變曲率弧形成排管線BIM優(yōu)化方法研究

杜 旭 王小淘 薛 橙

陜西建工第一建設(shè)集團有限公司 陜西 西安 710068

近年來，越來越多的建筑設(shè)計因功能要求或新穎造型將主體結(jié)構(gòu)設(shè)計成弧形結(jié)構(gòu)方式，安裝專業(yè)的管線為配合主體結(jié)構(gòu)，也要隨空間設(shè)計成弧形。弧形管線無論是現(xiàn)場施工、BIM深化設(shè)計、預(yù)制加工都難于一般管道。本文基于實際項目弧形管線的深化設(shè)計與現(xiàn)場施工，試用了多種方法對弧形管線進行建模、深化設(shè)計，根據(jù)各種方法對比，總結(jié)出一套變曲率弧形成排管線高效優(yōu)化的方法。該方法成本低、效率高、定位準確，為弧形管線預(yù)制拼裝提供了基礎(chǔ)保障[1-4]。

1 工程概況

西安國際足球中心項目位于灃東新城中央商務(wù)區(qū)內(nèi)，西安新中心新軸線東側(cè)，復(fù)興大道以東，科源一路以西，科統(tǒng)三路以北，科統(tǒng)四路以南。

本項目為EPC工程，用地規(guī)模約186 667 m2，總建筑面積25.12萬 m2，包含1座60 000座專業(yè)足球場，2塊國際標準室外訓(xùn)練場，結(jié)構(gòu)形式為框架-鋼結(jié)構(gòu)，地下1層，地上6層，其中，地上部分建筑面積16.19萬 m2，地下建筑面積8.93萬 m2；總建筑高度63.9 m。西安國際足球中心是2023年亞足聯(lián)中國亞洲杯主場館之一，是符合亞足聯(lián)標準的現(xiàn)代化專業(yè)足球場（圖1）。

圖1 西安國際足球中心項目效果圖

本項目因場館外形影響，大部分走廊為弧形結(jié)構(gòu)，弧形由多個曲率半徑擬合而成，機電管線繁多，給BIM深化設(shè)計帶來很大困難（圖2）。

圖2 項目弧度為多個曲率半徑擬合而成

2 弧形管道優(yōu)化流程

弧形結(jié)構(gòu)管線安裝中，常用的方法是：根據(jù)機電專業(yè)設(shè)計圖紙，在現(xiàn)場放樣弧形曲率半徑等參數(shù)，管線煨彎或通過管件調(diào)整直管段角度形成弧形管線。但這在變曲率與管線數(shù)量繁多的情況下并不適用，需要優(yōu)先使用BIM技術(shù)對復(fù)雜弧形管線進行綜合排布，使同一區(qū)域的管線與結(jié)構(gòu)空間曲率半徑一致，排布整齊美觀。

經(jīng)過在西安國際足球中心項目的實踐，變曲率弧形多管線優(yōu)化流程為：

1）根據(jù)圖紙創(chuàng)建三維模型。先根據(jù)設(shè)計院二維圖紙創(chuàng)建各專業(yè)三維模型，此時弧形管線創(chuàng)建僅保證管線系統(tǒng)、材質(zhì)、尺寸、連接方式設(shè)置正確，路由建模完整，為下一步方案排布打下基礎(chǔ)（圖3）。

圖3 全專業(yè)弧形管線建模

2）確定管綜排布方案。三維模型創(chuàng)建完畢即可進行方案排布，以一個弧形走廊為例，截出管線最密集部位剖面進行預(yù)排，以主梁底高度為上限高度，凈空要求高度為下限高度排布管線，排布時按照施工規(guī)范和避讓原則，結(jié)合各管線走向調(diào)整管線順序，預(yù)排出排布方案（圖4）。

圖4 剖面預(yù)排布

3）弧形管線確定曲率半徑。確定排布方案后，就可按照剖面中管線位置確定各管線的曲率半徑擬合路徑。創(chuàng)建滿足項目需求的弧形管道輔助建模族，通過調(diào)整族參數(shù)，可快速完成成排弧形管線曲率調(diào)整，使同一位置管線弧度統(tǒng)一，確?，F(xiàn)場施工成果整齊美觀（圖5）。

圖5 弧形管道成排排布

4）綜合支架設(shè)計。弧形管線調(diào)整完后，進行碰撞檢測，驗證預(yù)排方案是否可行，調(diào)整預(yù)排方案，得到優(yōu)化排布方案。以管線剖面設(shè)計支吊架形式，以弧形管線彎曲位置定位支吊架位置，創(chuàng)建支架模型（圖6）。

