上海勘测设计研究院有限公司
摘要：本文采用建筑信息化模型-BIM技术，提出了针对海上升压站工程的数字化解决方案，引入参数化技术实现高效建模，采用可视化碰撞检测技术规避工程隐患，实现了基于虚拟漫游仿真的工程模型预览，得到了理想的施工图出图效果。结果表明，海上升压站数字化解决方案能有效提高工程投资回报率，可在类型工程中广泛推广。
1前言：
海上风电属于清洁能源，在能源行业具有广阔前景，海上升压站是海上风电开发中的重要组成部分，具有平面布置紧凑、工程建设内容多、干扰大、工期紧、结构设计要求高等特点和难点，近年来，装配式模块化升压站得到快速发展[1]，传统二维设计手段已无法满足海上升压站在全生命周期内的规划设计、运行维护要求。
目前，建筑信息模型（BIM）技术已经成为结合可视化与项目管理的新兴设计手段，与传统设计手段相比，能够减少工程投资，提高工程质量，缩短项目交付时间 [2]。建筑信息模型包含了几何信息与工程属性参数，在项目建设过程中可用来支持工程设计、采购、装修以及设备安装，在工程完成后可满足运行与维护的需求。[3]
本文提出了适合海上升压站设计的数字化解决方案，并结合唐山乐亭菩提岛220KV海上升压站工程进行了验证与分析。
2 数字化设计现状
2.1 BIM的定义与核心要素
建筑信息模型（BIM）被建筑工程信息委员会（CPIC）定义为信息管理与集成的艺术；一个贯穿于工程全生命周期的工作流程[4][5]；一个结合了几何与非几何工程属性的数字化表达[6]。三个不同维度的定义都包含了四个核心要素：协同，数据集成，流程，生命周期。这四个要素互相影响，构成了一个兼顾创新性与高效性的工程环境。
图1 BIM的四个核心要素
2.2 数字化设计现状
鉴于数字化设计的技术优势，BIM技术在设计、施工、管理等各个阶段都广泛应用。例如，设计企业内部的设计协调，设计错误的自动检测，施工单位的安全管理，风险识别及预警，从而提高劳动生产率，减少施工事故。
BIM技术的应用在全球范围内快速扩展，其中，北美地区的BIM实施增速最快，这得益于美国政府对于其主要基础设施行业的BIM实施强制性要求。但与此同时，全球不同国家之间的BIM差距正在缩小，其利用比率正快速上升[7]。
NBS组织研究了全球BIM发展水平较高的英国、加拿大、芬兰、新西兰应用情况。其中，英国的BIM发展位于全球最高水平，但结果显示，虽然94%的企业已经认识到BIM发展的重要性，但真正实施的仅占39%。[8]
建筑师和建筑科技工作者占BIM使用者的比例最大，分别为37%和21%，造价工程师占5%，结构工程师占4%，建筑材料厂商和工厂管理人员占比仅为1%。[9]
A2K公司在欧特克公司的支持下，对澳大利亚和新西兰地区的工程师进行了调查。调查验证了更好地理解CAD与BIM相关的观点和挑战的必要性。结果表明，数字化技术的吸收和市场占有率取决于操作层面的可行性[10]目前造成BIM使用偏低的主要因素是软件的易操作性（70%），技术的缺乏（52%），硬件的缺乏（31%）[11]
BIM设计吸收的成败因素分为四个方面，分别为管理层面的支持、技术层面的支持、软件兼容性的提高、组织文化的创新。
3 海上升压站数字化应用
3.1 Project Wise协同平台的应用
工程设计是多种不同专业的工程师设计理念的结晶，海上升压站的工程设计需要设计、监理、承包商、业主、运维商各方的信息共享与协作。
传统二维CAD设计可用图层管理区分各专业的设计成果，但无法规避各专业的设计冲突，需要多次项目会议来协调各专业设计理念，延长了设计周期并且协调效果不佳。设计文件众多繁杂，传统的项目成果递交模式不能够高效满足后续各利益方的信息传递。
Project Wise 平台拥有多平台客户端和远程发布功能，能够实现多平台协同工作，各专业设计人员能够将设计模型和数据共享在Project Wise 平台，使得各专业间能互相查询各自最新设计成果，在前期规避设计冲突。用户权限管理和文件权限管理使得从设计到监理、施工方、业主、运维商等各方的成果递交更加安全和稳定。图2表明了设计各专业的协同原理，工程师实时在Project Wise平台建立本专业模型，并根据权限设置访问相关专业的BIM模型，最终各专业模型在Project Wise平台完成组装，形成整体海上升压站BIM模型，整体模型可设置权限并远程发布i-modle格式文件，递交给施工单位、监理、业主等相关利益方。
图2 Project Wise 协同平台工作原理图
3.2 模块参数化设计
海上升压站模块化设计是在进行整体工程分析的基础上，将海上升压站分为结构、舾装、电气、给排水、暖通各专业模块，各专业模型再细分为更低层级的独立基础单元模块，根据业主提供的具体设计要求，通过对模块的优化和综合，快速设计出满足不同性能和功能的同类型工程。以电气专业设备为例，图3展示了GIS模块的BIM模型，图4是GIS模块的基础单元模块。
图4 GIS 模块BIM模型
图5 GIS基础单元模块
参数化设计是针对独立的基础模块，在基础模块中加载尺寸、体积等几何信息以及设计压力、材料、建模人员等非几何信息，优化设计流程，实现同类工程的信息再利用，从而提高设计效率，缩短设计周期。
海上升压站的参数化建模采用在基础设施领域应用广泛的AECO Building Design 和Openplant Modeler实现，在模型中嵌入模型编码，管线设计压力等级，管径等几何与非几何信息。
3.3 冲突检测及三维管线综合
冲突检测以及三维管线综合基于各专业模型，采用Navigator软件检查施工图设计阶段的碰撞，完成海上升压站工程设计范围内各种管线布设与结构、建筑和竖向高程相协调的三维协同设计，以避免空间冲突，尽可能减少碰撞，避免设计错误传递到施工阶段。
图7 冲突检测成果
图6描述了唐山乐亭海上升压站冲突检测的BIM实现过程，图7为Navigator检测出的冲突内容。图8为给排水消防的管线综合优化BIM模型
图8 消防给排水管线综合优化模型
