多专业BIM协同建模技术在大口径长距离排水系统工程中的研究
何南浩，吴冬毅
（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510000）
摘要：介绍BIM协同建模技术在市政工程中的应用现状及特点，阐述大口径、长距离排水系统工程的概况及采用多个BIM软件协同建模的重要性。以广州市石井河干流截污渠箱工程为例，通过开展项目地形、地质、主渠箱、入流井、检查井、注释等模型的创建和整合工作，获得了多专业BIM协同建模的流程及难点解决方法，实现了模型信息有效流转和成果交付，为今后开展同类项目积累了宝贵经验。
关键词：大口径渠箱；城市排水；BIM协同
0、引言
当前，BIM技术的研究和应用在国内处于快速发展阶段。与传统的二维CAD设计方式相比，BIM技术在协同设计、管线综合、碰撞检查、工程量统计及施工模拟等方面具有显著优势[1]。单一BIM软件建模技术在建筑、轨道交通及市政工程中的应用已经较为成熟和普及，但多个BIM软件协同建模和应用技术受限于多种因素，仍处于探索和初步应用阶段。从目前国内市政行业应用情况来看，BIM协同建模主要集中在给排水厂站工程、轨道交通车站、隧道与地道工程等方面[2]。但是这些工作均没有对排水系统工程特别是大口径、长距离排水系统工程的BIM多专业协同建模过程加以概括、总结。
广州市石井河干流截污渠箱工程（以下简称石井河工程）是大口径排水系统的典型代表之一。大口径排水系统埋设在地下，系统结构与常规管道相比，较为复杂[3]。本工程建设暗渠及截污管约14.7公里，渠箱宽6米，渠高 8米，分段接入石井净水厂和新建的初雨处理厂处理。项目建设覆盖多个专业，设计渠箱及管道采用开槽明挖，完工后再进行路面修复。该工程的应用研究项目以石井河渠箱的设计为基础，应用相关软件工具，建立石井河渠箱排水提醒的三维模型，同时，在建立模型过程中根据工程特点建立多层次有序的信息体系，再结合后期相关的维护就形成了具有典型代表性的大口径排水系统的三维可视化数字信息系统。
本次研究利用多个BIM软件进行协同建模，不仅建模过程直观准确，而且有利于项目协同方案的精准实施，对BIM技术在大口径长距离排水系统工程协同建模工作的方法和流程进行分析和总结，为给排水专业的BIM技术推广以及多专业BIM软件协同工作提供技术参考。
1、技术方案及策划
本项目以石井河干流截污渠箱工程为例，基于已完成的勘察资料和施工图设计成果，创建了完整的大口径排水系统工程三维可视化模型，以便后续开展各阶段BIM应用。本项目以Bentley OpenRoads Designer为核心建模软件，同时使用Bentley和Autodesk系列软件进行可视化协同建模的新方案，选用的平台具备丰富的元件库，提供国际通用的设计标准，并支持用户自定义元件库扩充，在多平台协同工作方式下优势明显。
针对本项目提出的BIM建模方案，如图1所示，首先使用Earth Volumetric Studio软件（以下简称EVS）创建项目地质模型；在ORD软件创建项目所处位置的地形模型，对项目进行精确定位，并创建中心路线、渠箱横断面模板、渠箱廊道模型；选取Revit和MicroStation软件分别创建入流井和SUE检查井模板，检查井模板以节点形式放置于廊道模型中；完成各个专业的建模后，在ORD平台进行总体模型的整合，并导入LumenRT软件进行模型的模拟、渲染，整合完成的成果上传至企业云平台统一管理，方便对外交付和展示。
图1 协同建模工作流程图
建模阶段的人员配置包括建模人员、设计人员、BIM负责人等，其中建模人员进行各专业的模型搭建工作，设计人员参与各专业建模校核工作，为建模人员提供设计技术支持，BIM负责人协调指导整体工作，并对模型数据进行权限管理。