圖6 弧形管線支吊架布置

5）調(diào)整支管位置。支架模型創(chuàng)建后，再次進行檢測，消除支架與各管線支管間的碰撞，確定支管開口位置。

6）繪制弧形管段加工圖。確定弧形管線曲率半徑和支管開口位置后，就可對管線精確分段，繪制弧形管段加工圖。加工圖中對各管段進行編號，標注各管段系統(tǒng)、管徑、長度、彎曲半徑等加工參數(shù)，各專業(yè)根據(jù)加工圖加工弧形管段。

7）支吊架和管線安裝。最后現(xiàn)場按照BIM深化圖紙進行施工，保證各專業(yè)管線同一位置與弧形結(jié)構(gòu)弧度一致，成排成線，施工一次成優(yōu)（圖7）。

圖7 西安國際足球中心弧形管線現(xiàn)場照片

3 創(chuàng)建弧形管道的方法對比

電纜橋架、風管的彎頭建模與加工不受角度和管件限制，在此主要討論弧形管道的建模方法。利用Revit軟件建模，因軟件底層架構(gòu)原因，不支持創(chuàng)建弧形管道和大于175°的管道彎頭，這就限制了三維管線綜合在弧形管道方面的應(yīng)用。通過項目應(yīng)用經(jīng)驗，在此列舉幾種變通的方法，并對建模效率、問題及成果影響進行分析。

3.1 創(chuàng)建“弧形管段”族替代弧形管道

通過創(chuàng)建專門的“弧形管段”族來替代弧形管道，利用放樣方法可很快創(chuàng)建出所需弧度的族，并可通過參數(shù)化控制管道尺寸，如圖8所示，此時弧長L=2πRarcsin(l/2R)/180，其中：R為弧形半徑；l為弧形管段對應(yīng)弦長，為可調(diào)參數(shù)。

圖8 “弧形管段”族和參數(shù)設(shè)置

優(yōu)點：模型與采用煨彎施工的實際管道一致，可快速計算出每段弧形管段的大致長度。

缺點：無法添加管道連接件，無法連接支管，改變曲率半徑需單獨調(diào)整每個管段的弧度，不利于管綜調(diào)整，無法分段，出加工圖較困難。

適用于弧形部分機電管線簡單、曲率半徑單一的位置，可快速排布出管綜方案，避免多次調(diào)整弧形管段。

3.2 利用軟管功能替代弧形管道

利用Revit軟件中的軟管功能，可畫任意弧度管道，如圖9所示，弧長L＝軟管長度。

圖9 用軟管功能繪制弧形管段

優(yōu)點：建?？焖伲⌒?，可與其他直管段連接。

缺點：無法添加管道連接件，無法連接支管，通過弧形頂點確定弧度且弧度調(diào)整不精確，不能調(diào)整標高，不利于管綜調(diào)整，達不到加工圖精度。

適用于弧形部分機電管線簡單、需要快速出效果圖等精度要求不高的模型成果。

3.3 管道＋軟管混合替代弧形管道

利用直管段＋軟管結(jié)合，小于175°的彎用彎頭管件連接，大于175°的彎利用軟管連接，如圖10所示。

圖10 用直管段＋軟管結(jié)合創(chuàng)建弧形部分模型

優(yōu)點：模型與通過管件調(diào)整直管段角度形成弧形管線施工的實際管道方式相同，可精確生成加工圖；可添加連接件、閥門；可連接支管；可改變曲率半徑；控制同排風管、電纜橋架、管道在同一位置彎曲；有利于管綜調(diào)整。

缺點：與煨彎施工實際管道不同，建模效率有降低。

在西安國際足球中心項目中，主要選用第3種弧形管道建模方法：現(xiàn)場大部分采用通過管件調(diào)整直管段形成弧形的方法施工，有利于精確繪制加工圖；采用此方法建模，弧形管段和其他管段可連接，可保持系統(tǒng)完整；適用于機電管線復(fù)雜項目，可高效調(diào)整模型進行管線綜合排布，改變標高、平移管道等操作；對于局部采用煨彎施工的部位，也可通過CAD軟件快速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)加工圖紙。

4 提高管線綜合排布效率的方法研究

在管線綜合排布時，如何快速地將同一區(qū)域各專業(yè)管線曲率半徑調(diào)整一致也是難點之一。下面提供2種方法，能夠滿足不同情況下弧形區(qū)域快速調(diào)整成排管線要求。

