基于BIM模型的三維仿真軟件技術(shù)在給排水管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文｜山西工程科技職業(yè)大學(xué) 郭歡

隨著計(jì)算機(jī)、信息化、數(shù)字化等新興技術(shù)不斷迅速發(fā)展，建筑信息模型（BIM）技術(shù)也隨之誕生了。它主要能夠?qū)ㄖこ讨卸鄠€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，比如建筑設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)、以及控制等，從而為建筑工程帶來極大的便利，由此受到建筑工程的青睞，被大量推廣應(yīng)用[1]。此外運(yùn)用BIM技術(shù)還能夠把建筑每個(gè)流程、步驟集成在一個(gè)平臺(tái)上，對(duì)于給排水設(shè)計(jì)，能夠使各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息共享，由此促進(jìn)了建筑給排水設(shè)計(jì)過程的整體質(zhì)量提升，有效地降低了工程流程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，從而推動(dòng)了建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1.計(jì)算機(jī)三維仿真軟件的選擇

BIM 的構(gòu)建需要借助于一些特殊的三維仿真軟件來對(duì)模型進(jìn)行建立，其目的是便于保存建筑參數(shù)信息。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的三維仿真軟件主要有Autodesk（歐特克）公司的繪圖軟件Autocad、三維建模軟件3DS Max、以及主要應(yīng)用于建筑設(shè)備工程設(shè)計(jì)軟件Autodesk Revit MEP（簡稱MEP 軟件）等。不過每個(gè)軟件應(yīng)用范圍、使用環(huán)境、以及優(yōu)劣勢等方面也均存在差異[2]。

本文研究目的就是為了解決給排水管道中常常發(fā)生管道交叉、碰撞等問題而帶來的危害。Autodesk 3DS Max 最強(qiáng)大的地方是具有較佳渲染能力，在動(dòng)畫等方面應(yīng)用較多。但該軟件不能應(yīng)用于管道工程，以及其附件這方面比較特殊的設(shè)計(jì)內(nèi)容，沒有辦法做到借助于參數(shù)化、智能化等，來建立三維立體仿真模型。而Autocad 亦可用來建立三維圖形，但它主要缺點(diǎn)在對(duì)三維圖進(jìn)行修改比較復(fù)雜，還有一個(gè)致命缺點(diǎn)就是不能進(jìn)行模型參數(shù)化。

相對(duì)而言，MEP 屬于一種借參數(shù)驅(qū)動(dòng)建立BIM 模型，同時(shí)還可以對(duì)管道工程與各個(gè)建筑配套設(shè)備工程進(jìn)行改進(jìn)、完善、優(yōu)化的一類重要計(jì)算機(jī)三維仿真軟件。該軟件在應(yīng)用于給排水管道設(shè)計(jì)，解決管道碰撞與交叉等問題具有更多的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為[3、4]：

一是在BIM 模型建立時(shí)，能夠很好地發(fā)揮模塊分類作用，使得相關(guān)設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用該軟件過程中能夠提前完成本專業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，與其它軟件相比，能夠節(jié)省更多設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了工作量。二是該軟件不僅自帶了許多標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族功能，而且還設(shè)計(jì)自建族功能。因此能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員創(chuàng)造了很多有利條件，促進(jìn)了設(shè)計(jì)效率與精準(zhǔn)率提升。三是該軟件在給排水管道設(shè)計(jì)過程中對(duì)于處理管道碰撞與優(yōu)化時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道碰撞檢查，而且還能夠輔助相關(guān)工作人員定位所發(fā)生碰撞位置，以便于提升設(shè)計(jì)過程中準(zhǔn)確率。因此本文對(duì)選取MEP 三維仿真軟件構(gòu)建BIM 模型來處理給排水管道設(shè)計(jì)過程有關(guān)管道問題進(jìn)行具體探索。

2.BIM 模型在給排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文使用 MEP 軟件立足于二維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在給排水管道設(shè)計(jì)過程中構(gòu)建BIM模型，而且還以此BIM 模型來對(duì)管道中的交叉與碰撞問題進(jìn)行處理，具體處理過程分為以下幾部分[4]：

2.1 開始前準(zhǔn)備

2.1.1 建立初始文件

使用的 MEP 三維仿真軟件構(gòu)建BIM三維模型初始文件，且對(duì)此文件實(shí)現(xiàn)給排水系統(tǒng)有關(guān)其它設(shè)定，比如排水管道種類、衛(wèi)浴用品類別等設(shè)定。

2.1.2 構(gòu)建工作集

建立工作集的宗旨主要包括兩方面：一方面能夠大幅度減少相關(guān)設(shè)計(jì)工作者所需要看到的視圖有關(guān)信息；另一方面降低三維仿真設(shè)計(jì)難度。此外，對(duì)三維建模工作依照相關(guān)專業(yè)屬性進(jìn)行分類、構(gòu)建工作集，可使得相關(guān)設(shè)計(jì)工作者能夠依照其本身所需要，指定現(xiàn)在視圖呈現(xiàn)設(shè)定好的某工作集[5]。