本项目建立了协同方案。一是建立协同工作技术规范，如建立统一的坐标系、基准高程、材质属性等；二是利用企业云平台及Bentley ORD软件进行模型整合。主要的流程包括：创建共享工作文件夹，通过项目服务器上传至协同平台，作为成果归档及信息传递内容。由BIM总负责人根据项目的实施进度及应用要点，进行不同人员角色与权限分配，各参与人员基于企业云平台进行文件的收发管理，利用Bentley ORD软件进行模型载入及总装拼接，实现文件级工作协同，保证项目平台的正常运作。
2、主要建模过程
2.1 创建地形模型
三维地形模型是构成本项目模型的基础元素，在创建三维的工程模型数据之前，首先应做的工作是创建项目所处位置的地形模型及路线模型，并对其属性进行一定的定义，使其可以用于随后的项目设计工作，如渠箱廊道模型都需要参照地形模型进行创建。
用于创建地形骨架模型数据的原始数据来源于1:1000的电子地形图和高程数据文件，为项目前期勘探的成果，长度范围约14.7公里。软件提供了多种创建地形的方法，经过对比，选择从图形过滤器的方式创建地形。在创建之前，首先应对三维地形图的DWG数据文件进行处理，删除与地形骨架数据无关的内容，只保留等高线和高程点，然后将处理好的地形数据导入到ORD中，使用过滤器组即可创建项目所需的地形骨架模型，得到如图2所示，地形模型面积约153公顷。
图2 项目地形模型
2.2 创建地质模型
为了真实反映项目位置的地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律，方便渠箱附属节点如入流井、截流井的坐标位置选定，采用EVS对勘探钻孔数据生成复杂的地质体，可实现真三维和地质体数据建模、分析及可视化。
本项目渠箱位于涌底浅层，地质复杂，勘察数据库拥有钻孔1000多个，数量庞大。为了满足建模的准确性和节省时间成本，挑选最有代表性的300个钻孔作为建模数据，在可视化编程界面中对基本模块进行定制和组合，利用EVS克立金估值法完成程序的分析和计算，得到地质模型如图3所示。
模块化运算完成后的模型能以多种格式的数据导出，可与ArcGis、Revit、Civil 3D等实现无缝数据交互，如图4所示，软件内可对模型进行任意形式的切割，方便实现真三维模型动画展示。
图3 项目地质模型
图4 切割后的地质模型剖面
2.3 创建主渠箱模型
石井河工程的设计路线繁多且相互交汇，按照设计路线划分出多段截污管渠和管道，主渠箱长度约14公里，矩形断面宽6米、高8米，圆形断面半径约6米。此外还有很多分支渠箱，不同位置形状也不同。创建主渠箱的过程分为三步：首先创建中心路线，接着创建渠箱横断面模板，按路线布置模板生产廊道。
创建渠箱中心线是 BIM 在工程设计中的关键要素。例如在道路中心线设计过程中，首先应确定道路中心线的直线长度、曲线长度和半径等参数，并且确定道路中心线与三维地形模型之间在空间中的相对位置，然后才能将其用于道路工程的后续设计工作。如图5所示，通过对平曲线和纵曲线进行拟合即可得到三维的平纵中心线。中心线创建后应和地形模型结合，校核廊道设计路线是否满足需求。
如图6所示，实际工程中，不同位置的渠箱横断面结构也不同。当ORD软件模板库的模板规格无法满足石井河工程的实际要求时，需要建模人员根据相关的横断面设计样本进行创建。廊道的创建是由横断面沿着中心线的路径形成的，所以横断面模板创建时需选定一个控制点，本项目以渠箱内底标高作为模板控制点。
截污渠箱廊道的创建过程是在ORD软件中沿着平纵中心线的路径来布置廊道横断面模板。创建时除了选取对应的平纵线和横断面模板，还需设定廊道的起点终点位置，布置完成后的廊道可以通过属性栏进行属性更改，如三维路面间隔、模板、起终点桩号等。
图5 平纵中心线
图6 渠箱横断面模板
2.4 创建入流井模型
