當(dāng)前，市政建設(shè)項(xiàng)目日趨大型化、復(fù)雜化，隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)大量滲透到建筑行業(yè)當(dāng)中，信息的交流與傳遞變得越來越頻繁，每個(gè)建設(shè)工程項(xiàng)目在整個(gè)建設(shè)生命周期中，各合作伙伴之間要進(jìn)行不斷的溝通交流、不斷的交換數(shù)據(jù)、不斷的修改設(shè)計(jì)等，整個(gè)交流過程具有重復(fù)性和復(fù)雜性。傳統(tǒng)意義上的溝通交流方式在耗費(fèi)大量的人力、物力的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)溝通過程混亂，效率低下，錯(cuò)漏碰缺比較多，施工難度大，返工多。

    因此，如何利用設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的數(shù)字化信息貫穿于整個(gè)建設(shè)管理中，解決大量信息的溝通、協(xié)調(diào)；如何改變目前以圖紙、文檔、電話、傳真等傳統(tǒng)溝通方式造成的信息丟失、貽誤等問題，以更為垂直集成作業(yè)的方式，打破專業(yè)分類和項(xiàng)目體的信息壁壘，成了行業(yè)亟待解決的課題。所以，構(gòu)建基于建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的建筑全生命周期管理（Building Lifecycle Management，BLM）或者產(chǎn)品全生命周期管理( Product Lifecycle Management，PLM)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)管理一體化平臺(tái)將是建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目未來發(fā)展的趨勢(shì)，可以極大地提高設(shè)計(jì)項(xiàng)目的整體質(zhì)量。

    三維設(shè)計(jì)新技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施是三分技術(shù)七分管理。上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“上海市政總院”）在推廣三維設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段過程中認(rèn)識(shí)到管理對(duì)實(shí)施成功起著決定作用。在新技術(shù)應(yīng)用過程中，重視數(shù)字化管理，確定了量化指標(biāo)、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、工作計(jì)劃和工作流程，通過總院信息網(wǎng)作為實(shí)施工作平臺(tái)。每年每個(gè)分院都要上報(bào)1個(gè)~2個(gè)三維創(chuàng)新手段項(xiàng)目，總院范圍每年有20多個(gè)三維設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，另外，在總院信息管理部的SMEDI-DS應(yīng)用軟件研發(fā)中心還有幾個(gè)深度的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。在三維設(shè)計(jì)BIM/PLM新技術(shù)應(yīng)用過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)逐步提高。

BIM技術(shù)應(yīng)用案例

    BIM給設(shè)計(jì)帶來的革新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維設(shè)計(jì)；從線條繪圖轉(zhuǎn)向構(gòu)件布置；從單純幾何模型轉(zhuǎn)向信息模型集成；從各工種單獨(dú)完成項(xiàng)目轉(zhuǎn)向各工種協(xié)同完成項(xiàng)目；從離散的分步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向基于同一模型的過程整體設(shè)計(jì)；從單一設(shè)計(jì)交付轉(zhuǎn)向建筑全生命周期支持。協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)是BIM的核心，同一構(gòu)件元素，只需輸入一次，各專業(yè)共享元素?cái)?shù)據(jù)并于不同的專業(yè)角度操作該構(gòu)件元素。

    2010年，上海市政總院組織各部門共計(jì)20人左右開展BIM項(xiàng)目探索，完成各類項(xiàng)目20項(xiàng)。對(duì)歐特克BIM軟件平臺(tái)在給排水工程設(shè)計(jì)的適應(yīng)性進(jìn)行探索，完成了效果圖、漫游、初設(shè)圖（工藝圖、建筑圖、結(jié)構(gòu)圖）、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查、施工模擬、運(yùn)行模擬探索。后續(xù)每年的20多個(gè)三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段項(xiàng)目也有一大部分是用BIM的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。

BIM實(shí)例1:金山水廠二期工程

    金山水廠二期的三維設(shè)計(jì)是一個(gè)非常全面的BIM新技術(shù)應(yīng)用探索，包括從一期場(chǎng)地開始到二期場(chǎng)地平整到二期工程中的建筑物、廠區(qū)總體管道系統(tǒng)、加藥間、V型濾池與反沖洗泵房。其深度到了加藥間的管道系統(tǒng)和設(shè)備，濾池管廊中的管道，泵房?jī)?nèi)部的細(xì)節(jié)包括設(shè)備、管道、樓梯和扶手等等。幾個(gè)主要的應(yīng)用是碰撞檢查、二維出圖和工程量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也開發(fā)了部分的構(gòu)件庫(kù)和設(shè)備庫(kù)（圖1）。在前期投標(biāo)中起到了很好的作用。

圖1 金山水廠二期三維模型、圖紙、設(shè)備庫(kù)和構(gòu)件庫(kù)