2.1.3 引入Autocad 二維平面且對(duì)標(biāo)高與軸線進(jìn)行設(shè)定

運(yùn)用 MEP 三維仿真軟件對(duì)BIM 模型進(jìn)行建立，是立足于給排水管工程中的二維設(shè)計(jì)成果基礎(chǔ)上，把CAD 平面設(shè)計(jì)引入到該軟件中，使得排水管道設(shè)計(jì)、附件三維信息等，與建筑相關(guān)設(shè)計(jì)，比如結(jié)構(gòu)、位置、空間等一致、統(tǒng)一、匹配等。

2.2 BIM 模型建立

（1）衛(wèi)浴裝置的設(shè)定

與過去設(shè)計(jì)相比較，兩者最大不同之外，三維設(shè)計(jì)能夠跳出過去那種繪圖過程中使用的線、點(diǎn)、面、體等一般線條，而采用門、水泵、墻等族來實(shí)現(xiàn)繪圖，立足于此建立相關(guān)建筑模型。

（2）建立給排水系統(tǒng)

找到項(xiàng)目瀏覽器，然后從中選取系統(tǒng)所有衛(wèi)浴裝置，而本文中主要選擇采用洗臉盆以及2 個(gè)坐便器，衛(wèi)浴裝置選擇完成之后，再建立給排水系統(tǒng)。在該環(huán)節(jié)中，是允許給排水系統(tǒng)中的衛(wèi)生器具建立邏輯連接。給排水系統(tǒng)裝置三維示意圖如圖1。

圖1 Revit 軟件繪制給排水系統(tǒng)裝置三維示意圖

(3)管道分布的形成

給排水系統(tǒng)建立結(jié)束后，使用鼠標(biāo)對(duì)該系統(tǒng)中的衛(wèi)生器具進(jìn)行單擊，再選擇“生成布局”命令，此時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自行提供數(shù)種不同的管道布局設(shè)計(jì)方案，倘若有設(shè)計(jì)者滿意，或者與實(shí)際工程相符方案，就可以選擇其中滿意的方案進(jìn)行直接使用；倘若設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)中所有提供方案中沒有發(fā)現(xiàn)滿意的方案，就可以從中選擇一個(gè)方案進(jìn)行修改，修改完成之后，在“生成布局”選項(xiàng)卡上，再點(diǎn)擊“完成”。這樣將布局轉(zhuǎn)化為剛性管道。此環(huán)節(jié)完成了一種轉(zhuǎn)化，即邏輯連接轉(zhuǎn)化物理連接[6]。

(4)為給排水系統(tǒng)添設(shè)衛(wèi)生器具和管道

在此環(huán)節(jié)中，通常采用2 種措施：一種為編輯系統(tǒng)，將需要添設(shè)的衛(wèi)生器具安置于給排水系統(tǒng)中，建立邏輯連接，就將自行形成布局。此措施多見于應(yīng)用在添設(shè)衛(wèi)生器具情況下。另外一種，直接把需要添加的衛(wèi)生器具連接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)打開，再繪制相應(yīng)的管道，且與管件接口連接在一起，此種措施多見于應(yīng)用在管道需要轉(zhuǎn)彎情況下，不過，倘若遇到帶有坡度的排水管道，采用此措施對(duì)管道與管件接口連接實(shí)現(xiàn)繪制，就會(huì)顯得相當(dāng)不容易。生成系統(tǒng)布局效果圖如圖2。

圖2 Revit 軟件生成系統(tǒng)布局效果

（5）系統(tǒng)連通性與流量進(jìn)行詳細(xì)檢查

將系統(tǒng)繪制完成后，還要對(duì)“系統(tǒng)檢查器”進(jìn)行激活，管路上箭頭標(biāo)明的方向，就是代表給排水流動(dòng)方向，倘若對(duì)管道進(jìn)行單擊，便可以很清晰地看到管道流量與其所承受給水?dāng)?shù)量。

2.3 碰撞檢查

應(yīng)用MEP 仿真軟件建立BIM 模型后，就能夠?qū)o排水管道是否存在碰撞實(shí)現(xiàn)檢查操作，因?yàn)樵撥浖旧砼渲昧斯艿琅鲎矙z測功能。對(duì)碰撞實(shí)現(xiàn)檢查操作，通常選擇專業(yè)用來對(duì)管道碰撞進(jìn)行檢查的軟件---Navisworks 軟件。此軟件操作起來簡單方便，對(duì)硬件配置要求也不高。不過它有一個(gè)缺點(diǎn)就是無法對(duì)BIM 模型進(jìn)行修改。所以，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在使用Navisworks 軟件對(duì)管道碰撞或者交叉檢查過程中，倘若發(fā)現(xiàn)問題需要修改，就需要采用MEP 三維仿真軟件來對(duì)其進(jìn)行修改[7]。

