工藝設(shè)備與土建BIM三維協(xié)同設(shè)計研究

■中船第九設(shè)計研究院工程有限公司 張濤

本文對涂裝車間非標(biāo)設(shè)備與土建BIM融合三維協(xié)同設(shè)計的完整體系進(jìn)行探索。以建立涂裝車間非標(biāo)構(gòu)件與外購設(shè)備三維參數(shù)化系列基礎(chǔ)模型庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)設(shè)備模型與土建模型的成功交互，同時研究在現(xiàn)有設(shè)計流程框架下，各設(shè)計階段設(shè)備與土建BIM平臺協(xié)同出圖的具體路徑，實現(xiàn)涂裝車間三維協(xié)同設(shè)計示范應(yīng)用。

背景介紹

涂裝車間二維設(shè)計現(xiàn)狀與痛點

傳統(tǒng)的涂裝車間工藝專業(yè)設(shè)計工作主要分為四個階段：前期設(shè)計（可行性研究、項目建議書、方案設(shè)計），初步設(shè)計，施工圖設(shè)計，施工圖深化設(shè)計（非標(biāo)設(shè)計）。各階段設(shè)計工作各有側(cè)重，其中，施工圖設(shè)計階段與其他專業(yè)的協(xié)作工作最多（圖1）。

圖1 涂裝車間傳統(tǒng)二維設(shè)計成果

涂裝車間非標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)和非標(biāo)構(gòu)件工藝布置復(fù)雜，與土建公用專業(yè)的交叉較多，作為工業(yè)建筑的主導(dǎo)專業(yè)，工藝專業(yè)在各設(shè)計階段需要頻繁地與土建公用其他專業(yè)相互提資，在多輪溝通修改迭代后，完成設(shè)計成果。

傳統(tǒng)設(shè)計以歐特克公司的AutoCAD為主要平臺，不同專業(yè)之間的參考引用多數(shù)以圖塊或者底圖參照的方式進(jìn)行。如果土建專業(yè)有修改，工藝專業(yè)需要重新制作插入圖塊，或者刷新參考引用。由于工藝與電氣、給排水、暖通等專業(yè)在設(shè)計過程中無法實時看到非本專業(yè)的初步成果，不同專業(yè)之間設(shè)備、管道、橋架、梁板的干涉碰撞情況時有發(fā)生。

三維土建BIM設(shè)計

由于機械設(shè)備行業(yè)與建筑行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)存在巨大差異，目前市面上還沒有一款軟件能同時完成設(shè)備和土建設(shè)計所需深度的建模、出圖工作。工程設(shè)計階段一般都是將事先建立的設(shè)備模型轉(zhuǎn)換導(dǎo)出到土建BIM軟件能導(dǎo)入的格式，完成兩者的協(xié)同設(shè)計；非標(biāo)設(shè)備設(shè)計階段則是將土建模型導(dǎo)入到設(shè)備設(shè)計軟件平臺來完成。

目前，以歐特克公司的Revit軟件為代表的BIM設(shè)計工具已基本滿足一般土建公用類設(shè)施的設(shè)計需求。

三維工藝設(shè)備設(shè)計

涂裝車間設(shè)備類型較為復(fù)雜，而且各工藝設(shè)備系統(tǒng)之間、工藝設(shè)備與土建公用之間往往穿插關(guān)聯(lián)（圖2）。其中，非標(biāo)類設(shè)備包括雙缸噴砂機、真空吸砂機組、帶式輸送機、斗式提升機、丸塵分離器、螺旋輸送機、柔性升降大門等；通風(fēng)除塵凈化類設(shè)備包括軸流風(fēng)機、離心風(fēng)機、濾筒除塵器、除濕機、燃?xì)饧訜嵯?、CCH輻射加熱器、送風(fēng)風(fēng)機箱、有機廢氣處理裝置等；承壓類設(shè)備包括儲氣罐、冷干機、壓力管道等；鋼結(jié)構(gòu)類包括儲丸箱、集丸斗、蓋板、格柵、沖孔板、支架、梯子、操作平臺等；電氣控制系統(tǒng)類設(shè)備包括配電柜、控制柜、終端箱、操作臺、模擬屏、傳感器、報警器等。