BIM實(shí)例2:上海白龍港污水處理廠

    上海白龍港污水處理廠是全亞洲最大的污水處理廠。污泥處理量為204噸干固體／天，主要處理化學(xué)污泥、初沉污泥、剩余污泥。污泥處理工藝采用“污泥濃縮+消化+脫水+部分干化”處理工藝。污泥干化采用流化床干燥機(jī)，同時(shí)對(duì)干化載氣進(jìn)行洗滌。污泥處理工程廠區(qū)模型，以Revit為BIM建模平臺(tái)，完成了廠區(qū)內(nèi)主要建構(gòu)筑物的建模，包括二沉池、輔助用房、蛋形消化池等（圖2）。

圖2 上海白龍港污水處理廠二期BIM技術(shù)綜合應(yīng)用

    在本項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)后，解決了污泥干化工程管路錯(cuò)綜復(fù)雜，管道、設(shè)備和建筑構(gòu)件之間的碰撞檢查，極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。復(fù)雜、繁多的管路系統(tǒng)工程量統(tǒng)計(jì)十分快捷、準(zhǔn)確。出圖時(shí)，增加部分三維圖紙，同時(shí)制作工程的漫游視頻，方便施工人員對(duì)圖紙的理解。在管道密集布置區(qū)域，可以清楚地區(qū)分不同的管道及其系統(tǒng)所屬的設(shè)備。

其他BIM工程實(shí)例列表

    從2010年開始到目前為止，上海市政總院已完成幾十個(gè)工程的BIM應(yīng)用，并對(duì)各個(gè)專業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了探索。如漫游、性能分析、構(gòu)筑物出圖、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查、施工模擬等。如表1所示，列出了其他4個(gè)典型的BIM項(xiàng)目及其探索內(nèi)容。

表1 BIM工程實(shí)例列表

PLM技術(shù)應(yīng)用案例

    達(dá)索V6 PLM軟件平臺(tái)是基于數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的系列軟件平臺(tái)，保證了設(shè)計(jì)文件的惟一性，不同專業(yè)、不同設(shè)計(jì)階段都在同一平臺(tái)進(jìn)行，是一個(gè)無縫連接的一體化平臺(tái)。這避免了由于文件相互傳遞、不同軟件的格式轉(zhuǎn)換而造成的數(shù)據(jù)遺失或混亂，并且可以通過權(quán)限的設(shè)置，不同的責(zé)任人只有修改相應(yīng)責(zé)任范圍內(nèi)任務(wù)的權(quán)限，不同的設(shè)計(jì)人員可以相互協(xié)同設(shè)計(jì)，通過文檔模板可以建立復(fù)雜的參數(shù)化模型進(jìn)行快速建模生成整體模型。

PLM協(xié)同設(shè)計(jì)管理：達(dá)索V6平臺(tái)

    達(dá)索V6平臺(tái)的PLM協(xié)同設(shè)計(jì)管理（圖3），采用同一數(shù)據(jù)庫(kù)管理產(chǎn)品從方案設(shè)計(jì)到施工運(yùn)行全過程的數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了全生命周期過程中的數(shù)據(jù)無縫連接。達(dá)索V6協(xié)同平臺(tái)的管理基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器），只要打開瀏覽器就可以登錄服務(wù)器，在協(xié)同管理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)所有的管理功能。提供人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)獲取三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目的管理信息和模型信息以及其他相關(guān)全生命周期信息。三維模型+信息+數(shù)據(jù)庫(kù)管理的模式具有項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、分析一體化的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行全過程管理和企業(yè)級(jí)管理，可以和企業(yè)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成，具有強(qiáng)大的生命力和前景。

圖3 達(dá)索V6平臺(tái)的PLM協(xié)同設(shè)計(jì)

    上海市政總院三維軟件研發(fā)中心的大橋組和水處理組基于V6平臺(tái)的軟件，完成了吳江水廠、深安大橋和金山水廠探索項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)全生命周期管理，從計(jì)劃安排、人員分工、建模、效果展示和成果提交審查等全過程管理工作。設(shè)計(jì)項(xiàng)目WBS分解在協(xié)同管理平臺(tái)輸入，每項(xiàng)任務(wù)將分配給小組的各個(gè)成員，安排好每項(xiàng)分工的預(yù)計(jì)開始時(shí)間和所需工作時(shí)間。

    在協(xié)同管理平臺(tái)中安排的WBS任務(wù)可以實(shí)時(shí)在達(dá)索平臺(tái)設(shè)計(jì)品牌CATIA設(shè)計(jì)建模軟件中接收，對(duì)于設(shè)計(jì)人圖3達(dá)索V6平臺(tái)PLM協(xié)同設(shè)計(jì)員而言，所有的項(xiàng)目管理過程都在后臺(tái)進(jìn)行無需切換到協(xié)同管理平臺(tái)去進(jìn)行任何操作。這也有效體現(xiàn)了V6平臺(tái)設(shè)計(jì)管理一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)勢(shì)（圖4），左邊是瀏覽器中協(xié)同管理平臺(tái)的界面，右邊是CATIA的界面。