石井河工程共包含16座入流井，其结构多为半地埋式，地面部分建筑为值班室，地下包含入流井墙体、格栅、闸门、流量计等[4]。入流井一方面作用是衔接截污主渠和合流系统，另一方面可以收集汇水流域范围内的初期雨水，将雨水排至渠箱调蓄后再处理[5]。
本工程入流井相对独立、构造复杂多样、专业要求高、机电设备较多，选择采用REVIT软件分别对入流井的土建和设备模型进行建模，整合后导出imodel格式文件，再以参考的形式导入到ORD平台，与主渠箱部分进行整合[6]。如图7和图8所示，本项目在REVIT软件中对不同类型的入流井进行建模，建模的范围包括墙体、楼板、柱、梁、管道、设备。
图7 入流井土建模型 图8 入流井机电模型
2.5 创建检查井、截流井模型
石井河工程共设置了141座检查井，14截流井。其中检查井一般设在渠箱交汇处、转弯处等，设置的目的是便于定期检查附属构筑物。截流井的作用是调蓄溢流污水，从而减少流域内各支涌（或渠箱）开闸次数[7]，降低闸站运行成本，削减流域内雨季合流污水和初期雨水 70％以上的污染，减少了治理黑臭水体的费用。
项目中存在大量外形尺寸相近的检查井及截流井，为了便于放置及整合，使用参数化模板协助建模。Bentley软件的SUE模板库中存储着多种专业的节点，包括污水、雨水、给水、电力、煤气，使用时选择相应节点放置，也可以根据需求重新创建节点，创建后储存于Bentley资料库中，方便使用时统一调用。
一个完整的检查井SUE模型由cel文件和dgnlib文件组成。如图9所示，cel文件是井的建模组件，根据参数化需求将井拆分为顶部盖板、底部结构、平面视图三个部分来分别创建形成三个cel文件，再将其组合为一个dgnlib文件，并赋予对应的属性和特征定义，如图10所示，多个模板的创建可以形成一个完整的模板文件库，使用时以节点的形式放置在主体文件中。放置后需要协同地质模型，对主渠箱周围的地质环境进行分析和评估，校核节点坐标位置及高度参数的可行性。
图9 检查井cel文件模型
图10 检查井dgnlib模型
2.6 创建注释类模型
为表现模型中的设计信息，需要使用文字工具和实体建模工具创建相关注释类模型。本项目中的入流井相对独立、构造复杂多样，如图11所示，采用文字注释工具生成实体标注，区别出不同位置的入流井。主渠箱沿着石井河岸两侧布置，采用如图12所示的实体拉伸工具创建箭头模型表达渠箱设计走向，同样使用实体拉伸工具创建河流轮廓模型，将河流范围信息完整表达出来。
图11 入流井注释模型
图12 河流注释模型
2.7 模型整合
各模型创建完成后，开始进行模型整合，其中主渠箱、地形、地质、入流井、注释模型均以dgn文件格式保存，为了保证模型的准确性、完整性、信息一致性，选择ORD软件参考工具将这些模型数据整合在同一个模型中。操作时需要新建一个ORD软件，进入三维视图后使用参考工具将上述模型文件逐个导入，完成导入的入流井如图13所示。
检查井、截流井等SUE模型的整合不能采用参考的方式，需要在ORD的公共与地下设施工作流下调用ORD模板库进行放置，并参照地形骨架模型作为检查井的顶点高程，通过属性栏配置节点特征定义、高程信息。如图14和图15，通过更改显示样式核查模型是否完整导入。
节点放置过程中解决了一些困难，现对这些注意事项作出总结。首先ORD软件界面能同时切换出平面视图和三维视图，使用时可以合理利用多个视图窗口去操作和检查模型；在放置好一个节点后，通过点击平面视图下的节点来查看其特征定义，特征定义显示于软件界面左侧的属性栏，当要调整其形状尺寸时，可以修改属性栏中的对应数值，如材质、顶部、底部高度等；调整好检查井尺寸后，使用绘图工作流下面的标注工具测试检查井放置是否正确，测试时鼠标捕捉检查井的模型边界点，如顶部底部面的标高，核对其标高信息是否和模板信息对应。以上方法不能解决对应的问题时，可以返回软件中核对和修改cel文件和dgnlib文件，再重新载入模板库进行工作。