本文以某排水管道兩種碰撞為例：一種是排水管之間碰撞，另一種是排水管道和建筑柱子、建筑橫梁等之間碰撞。

利用Navisworks 與 MEP 兩款軟件來對(duì)其管道碰撞與交叉進(jìn)行檢查，檢查過程如下[7、8]：

第一步：運(yùn)用 MEP 軟件從其構(gòu)建的BIM 模型中導(dǎo)出有關(guān)排水管道兩種新格式文件：一種排水管道新文件，另一種為結(jié)構(gòu)梁柱的新文件，然后分別把它添加至Navisworks 軟件中。

第二步：在電腦中打開Navisworks 軟件，接著單擊clashdetective 菜單鍵，再選擇需檢查碰撞的對(duì)象，比如排水管道、結(jié)構(gòu)梁柱等。在碰撞類型菜單欄目中選擇接觸型碰撞。同時(shí)設(shè)計(jì)人員還可以通過窗口設(shè)置碰撞檢查報(bào)告中的相關(guān)內(nèi)容，該軟件將會(huì)自動(dòng)開啟相關(guān)檢查，獲得此范圍內(nèi)的碰撞數(shù)據(jù)。

第三步：檢查結(jié)束后，Navisworks 軟件將很快形成相關(guān)檢查報(bào)告；打開檢查報(bào)告，就可以看到ID 號(hào)與三維圖像，前者代表碰撞點(diǎn)位置信息，后者代表管道碰撞位置；再依照管道ID 號(hào)回到 MEP 三維仿真軟件中對(duì)管道相關(guān)問題，比如碰撞、交叉等實(shí)現(xiàn)更改[7]。管道碰撞點(diǎn)位置信息具體如圖3。

圖3 管道碰撞點(diǎn)位置信息

第四步在 MEP 軟件三維圖像中尋覓出管道碰撞位置實(shí)現(xiàn)修改，修改結(jié)束后，再多次重復(fù)對(duì)管道碰撞進(jìn)行檢查，一直到軟件中發(fā)現(xiàn)此區(qū)域的管道碰撞數(shù)量為0，這就說明了此范圍內(nèi)所有管道碰撞與交叉問題均獲得了妥善處理。

2.4 統(tǒng)計(jì)管材的用量

對(duì)給排水管道相關(guān)問題實(shí)現(xiàn)檢查結(jié)束，還需要對(duì)所檢查到的問題馬上做出修改，才能對(duì)本給排水系統(tǒng)所消耗的管材與附件實(shí)際數(shù)量實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)，即為構(gòu)建BIM 模型宗旨，這也是 MEP 軟件較之其它軟件最大優(yōu)點(diǎn)之處。

2.4.1 建立管材統(tǒng)計(jì)用量明細(xì)表

充分運(yùn)用MEP 三維仿真軟件在BIM模型用材統(tǒng)計(jì)方面的有利條件，建立管材用量明細(xì)表，具體步驟如下[8]：

第一步：定義明細(xì)表名稱；第二步：選取管材或者附件屬性類別；第三步：設(shè)置“管材耗量明細(xì)表”相關(guān)屬性；第四步：通過本軟件自動(dòng)生成功能形成“管材耗量明細(xì)表”，詳見圖4。

圖4 管材耗量清單表

2.4.2 管材耗量明細(xì)表的屬性設(shè)定

管材耗量明細(xì)表設(shè)具體包含的內(nèi)容如圖5。

圖5 管材耗量清單表中主要內(nèi)容

管材耗量明細(xì)表中包含字段設(shè)定為管材明細(xì)表的表頭設(shè)定，也就是表格里務(wù)必增加內(nèi)容，例如類型、總計(jì)、屬性、種類等均為字段設(shè)置的范圍；過濾器指設(shè)計(jì)者依照其想法對(duì)所需要消耗材料數(shù)量實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)范圍存在差異，其設(shè)定耗材量也不一樣，其統(tǒng)計(jì)范圍一般是以層或者房間面積進(jìn)行計(jì)算。管材耗量清單表每項(xiàng)設(shè)置內(nèi)容具體情況，如圖6。

圖6 管材耗量明細(xì)表屬性設(shè)定情況

MEP 三維仿真軟件在建立BIM 模型過程中能夠自動(dòng)生成管材耗量明細(xì)表，并對(duì)耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，是其它三維軟件不具備的優(yōu)勢。管材耗量明細(xì)表既能夠使得相關(guān)設(shè)計(jì)工作者對(duì)工程中管道材料所需要實(shí)際數(shù)量有一定把握，又能夠在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)對(duì)材料用量與成本控制。

3.總結(jié)

在建筑給排水設(shè)計(jì)工程中運(yùn)用 MEP 三維仿真軟件建立BIM 模型解決管道碰撞、管道交叉、以及材料耗量明細(xì)等問題，不但能夠完成給排水管道工程三維設(shè)計(jì)，而且還能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)果檢查、修改帶來極大便利，從而為給排水設(shè)計(jì)與施工提供一種新方法與新途徑；此外，還更加有利于給排水管道工程設(shè)計(jì)工作效率提升與成本控制。未來，在建筑給排水管道工程中采用三維仿真構(gòu)建BIM 模型技術(shù)，必將成為淘汰二維平面設(shè)計(jì)技術(shù)最重要的技術(shù)，并且成為最主流設(shè)計(jì)技術(shù)。