圖4 在CATIA中查看協(xié)同管理平臺(tái)中的項(xiàng)目工作任務(wù)

    在協(xié)同管理平臺(tái)中不僅可以管理設(shè)計(jì)完成的三維模型，還可以將項(xiàng)目中所有的二維圖紙、設(shè)計(jì)說明文件、資料文件等進(jìn)行有序管理。在協(xié)同管理平臺(tái)中可以將項(xiàng)目的各類資料、文件和模型存放在相應(yīng)的文件夾中，便于共享和查看。還可以將完成設(shè)計(jì)的模型文件提交到WBS任務(wù)樹結(jié)構(gòu)下作為該任務(wù)完成的成果，以便于后期的審核審查。

PLM實(shí)例1:長(zhǎng)江大橋工程

    本實(shí)例目的是為了檢驗(yàn)達(dá)索建模軟件CATIA在大橋應(yīng)用上的能力和方法。為了突出CATIA對(duì)REVIT軟件處理大模型方面的性能優(yōu)勢(shì)，本實(shí)例使用了施工圖階段的長(zhǎng)江大橋，建模中需要建出每一個(gè)細(xì)節(jié)，包括所有螺釘和鋼板，并采用了CATIA軟件的“骨架+模板”的參數(shù)化三維建模方法，證明其適合于大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

    上海長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)16.63公里，其中道路6.66公里、橋梁9.97公里。主航道橋的設(shè)計(jì)方案為斜拉橋，按雙向6車道設(shè)計(jì)，主塔造型形如“人”宇，塔高216米。該工程實(shí)例的三維建模重點(diǎn)是總跨度1430米的主航道橋，屬于雙塔雙索面分離鋼箱梁斜拉橋，由基礎(chǔ)、主塔、橋墩、主梁、斜拉索等五大結(jié)構(gòu)組成（圖5）。

圖5 長(zhǎng)江大橋的主橋三維模型

    建模方法，骨架驅(qū)動(dòng)+文檔模板。骨架為定位需要的點(diǎn)、線、面基本元素，文檔模板可以依據(jù)不同的外部參考條件（骨架）和自身參數(shù)的變化而形成一系列的模型（此過程為文檔模板的實(shí)例化）（圖6）。模板為有設(shè)計(jì)規(guī)律的各類構(gòu)件，如梁、橋墩和拉索等等，進(jìn)行參數(shù)化建模。這種建模方法可以并行協(xié)同進(jìn)行，各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)人員可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。最后通過模板在骨架上的實(shí)例化實(shí)現(xiàn)整體模型的建立。

圖6 骨架驅(qū)動(dòng)和并行文檔模板的橋梁模型

    文檔模板的建模方法在長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例的應(yīng)用可以有效提高建模效率。CATIA建模不同于其他建模軟件的一個(gè)特點(diǎn)就是它本身是基于參數(shù)化的，它的三維模型的基本組成都是通過參數(shù)控制的。以下是鋼錨箱和主梁節(jié)段參數(shù)化文檔模板的介紹。

    鋼錨箱文檔模板發(fā)布了一系列構(gòu)造參數(shù)，并附帶參數(shù)設(shè)計(jì)表用于實(shí)例化生成單個(gè)塔柱的所有鋼錨箱（圖7），附圖同時(shí)可以看出模型的復(fù)雜程度和細(xì)節(jié)程度。其參數(shù)設(shè)計(jì)表共有22組參數(shù)，每組對(duì)應(yīng)一整套參數(shù)組合控制錨箱。設(shè)計(jì)表可以連Excel表格。

圖7 鋼錨箱模板及實(shí)例化模型

    采用文檔模板將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主梁節(jié)段作為模板，其他類似的節(jié)段通過模板實(shí)例化生成新的節(jié)段（圖8）。主梁節(jié)段的輸入條件為道路中心線上對(duì)應(yīng)節(jié)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，輸出內(nèi)容為鋼箱梁的主體結(jié)構(gòu)。主梁節(jié)段可以通過文檔模板方法來大大提高多個(gè)節(jié)段的設(shè)計(jì)效率，其他大橋結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的有規(guī)律的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)也可使用該方法。

圖8 主梁節(jié)段模板及實(shí)例化模型

    通過對(duì)長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例的應(yīng)用，我們基本上確立的骨架+文檔模板的大橋建模方法，具體做法是在骨架定位的基礎(chǔ)上，把在一個(gè)橋梁工程項(xiàng)目中有設(shè)計(jì)規(guī)律的各個(gè)單元做成帶參數(shù)的文檔模板，并確認(rèn)了CATIA軟件具有的性能優(yōu)勢(shì)，適合復(fù)雜大模型的建模，具有流暢的顯示效果。

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本文標(biāo)題：BIM和PLM在市政工程三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用(一)

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