3.4 工程量自动导出
传统的二维设计需要在二维图纸中手动统计工程量，效率较低，基于BIM的工程量计算是指在设计完成的模型基础上，深化和补充
图9 给排水管线长度和公称直径工程量统计表
相关几何数据信息，建立符合工程量计算要求的模型，利用配套软件进行工程量计算的过程。海上升压站工程量统计收集了设计模型数据，根据工程区域建立工程量计算所需的Omini-class编码体系，并完成符合工程量计算要求的构件与分部分项工程的对应关系，完善各专业的构件模型属性，按工程量统计格式要求定制统计方法，导出符合设计要求的工程量报表。图9 展示了给排水管线长度和公称直径工程量统计表，图10 展示了基于Omini-Class编码的管道构建模型。
图10 基于Omini-Class的管道模型构建统计
3.5 虚拟漫游仿真
结合海上升压站工程实际场景情况，赋予模型构件相应的材质，将建筑信息模型导入Navigator软件，设定视点和漫游路径，反应海上升压站的整体布局与主要空间布置，将软件中的漫游文件导出为通用格式的视频文件，以备后期调整与修改。
图11为虚拟漫游仿真某一视角的升压站内部整体布局图。
图11 海上升压站上部结构虚拟漫游仿真整体视角图
3.6 二维制图表达
基于BIM的二维制图表达是以三维模型为基础，通过剖切的方式形成平面、立面、剖面、节点等二维断面图，对于复杂局部空间，借助三维透视图和轴测图进行表达。图12为剖切得到的二维断面图，图13为散热器消防管路的透视图。
图12 海上升压站上部结构二层平面图
图13 散热器消防管路三维透视图
4 海上升压站数字化设计的主要难点
海上升压站数字化设计的主要难点分为五个方面，分别为组织文化、资金支持、技术因素、合同约定、法律法规。表一详细总结了该五个方面的内容。
5 结语
数字化技术在基础设施行业具有广阔前景。本文总结了基础设施行业的主流BIM应用软件供应商及软件情况，结合唐山乐亭海上升压站项目，提出了全过程设计方案，得到了理想的节省工程投资效果，为海上升压站工程的全过程管理提供了支撑平台。
参考文献：
[1] 陈文哲 110kv标准装配式变电站模块化专题研究[J] 2017，38（6）：698-701
[2] Ireneusz Czmoch，Adam Pekala，Traditional Design versus BIM Based Design[J] Procedia Engineering 91（2014）210-215
[3] SALMAN AZHAR，PH.D.，A.M.ASCE，Building Information Modeling（BIM）：Trends，Benefits，Risks，and Challenges for the AEC Industry[J] Leadership Manage.Eng.2011.11：241-252
[4] R.Howard，B.-C. Bjork，Building information modeling-Experts' views on standardization and industry deployment，Adv.Eng.Inform.22（2）（2008）271-280
[5] Y.Rezgui，T.Beach，O.Rana，H.Li，A Cloud-based Lifecycle and Supply Chain BIM Storage Strategy A Proof of Concept Study，2012
[6] National Institute of Building Sciences，National BIM standard- United States Version 2，NIBS，United States of America，2012.
[7] SmartMarket Report. The business value of BIM for construction in major global markets：how contractors around the world are driving innovation with Building Information Modeling. In：Construction MH，editor. Design and construction intelligence. Bedford，Massachusetts，USA：2014
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[10] A2K TTT.CAD/BIM market survey：key findings report；2014.
[11] Bernstein HM，jones S，Russo M. The business value of BIM in North America：multi-year trend analysis and user rating（2007-2012）. SmartMark Rep 2012.
[12] Son H，Lee S，Kim C. What drives the adoption of building information modeling in design organization? An empirical investigation of the antecedents affecting architects’behavioral intentions. Autom Constr 2015；49[Part A：92-9]
论文作者:李彦浩,冯宇,张杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
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