基于達索平臺的BIM協(xié)同設(shè)計在水處理工程中的應(yīng)用

朱偉南

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 ,上海 200092)

基于達索平臺的BIM協(xié)同設(shè)計在水處理工程中的應(yīng)用

朱偉南

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 ,上海 200092)

BIM技術(shù)的應(yīng)用未來將會成為計算機輔助設(shè)計發(fā)展的重要趨勢和方向，而其中核心的技術(shù)就是協(xié)同設(shè)計。本文簡述基于達索平臺三維協(xié)同設(shè)計、二維圖紙及可視化應(yīng)用技術(shù)的成功應(yīng)用，并且介紹了基于骨架和文檔模板的水廠構(gòu)件建模方法。以上技術(shù)的實現(xiàn)能夠良好地契合實際的工程設(shè)計習(xí)慣，可以在水處理行業(yè)廣泛應(yīng)用與推廣。

達索平臺三維協(xié)同設(shè)計；二維圖紙、骨架和文檔模板建模；交互式可視化應(yīng)用

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.07

1 引言

給水廠主要包括凈水工藝系統(tǒng)和排泥水處理系統(tǒng)。凈水工藝系統(tǒng)是由不同的凈水處理單元按水力流程相互串聯(lián)起來的水處理體系，排泥水處理系統(tǒng)是用來處理凈水工藝系統(tǒng)排出的排泥水。凈水工藝單體主要有沉淀池、濾池、清水池、二級泵房等。排泥水處理系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)水池、濃縮池、污泥平衡池和脫水機房等。

水處理工程專業(yè)設(shè)計是由工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控等各專業(yè)的設(shè)計人員協(xié)同配合，共同完成的。在項目設(shè)計過程中，隨著設(shè)計方案的不斷深化和完善，設(shè)計變更往往是不可避免的。各專業(yè)設(shè)計變更的交接、反交接及設(shè)計繼續(xù)深化是一個不斷重復(fù)的迭代過程，因而水廠設(shè)計的系統(tǒng)工程復(fù)雜并且難度較大。

2 三維協(xié)同流程規(guī)劃

與其它的協(xié)同設(shè)計平臺相比，達索平臺可以在滿足工程項目全過程中產(chǎn)生的各類信息：如三維模型、圖紙、合同、文檔等進行集中管理的基礎(chǔ)上，為工程項目團隊提供一個信息交流和協(xié)同工作的環(huán)境。對工程項目中的數(shù)據(jù)存儲、溝通交流、進度計劃、質(zhì)量監(jiān)控、成本控制等進行統(tǒng)一的協(xié)作管理。

2.1 協(xié)同建模的工作流程

傳統(tǒng)的二維給水廠的設(shè)計是由工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑設(shè)計、電氣設(shè)計等不同專業(yè)的設(shè)計人員共同分工協(xié)作完成的協(xié)同項目。三維協(xié)同設(shè)計平臺繼承了傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，通過由工藝設(shè)計負責(zé)人員牽頭,前期先在軟件中創(chuàng)建項目整體的骨架網(wǎng)及主管道的中心線，并同步在模型結(jié)構(gòu)樹上發(fā)布設(shè)計參數(shù)，接下來由不同專業(yè)的設(shè)計人員完成后續(xù)的深化建模工作。下面以濾池單體的三維建模為例，說明協(xié)同建模工作流程：

1)定義同一個總平面圖，統(tǒng)一坐標原點；

2)創(chuàng)建項目的軸網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)定主體管道的中心線，發(fā)布相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，鎖定關(guān)鍵設(shè)計數(shù)據(jù)模型；

3)定義項目過程中需要使用的構(gòu)件，并做成文檔模板存入到企業(yè)構(gòu)件庫中；

4)不同專業(yè)的項目成員同步針對一個數(shù)據(jù)模型文件開始協(xié)同建模工作；

5)即時的優(yōu)化設(shè)計方案，及時檢查設(shè)計缺陷，直至設(shè)計任務(wù)完成。

圖1 凈水工藝流程圖

圖2 多專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計

2.2 配置企業(yè)資源管理(PRM)

企業(yè)資源管理是配置與設(shè)計過程相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，該工作通常由項目管理員負責(zé)完成。以水處理工程為例，配置的內(nèi)容包含有:管道材料、壓力等級、公稱直徑、厚度、管道轉(zhuǎn)彎半徑、管件的端部連接形式及管件之間的連接方式等。軟件中規(guī)定每種規(guī)范需要通過Excel文件與PRM中的文件目錄一一對應(yīng)，配置好的PRM文件可以重復(fù)使用在不同的項目中。表1是管件之間的端部連接方式。

3 CATIA建模、使用

水處理工程的建模是一個復(fù)雜的過程，包含了結(jié)構(gòu)、建筑、管道、設(shè)備等不同專業(yè)的建模。通常建模過程中把標準件做成模板放入到企業(yè)構(gòu)件庫中，方便在不同的項目中重復(fù)使用，對于非標準件可以在項目過程中，通過手動建模方式完成。表2是水處理工程不同專業(yè)的構(gòu)件：

