工艺设备与土建BIM三维协同设计研究

■中船第九设计研究院工程有限公司 张涛

本文对涂装车间非标设备与土建BIM融合三维协同设计的完整体系进行探索。以建立涂装车间非标构件与外购设备三维参数化系列基础模型库为基础，实现设备模型与土建模型的成功交互，同时研究在现有设计流程框架下，各设计阶段设备与土建BIM平台协同出图的具体路径，实现涂装车间三维协同设计示范应用。

背景介绍

涂装车间二维设计现状与痛点

传统的涂装车间工艺专业设计工作主要分为四个阶段：前期设计（可行性研究、项目建议书、方案设计），初步设计，施工图设计，施工图深化设计（非标设计）。各阶段设计工作各有侧重，其中，施工图设计阶段与其他专业的协作工作最多（图1）。

图1 涂装车间传统二维设计成果

涂装车间非标设备系统和非标构件工艺布置复杂，与土建公用专业的交叉较多，作为工业建筑的主导专业，工艺专业在各设计阶段需要频繁地与土建公用其他专业相互提资，在多轮沟通修改迭代后，完成设计成果。

传统设计以欧特克公司的AutoCAD为主要平台，不同专业之间的参考引用多数以图块或者底图参照的方式进行。如果土建专业有修改，工艺专业需要重新制作插入图块，或者刷新参考引用。由于工艺与电气、给排水、暖通等专业在设计过程中无法实时看到非本专业的初步成果，不同专业之间设备、管道、桥架、梁板的干涉碰撞情况时有发生。

三维土建BIM设计

由于机械设备行业与建筑行业制图标准存在巨大差异，目前市面上还没有一款软件能同时完成设备和土建设计所需深度的建模、出图工作。工程设计阶段一般都是将事先建立的设备模型转换导出到土建BIM软件能导入的格式，完成两者的协同设计；非标设备设计阶段则是将土建模型导入到设备设计软件平台来完成。

目前，以欧特克公司的Revit软件为代表的BIM设计工具已基本满足一般土建公用类设施的设计需求。

三维工艺设备设计

涂装车间设备类型较为复杂，而且各工艺设备系统之间、工艺设备与土建公用之间往往穿插关联（图2）。其中，非标类设备包括双缸喷砂机、真空吸砂机组、带式输送机、斗式提升机、丸尘分离器、螺旋输送机、柔性升降大门等；通风除尘净化类设备包括轴流风机、离心风机、滤筒除尘器、除湿机、燃气加热箱、CCH辐射加热器、送风风机箱、有机废气处理装置等；承压类设备包括储气罐、冷干机、压力管道等；钢结构类包括储丸箱、集丸斗、盖板、格栅、冲孔板、支架、梯子、操作平台等；电气控制系统类设备包括配电柜、控制柜、终端箱、操作台、模拟屏、传感器、报警器等。

图2 涂装车间工艺设备三维模型布局

除此之外，车间还包含各类管道系统（通风除尘管道系统、真空吸砂管道系统、喷砂机管道系统），以及仪表、阀门等。外购设备的设计深度一般只要求外轮廓和对外接口尺寸准确即可，但自制设备、钢结构、管道、管件类，其设计深度一般要求能满足现场切割、加工、组装、定位需要。

各设计阶段技术路径

前期方案阶段

前期方案阶段是项目建议书、可行性研究、方案设计等工作的统称。涂装车间前期设计成果一般包括车间总体规模、间数、长宽高主尺度、机房层数、方案效果图渲染等（图3）。该阶段一般对设备、管道详细布置情况不作要求。欧特克Revit、达索Solidworks均可完成方案模型并渲染出效果图。

图3 前期方案阶段设计成果示例

初步设计及施工图阶段

初步设计及施工图阶段主要设计成果包括外购设备布置、非标设备布置、管道走向、土建留孔埋板资料等。

这两个阶段以土建公用专业所用的欧特克Revit为主导，并在达索Solidworks中建立好外购、非标设备粗略模型后，转换成合适中间格式（STP、ADSK、IGS等），再导入到欧特克Revit中做工艺布置设计。工艺设备及管道所需的留孔、埋板信息，待设备布置完成后，在欧特克Revit中通过建模操作添加。工艺布置完毕后，添加设备功率等属性信息，用于后续生成设备材料表。

