柱与结构柱尺寸不一致，梁突出柱边（如图4所示）；②FM1222 门与1KL10 梁碰撞，梁底标高0.25 m，地面标高﹣1.85 m，高度仅为2 m，门高度2.2 m（如图5所示）；③LM1528 门平面位置与立面位置匹配不上（如图6所示）。

图4 原建筑设计平面图与3D 模型检测到的设计冲突（2#二层、三层平面图右侧柱）

图5 原建筑设计平面图与3D 模型检测到的设计冲突（FM1222 门）（单位：mm）

图6 原建筑设计平面图与3D 模型检测到的设计冲突（LM1528 门）（单位：mm）

3.3 结构设计碰撞检查

根据图1所示流程进行结构专业的碰撞检查。结构设计利用已有结构设计图进行BIM 建模，并需要符合本项目的建模标准和交互标准，使其可以与建筑模型进行结合和转化。在建筑模型的基础上对结构模型进行建模。在本项目的应用实例中，结构设计专业内的碰撞检查共发现了软碰撞9 处，硬碰撞6 处。结构专业与其他专业间协同碰撞检查共发现了软碰撞8处，硬碰撞7 处。其中特别报告有如下几处。

3.3.1 结构专业内碰撞检查结果分析

KZ1 柱与LC1533 梁碰撞如图7所示。

图7 原结构设计平面图与3D 模型检测到的冲突（KZ1 柱与LC1533 梁碰撞）（单位：mm）

3.3.2 结构与建筑专业间协同设计及碰撞检查情况分析

西立面左侧百叶窗与梁碰撞如图8所示。

图8 原建筑设计图与建筑、结构联合3D 模型检测到的冲突（西立面左侧百叶窗与梁碰撞）

3.4 管线设计碰撞检查

水厂项目的管线工程是项目的重要部分，其影响到项目的很大一部分使用功能。因此对管线设计的碰撞检查需要尤其重视。由于该项专业工程通常在主体和副结构完工后才开始进行，因此其专业间协同设计需要对建筑和结构的综合模型进行考虑。在本项目的应用实例中，管线设计专业内的碰撞检查共发现了6处碰撞问题。而管线专业与其他专业间的碰撞检查发现软碰撞有9 处，硬碰撞有4 处。其中特别报告有如下2 处：WL-6、LM 立管撞柱子（如图9所示），管线、建筑、结构联合3D 模型检测到的冲突（如图10所示）。

图9 管线、建筑、结构联合3D 模型检测到的冲突与原管线设计图（WL-6、LM 立管撞柱子）

图10 管线、建筑、结构联合3D 模型检测到的冲突

排烟机房接三轴外墙防雨百叶尺寸为1 000 mm×600 mm，柱子与墙净距980 mm，排烟管过宽。

4 结果分析

本文主要从专业内和专业之间2个方面对以碰撞检查为主题的BIM 多专业协同设计进行应用。其中建筑、结构和管线3个专业内的碰撞检查结果表明，3D模型有效发现了平面图纸设计的各类设计冲突和错误，帮助项目团队及时有效地对相关错误进行更改，避免将错误遗留到施工中造成更大的项目损失。专业内各专业碰撞检查发现的设计冲突和错误汇总如表1所示，共发现冲突或错误48 项，其中建筑27 项，涉及到的建筑部件体量90 m3；结构专业发现冲突或者错误15 项，涉及到的结构部件体量70 m3；管线发现冲突或者错误6 项，涉及到的管线长度19 m。

表1 专业内碰撞检查结果汇总

若以建筑或结构设计阶段每项错误可能导致的施工延误2 d，采取措施或返工费用增加1 万元来计算，本项目应用本文提出的基于BIM 的碰撞检测方法预计帮助项目在建筑设计阶段节约工期54 d，节省费用27万元，在结构设计阶段节约工期30 d，节省费用15 万元。而以管线设计阶段每项错误可能导致的施工延误2 d，采取措施或返工费用增加5 000 元来计算，本项目应用本文方法在管线设计阶段节约工期12 d，节省费用3万元。

对本项目在各专业协同设计中应用专业间碰撞检查方法发现的设计冲突和错误汇总如表2所示，共发现冲突或错误34 项，发起设计更改19 项。其中导致的结构设计更改11 项，管线设计更改8 项。以上述类似方法计算，可以发现基于BIM 技术的各专业间协同碰撞检查共节约工期68 d，节省费用19 万元。

表2 专业间协同设计中碰撞检查结果汇总

从专业内的碰撞检查和专业间的协同设计中所发现和更改的错误来看，专业间的协同也发现了大量的专业内无法发现的碰撞和设计冲突，约占所有碰撞问题的42%，并发起了不同专业之间的设计协商和更改请求，牵涉了更多的设计团队参与工作，在节约项目费用和工期上得到了显著的工程价值，可见专业协同在碰撞检查中的重要性和必要性。

5 结论

由于目前BIM 技术在协同设计上的巨大价值，本文提出了基于BIM 技术的协同碰撞检查方法，并于某水厂项目的设计过程中成功应用。应用结果表明，通过将平面图纸转化为三维模型，设计中的各类冲突和碰撞问题可以更加方便地被发现和检测出来。更为重要的是，本文方法还涉及到了不同专业之间的协同检查，在保证专业模型符合同一模型标准和交互规则后，各专业模型可以与BIM 平台中的专业模型库进行无缝导入和交互，为不同专业之间的协同碰撞检查提供了基础。从协同碰撞检查的应用结果可以看出，其发现大量的错误和提起的更改请求，证明专业间的协同碰撞检查在工程实际中具备非常重要的价值，值得重视。