表1 管件端部連接形式

3.1 參數(shù)化、模板實例化設(shè)計

相比傳統(tǒng)的二維設(shè)計，三維參數(shù)化設(shè)計的主要優(yōu)勢在于通過修改設(shè)計參數(shù)，可以直接驅(qū)動模型的更改,無需刪除模型重新繪制，節(jié)省工作時間，提高工作效率。參數(shù)的類型需要分門別類的制定，如設(shè)計參數(shù)、計算參數(shù)、信息參數(shù)以及后期維護參數(shù)等。

圖3 參數(shù)化建模

模板實例化是在項目中遇到繪制相同的模型時，可以將設(shè)計知識和流程集成到用戶特征，超級副本和文檔模板中，并參照相同的參考元素修改某些需要修改的輸入?yún)?shù)，即能得到新的模型數(shù)據(jù)。

對于水廠單體中的一些特殊復(fù)雜構(gòu)件，如V形槽、反沖洗槽以及配水渠道池壁等，采用傳統(tǒng)的建模方法需要花費大量的時間并且后續(xù)利用效率也不高。但是可以通過使用參數(shù)化及文檔模板的方法來快速實例化這些構(gòu)件：

1)發(fā)布設(shè)計參數(shù)，如中央壁板長板、中央壁板長寬、中央壁板長高等；

表2 水處理工程構(gòu)件

2)結(jié)合軟件提供的實體造型功能生成參數(shù)化模型(如圖4)；

圖4 參數(shù)化模型

3)創(chuàng)建文檔模板,通過編寫EKL腳本語言，系統(tǒng)自動循環(huán)輸出模型(如圖5)；

圖5 EKL腳本語言

4)通過模板實列化構(gòu)件，如圖6所示。

3.2 骨架驅(qū)動模型

骨架設(shè)計是指在對整個水處理工程的工藝流程和結(jié)構(gòu)充分理解后，結(jié)合實際項目的工程范圍運用主要的線框控制元素對整個項目結(jié)構(gòu)進行有效的總體控制，形成類似樹干結(jié)構(gòu)的骨架模型，并建立有效的參數(shù)信息傳遞框架及設(shè)計方法，將已完成的草繪、設(shè)計基準、幾何特征、相關(guān)參數(shù)發(fā)布到模型樹的相關(guān)節(jié)點下，確保能實現(xiàn)通過骨架線框驅(qū)動模型的功能。圖7是應(yīng)用骨架線框與EXECL文件中的設(shè)計參數(shù)關(guān)聯(lián)，達到快速實例化與修改模型的效果。

3.3 管道、設(shè)備建模

CATIA軟件采用RFLP邏輯模塊創(chuàng)建管道:

R：requirement指需求；

F:function指功能；

L:logic指邏輯；

P:product指產(chǎn)品。

使用RFLP模塊創(chuàng)建管道模型是為了契合管道的設(shè)計規(guī)范，創(chuàng)建管道之前首先在PRM中設(shè)定不同的管道屬性，如材料、壓力等級、生產(chǎn)供應(yīng)商等，然后再通過RFLP模塊創(chuàng)建管道模型。在水處理工程項目中可以通過管道系統(tǒng)來創(chuàng)建模型，如反沖洗水管、氣管等。通過RFLP模塊創(chuàng)建的管道模型，在方案需要變更時，只要調(diào)整相關(guān)管道參數(shù),模型就會自動更新。完成管道設(shè)計模型后可根據(jù)規(guī)范需求，在管道上放置彎頭、三通，四通，閥門等不同的管配件。

水處理工程項目中包含的設(shè)備類型較多，如離心機、吸泥機、鼓風(fēng)機、空壓機等不同類型的設(shè)備。與一般的幾何模型相比，設(shè)備模型的不同點在于其模型是需要具備與管道連接的屬性功能，如離心機的接口需要與各類輸送介質(zhì)的管道相連，通常在完成幾何模型之后還需為其指定接口連接點，方便與管道相連。

3.4 企業(yè)構(gòu)件資源庫

企業(yè)資源構(gòu)件庫是用來存放企業(yè)的工程項目數(shù)據(jù)，包括項目數(shù)據(jù)文件，不同類別的模型構(gòu)件文件，項目文檔，二維圖紙等。模型構(gòu)件可以包括一般構(gòu)件，用戶自定義構(gòu)件，文檔模板構(gòu)件等。對于水處理工程行業(yè)的構(gòu)件一般選用按專業(yè)來劃分，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑構(gòu)件，設(shè)備構(gòu)件，儀表構(gòu)件等。建立完整的企業(yè)構(gòu)件資源庫后，可以在不同的項目中重復(fù)調(diào)用資源庫中的構(gòu)件。

圖7 骨架驅(qū)動模型

圖8 企業(yè)資源構(gòu)件庫

圖9 三維模型投影生成二維圖紙

3.5 二維工程圖紙

傳統(tǒng)的二維設(shè)計無論是平面圖或是立面圖都需要手動繪制，通常需要花費大量的時間去完成。三維設(shè)計可以利用現(xiàn)有的三維模型，通過投影的方式很方便地得到任意的截面剖視圖。如果三維模型進行了變更，系統(tǒng)會自動的更新二維圖紙的信息，極大地提高了工作效率。