欧特克Revit、达索Solidworks两个软件平台均属于PARASOLID、ACIS内核系列软件，在模型格式转换时可以最大程度保留各专业建模过程数据，并保证后续协同设计阶段的兼容性（图4）。

图4 两个软件平台的模型交互

随着设备模型的不断积累，直至整个车间所需模型库建立完备，该阶段设计工作将越来越快速、精准。

施工图深化及非标设计阶段

施工图深化及非标设计阶段主要设计成果包括详细的零部件加工信息、设备组装信息、管道和管件的详细加工装配信息等，并且需要计算出准确的材料用量（一般为重量或面积）。

该阶段选择非标设备钢结构行业最普遍应用的达索Solidworks为主要平台，同时将土建BIM欧特克Revit制作的土建模型转换成合适中间格式，导入到达索Solidworks软件平台，以便在钢结构、管道、非标设备布置设计过程中作定位参照（图5）。

图5 非标设备设计示例

在传统的二维设计中，该阶段是将土建二维图纸以图块形式导入设备图纸作为参照，利用建筑轴线来定位设备。三维设计中，利用建筑轴线生成系列参考基准面，作为设备和管道的三维空间定位基准。

三维设备和构件模型可以在设计过程中，实时调用有限元模块进行分析计算，并根据结果作适当优化调整，以便达到结构安全系数和材料经济性的最大平衡。

安装施工运维阶段

安装施工运维阶段在完成设计模型后，可以制作出涂装车间工艺设备总承包标准化施工工艺流程仿真动画，减少不同施工队伍作业水平不一的问题。在此过程中，可以直接利用设计阶段所建立的设备、土建模型。

设计模型还可直接应用于涂装车间数字化管控软件平台，便于集成全车间3D数字孪生模型、报警信息快速定位、车间运行情况直观展示、车间数字资产等。

设计成果

三维模型出二维图纸

前期方案、初步设计、施工图阶段，在手动添加设备和构件属性后，欧特克Revit软件平台可以方便地生成该阶段所需的二维工程图纸和设备材料表，表格会自动统计设备台套数。

施工图深化、非标设备设计阶段，达索Solidworks软件平台可直接从装配模型方便地生成施工现场所需的二维工程图纸，其中包括传统二维设计所需的局部剖视图、节点图等，并符合机械设备、管道设计相关规范，软件可自动计算材料用量（图6）。二维图纸图框格式可以根据实际工作要求自行定义。

图6 从三维模型生成二维图纸

三维模型对外演示

设计模型可以在方案比选汇报中实时多角度展示，并可快速展示剖切、爆炸等视图，以增强理解。

对于没有安装三维设计软件的场合，可以事先利用COMPOSER插件模块，将三维模型直接插入到PPT文件中（图7），方便对外交流展示。该插件也支持旋转、剖切、爆炸等多种视图。

图7 三维模型直接嵌入PPT文件

在基于HTML5类智能化车间三维数字资产运维平台中使用模型前，需要将模型轻量化，以大幅压缩模型文件占用带宽，提升加载速度。具体手段包括删减修饰特征，如圆角、倒角、阵列，将装配体文件合并保存为单一零部件文件，转换为STL、OBJ、FBX等轻量化模型格式等。

总结

通过三维参数化工艺设备与土建BIM平台进行协同设计，可以在设计阶段提前被发现并排除原本在施工现场才会暴露的干涉、碰撞问题，这是三维设计相对于传统二维工程设计最明显的优点。

“工欲善其事，必先利其器”，与传统二维设计需要收集积累设备样本资料一样，三维设计的顺利推进，也需要在前期积累大量的模型库，其主要包括非标工艺设备、各类标准件、土建构件等。三维设计的最大工作量在于建立模型，并将设计参数附加到模型之上，在完成这些工作之后，生成二维工程图纸和设备材料表的工作量相比传统二维设计可大幅缩减，让设计人员真正把精力投入到优化设计方案上来，而不是反复调整图纸格式，这也有利于设计成果的质量提升。