图13 放置节点模型
图14 线框模式下的整体模型
图15 光滑模式下的整体模型
3 模型成果展示及交付
本工程中主渠箱结构大多在地面以下，渠箱附属节点如检查井数量繁多，为了在模型中将设计信息清晰地表达出来，使用ORD连接工具，将整合好的工程信息模型导入Lumen RT里，进行整体模型的场景模拟和快速渲染。如图16所示，通过Lumen RT建立真实直观的3D方案模型，直观地进行项目成果展示及沟通，可以使设计师快速发现并解决问题，便于设计校核，在保证设计质量的同时，让项目决策方直观了解项目周边环境与概况，有助于各类方案的决策。
在BIM协同工作方面，本项目所有BIM模型文件及资料均通过企业云平台传递，作为成果归档及信息传递，以保证最终BIM模型数据的正确性及完整性。模型资料交付时，在BIM总负责人的管理下按规定提交统一格式的轻量化成果文件。
图16 Lumen RT中成果的渲染和输出展示
4 结论和展望
4.1 BIM应用总结
本项目以石井河截污渠箱工程为例，完成了多专业BIM协同建模工作，创建了长度约14.7公里的大口径暗渠及截污管，渠箱最大尺寸宽6米、高 8米，完成了16个构造复杂多样的入流井。针对大口径、长距离排水系统工程，找到了多专业BIM软件协同建模方法和流程，克服了BIM协同作业管理模式流程从无到有的难题，通过完善管理方法，避免了传统单一软件建模经常出现的作业重工现象，缩短了建模作业时程，方便管控模型的质量。在模型整合、展示及交付过程，利用多个BIM软件平台实现了信息的有效流转，使得模型成果交付更加完整。本项目作为开展大口径、长距离排水系统工程BIM建模技术应用的有益尝试，为今后开展同类项目积累了宝贵经验。
4.2 存在问题及对策
首先是软件的问题。在Revit软件中创建入流井设备时经常找不到符合需求的设备构件，自建又需要花费大量时间；其次，虽然软件之间都有通用模型文件格式，但在实际工作中还是存在材质、颜色等信息的丢失，建议软件商能针对各个专业的知识和作业习惯做深入地了解和调整，改进构件的参数，以提高建模的效率。另外，本项目信息量大，比较复杂。一般建模人员对于较为专业的问题理解不充分，难以发现和提出修改建议。因此，应帮助建模人员提高专业知识，以便更好地完成设计建模工作。最后，现有协同平台的模型整合、校核功能不够便捷。为了保证信息的有效流转，我们需要针对协同平台进行定制化开发，适应不同类型项目的设计需求，推进数据与模型平台的深度融合，提高建模及项目移交的质量和效率。
参考文献
[1]兰彪. 基于BIM技术的建筑与结构、给排水专业的协同设计流程研究[D].华中科技大学,2017.
[2]杨骐麟. 基于BIM的可视化协同设计应用研究[D].西南交通大学,2016.
[3]赵美玲,朱滔,冯江,等.水力模型在合流制调蓄池进水管改造中的应用[J].中国给水排水,2020,36(07):118-122.
[4]王凯丽,杨光,季洪金.北翟路地道给排水工程BIM研究与应用[J].中国市政工程,2015(05):89-92+106.
[5]吴冬毅,王广华,何则干,等.深层隧道排水工程BIM建模及展示的应用研究[J].中国给水排水,2017,33(08):20-25.DOI:10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2017.08.004.
[6]阎轶婧.基于水力模型的合流制溢流调蓄池运行效能评估[J].净水技术,2020,39(03):53-58.DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2020.03.014.
[7]汪伟,于振国,程红泉,等.合流制污水溢流污染控制技术应用解析[J].广东化工,2019,46(22):105-107.