4 可視化虛擬技術(shù)

4.1 工況模擬

如何把幾何模型變成信息模型運用到實際的工程中，在水處理工程中可以利用現(xiàn)有的幾何模型對濾池進行通水模擬，首先把模型導(dǎo)入到仿真軟件中，然后通過時間幀與模型和群組的先后顯示順序關(guān)聯(lián)并設(shè)定相應(yīng)的時間，就能獲得通水運行的模擬動畫。 這樣可以使幾何模型在整個BIM生命周期中得到很廣泛地應(yīng)用。

4.2 三維漫游

交互式可視化虛擬漫游是一門新興的效果展示技術(shù)，與傳統(tǒng)的2D展示不同，交互式漫游是第一人稱視角的三維環(huán)境下虛擬體驗。目前在建筑、房地產(chǎn)、能源和機械行業(yè)等的使用非常普遍。應(yīng)用該技術(shù)不僅可以在投標階段向業(yè)主展示設(shè)計方案和理念，而且在項目的后期還可以做成虛擬現(xiàn)實的體驗環(huán)境。

利用已完成的幾何模型導(dǎo)入到3DMAX軟件里，對場景中所有模型進行材質(zhì)添加和貼圖的深加工處理，以便于達到模型的美觀效果。而后再把模型導(dǎo)入到專業(yè)的虛擬技術(shù)軟件中,為場景創(chuàng)建漫游腳本，最后實現(xiàn)通過鍵盤上的方向鍵進行虛擬漫游效果。

5 協(xié)同設(shè)計存在的問題分析

三維的協(xié)同設(shè)計是一種并行的工作模式，相比傳統(tǒng)的二維串行設(shè)計方式，其工作效率會明顯的提高，主要體現(xiàn)在高效便捷的溝通，減少設(shè)計錯誤，降低修改圖紙的時間。但是也存在一些問題，有待今后解決，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)構(gòu)件庫不足： 由于達索軟件平臺的主要應(yīng)用行業(yè)在飛機、制造業(yè)對于市政行業(yè)存在先天的不足，所有的構(gòu)件庫都需要設(shè)計院自行完成，花費大量的人力和時間，在新的平臺中創(chuàng)建完整的市政工程構(gòu)件庫需要長期的工程積累。

(2)軟件學(xué)習(xí)周期比較長：相比其它的BIM軟件，達索軟件的學(xué)習(xí)周期普遍比較長，短時間內(nèi)很難熟練掌握，真正能夠直接用其做設(shè)計的人員很少。

(3)出圖效率低：由于水廠中各單體構(gòu)筑物的通用性較強，很多單體設(shè)計圖紙重用性很高，傳統(tǒng)的二維設(shè)計使用套圖，參數(shù)化出圖手段效率較高。而達索軟件本身二維出圖功能較弱，通過投影生成的二維圖紙不能滿足實際的圖紙規(guī)范要求，后續(xù)還要導(dǎo)入到CAD中進行完善，效率相對較低。

6 結(jié)語

通過應(yīng)用達索協(xié)同平臺創(chuàng)建水處理工程全專業(yè)的BIM協(xié)同設(shè)計，證明了BIM這種全新的三維設(shè)計方式，它不僅能滿足當前市政設(shè)計的需求，還能通過現(xiàn)代化的協(xié)同設(shè)計理念為業(yè)主提供高質(zhì)量、規(guī)范化、清晰化、具體化的設(shè)計產(chǎn)品。同時BIM還能實現(xiàn)水處理項目從策劃、設(shè)計、施工到運營維護項目的全生命周期管理，真正完成項目的整體交付。未來BIM將會帶動市政行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，業(yè)主、設(shè)計公司、施工單位、材料供應(yīng)商、物業(yè)管理公司將由BIM緊密的聯(lián)系起來，這將是市政行業(yè)的一

場全新的變革。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和普及，相信在不久的將來，這種全新的設(shè)計方式將在設(shè)計單位中成為一種潮流，會極大地改變目前傳統(tǒng)工程項目的設(shè)計流程。

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Application of BIM Collaborative Design based on Dassault System Platform in Water Treatment Project

Zhu Weinan

The application of BIM technology in the future will become an important trend and direction of the development of computer aided design, and the core of which is collaborative design. In this paper, the successful application of 3D collaborative design, 2D drawings and visualization applications is described, and the modeling method based on skeleton and document template is introduced. These technologies can achieve good agreement with the actual engineering design habits and can be widely used in the water treatment industry.

Dassault System 3D Collaborative Design Platform; 2D Drawings and Document Template Modeling Framework; Interactive Visualization Application

朱偉南(1983-),男，中級工程師，上海市政總院數(shù)字工程中心BIM工程師。主要負責(zé)BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用。

TU17；TU96

A

1674-7461(2015)05-0039-06