圖2 涂裝車間工藝設(shè)備三維模型布局

除此之外，車間還包含各類管道系統(tǒng)（通風(fēng)除塵管道系統(tǒng)、真空吸砂管道系統(tǒng)、噴砂機管道系統(tǒng)），以及儀表、閥門等。外購設(shè)備的設(shè)計深度一般只要求外輪廓和對外接口尺寸準(zhǔn)確即可，但自制設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)、管道、管件類，其設(shè)計深度一般要求能滿足現(xiàn)場切割、加工、組裝、定位需要。

各設(shè)計階段技術(shù)路徑

前期方案階段

前期方案階段是項目建議書、可行性研究、方案設(shè)計等工作的統(tǒng)稱。涂裝車間前期設(shè)計成果一般包括車間總體規(guī)模、間數(shù)、長寬高主尺度、機房層數(shù)、方案效果圖渲染等（圖3）。該階段一般對設(shè)備、管道詳細(xì)布置情況不作要求。歐特克Revit、達(dá)索Solidworks均可完成方案模型并渲染出效果圖。

圖3 前期方案階段設(shè)計成果示例

初步設(shè)計及施工圖階段

初步設(shè)計及施工圖階段主要設(shè)計成果包括外購設(shè)備布置、非標(biāo)設(shè)備布置、管道走向、土建留孔埋板資料等。

這兩個階段以土建公用專業(yè)所用的歐特克Revit為主導(dǎo)，并在達(dá)索Solidworks中建立好外購、非標(biāo)設(shè)備粗略模型后，轉(zhuǎn)換成合適中間格式（STP、ADSK、IGS等），再導(dǎo)入到歐特克Revit中做工藝布置設(shè)計。工藝設(shè)備及管道所需的留孔、埋板信息，待設(shè)備布置完成后，在歐特克Revit中通過建模操作添加。工藝布置完畢后，添加設(shè)備功率等屬性信息，用于后續(xù)生成設(shè)備材料表。

歐特克Revit、達(dá)索Solidworks兩個軟件平臺均屬于PARASOLID、ACIS內(nèi)核系列軟件，在模型格式轉(zhuǎn)換時可以最大程度保留各專業(yè)建模過程數(shù)據(jù)，并保證后續(xù)協(xié)同設(shè)計階段的兼容性（圖4）。

圖4 兩個軟件平臺的模型交互

隨著設(shè)備模型的不斷積累，直至整個車間所需模型庫建立完備，該階段設(shè)計工作將越來越快速、精準(zhǔn)。

施工圖深化及非標(biāo)設(shè)計階段

施工圖深化及非標(biāo)設(shè)計階段主要設(shè)計成果包括詳細(xì)的零部件加工信息、設(shè)備組裝信息、管道和管件的詳細(xì)加工裝配信息等，并且需要計算出準(zhǔn)確的材料用量（一般為重量或面積）。

該階段選擇非標(biāo)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)最普遍應(yīng)用的達(dá)索Solidworks為主要平臺，同時將土建BIM歐特克Revit制作的土建模型轉(zhuǎn)換成合適中間格式，導(dǎo)入到達(dá)索Solidworks軟件平臺，以便在鋼結(jié)構(gòu)、管道、非標(biāo)設(shè)備布置設(shè)計過程中作定位參照（圖5）。

圖5 非標(biāo)設(shè)備設(shè)計示例

在傳統(tǒng)的二維設(shè)計中，該階段是將土建二維圖紙以圖塊形式導(dǎo)入設(shè)備圖紙作為參照，利用建筑軸線來定位設(shè)備。三維設(shè)計中，利用建筑軸線生成系列參考基準(zhǔn)面，作為設(shè)備和管道的三維空間定位基準(zhǔn)。

三維設(shè)備和構(gòu)件模型可以在設(shè)計過程中，實時調(diào)用有限元模塊進(jìn)行分析計算，并根據(jù)結(jié)果作適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整，以便達(dá)到結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和材料經(jīng)濟性的最大平衡。

安裝施工運維階段

安裝施工運維階段在完成設(shè)計模型后，可以制作出涂裝車間工藝設(shè)備總承包標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝流程仿真動畫，減少不同施工隊伍作業(yè)水平不一的問題。在此過程中，可以直接利用設(shè)計階段所建立的設(shè)備、土建模型。

設(shè)計模型還可直接應(yīng)用于涂裝車間數(shù)字化管控軟件平臺，便于集成全車間3D數(shù)字孿生模型、報警信息快速定位、車間運行情況直觀展示、車間數(shù)字資產(chǎn)等。

設(shè)計成果

三維模型出二維圖紙

前期方案、初步設(shè)計、施工圖階段，在手動添加設(shè)備和構(gòu)件屬性后，歐特克Revit軟件平臺可以方便地生成該階段所需的二維工程圖紙和設(shè)備材料表，表格會自動統(tǒng)計設(shè)備臺套數(shù)。

施工圖深化、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計階段，達(dá)索Solidworks軟件平臺可直接從裝配模型方便地生成施工現(xiàn)場所需的二維工程圖紙，其中包括傳統(tǒng)二維設(shè)計所需的局部剖視圖、節(jié)點圖等，并符合機械設(shè)備、管道設(shè)計相關(guān)規(guī)范，軟件可自動計算材料用量（圖6）。二維圖紙圖框格式可以根據(jù)實際工作要求自行定義。

圖6 從三維模型生成二維圖紙

三維模型對外演示

設(shè)計模型可以在方案比選匯報中實時多角度展示，并可快速展示剖切、爆炸等視圖，以增強理解。

對于沒有安裝三維設(shè)計軟件的場合，可以事先利用COMPOSER插件模塊，將三維模型直接插入到PPT文件中（圖7），方便對外交流展示。該插件也支持旋轉(zhuǎn)、剖切、爆炸等多種視圖。

圖7 三維模型直接嵌入PPT文件

在基于HTML5類智能化車間三維數(shù)字資產(chǎn)運維平臺中使用模型前，需要將模型輕量化，以大幅壓縮模型文件占用帶寬，提升加載速度。具體手段包括刪減修飾特征，如圓角、倒角、陣列，將裝配體文件合并保存為單一零部件文件，轉(zhuǎn)換為STL、OBJ、FBX等輕量化模型格式等。

總結(jié)

通過三維參數(shù)化工藝設(shè)備與土建BIM平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，可以在設(shè)計階段提前被發(fā)現(xiàn)并排除原本在施工現(xiàn)場才會暴露的干涉、碰撞問題，這是三維設(shè)計相對于傳統(tǒng)二維工程設(shè)計最明顯的優(yōu)點。

“工欲善其事，必先利其器”，與傳統(tǒng)二維設(shè)計需要收集積累設(shè)備樣本資料一樣，三維設(shè)計的順利推進(jìn)，也需要在前期積累大量的模型庫，其主要包括非標(biāo)工藝設(shè)備、各類標(biāo)準(zhǔn)件、土建構(gòu)件等。三維設(shè)計的最大工作量在于建立模型，并將設(shè)計參數(shù)附加到模型之上，在完成這些工作之后，生成二維工程圖紙和設(shè)備材料表的工作量相比傳統(tǒng)二維設(shè)計可大幅縮減，讓設(shè)計人員真正把精力投入到優(yōu)化設(shè)計方案上來，而不是反復(fù)調(diào)整圖紙格式，這也有利于設(shè)計成果的質(zhì)量提升。