4.1 弧形區(qū)域曲率不變

弧形區(qū)域曲率不變，為一個圓形的一部分，曲率半徑即圓形半徑，可采用同心圓分段輔助線族，快速調(diào)整管線統(tǒng)一曲率半徑，同一分段長度和位置。輔助線族制作方法如下：采用內(nèi)接多邊形替代圓形，設(shè)置族的半徑和分段數(shù)量來控制圓弧拆分的精細度，如圖11所示。其中，半徑R、管段分割n、角度α為可調(diào)參數(shù)，可得出圓心到管線中心偏移量h＝R·cos(180°/n)；L弦＝2R·sin(180°/n)；L?。?πR/n。對于成排弧形管線，復(fù)制多根內(nèi)接多邊形，通過參數(shù)調(diào)整每根輔助線的間距，用以輔助快速定位。

圖11 內(nèi)接多邊形輔助原理和組合弧形輔助線族

將輔助族載入項目中，找到項目弧形結(jié)構(gòu)圓心，與輔助族圓心對齊。根據(jù)排布好的剖面定位管線中心到圓心的距離，設(shè)置輔助族的半徑h和偏移量參數(shù)。考慮實際施工的每段管道長度和角度，設(shè)置族的半徑和分段數(shù)量。創(chuàng)建好的弧形管線按彎曲位置批量打斷，將管線中心與輔助線對齊后連接每段管段，從而快速完成成排弧形管線的調(diào)整。

此建模排布方法優(yōu)點為：弧形結(jié)構(gòu)的項目通用，不需要其他軟件輔助，難度和成本低；可根據(jù)實際情況快速分段，獲得統(tǒng)一的彎頭角度，不建模型也可輔助現(xiàn)場快速提取弧形管段工程量；建立模型效率較高，模型精度可達到LOD400，可導(dǎo)出每段直管段長度、個數(shù)、彎頭角度等，有助于之后的工廠化預(yù)制加工快速出圖。

適用范圍：適用于曲率不變的弧形結(jié)構(gòu)中。

4.2 弧形區(qū)域為不同曲率的弧形擬合而成

弧形區(qū)域為多個不同曲率的弧形擬合而成的項目，可拆分多個同心圓擬合出所需弧度輔助線，再復(fù)制多個，通過設(shè)置偏移參數(shù)組合成成排管線弧形輔助線。管段拆分位置需考慮擬合情況提前確定。

5 繪制弧形管段加工圖

機電模型管線綜合排布完成后，根據(jù)管線剖面設(shè)計綜合支架形式，以弧形管線彎曲位置、梁柱位置確定支吊架位置，創(chuàng)建支架模型。

支架模型創(chuàng)建后，再次進行碰撞檢測，消除支管與支架的碰撞，綜合弧形管線彎曲位置、管線末端位置，優(yōu)化支管開口位置。確定了弧形管線曲率半徑和支管開口位置后，就可對管線精確分段，繪制弧形管段加工圖。加工圖繪制步驟如下：

1）根據(jù)管線綜合排布方案優(yōu)化后模型，確定各弧形管線曲率半徑擬合點。不同管材、規(guī)格、曲率半徑的管線分別出具單獨的加工圖紙。

2）綜合考慮弧形管段長度、曲率半徑變化處、各類閥門安裝位置、支管位置、梁柱分布情況、各管線材料情況，以及管線綜合支架位置，確定各系統(tǒng)管線分割位置和支架數(shù)量，進行綜合管線分段。分割時從美觀角度考慮，需保證同一弧度區(qū)域內(nèi)各管線分割位置在一個剖面位置上。同一曲率半徑的管線分割出的標準節(jié)數(shù)量最大化，可有效提高弧形管段加工效率。

3）按照弧形管段分割位置，繪制各專業(yè)加工詳圖，明確風管、管道、橋架的分段長度、曲率半徑等詳細參數(shù)信息并編碼，出具各管線弧形部分加工圖。弧形輔助線可直接作為該弧形管線的中心定位線，導(dǎo)出至加工圖中。各系統(tǒng)管段按加工圖制定詳細的批量預(yù)加工清單。

采用煨彎工藝加工的弧形管道，加工圖需標明弧形管段的曲率半徑R、端點直線長度、弦高、編碼等參數(shù)。使用3.1節(jié)方法創(chuàng)建的弧形管道可直接作為弧形管線中心定位線，導(dǎo)出至加工圖中。使用3.3節(jié)方法創(chuàng)建的弧形管道，需在CAD中將近似圓多邊形轉(zhuǎn)化為曲率半徑不變的弧形管道后，再進行后續(xù)的繪制和標注。

風管、橋架和利用管件形成弧度的管道，需在管件、閥門、管段拼接點以及其他設(shè)備連接處，適當擴充外接直線段長度，保證連接處在直管段進行安裝。需在加工圖中標明各專業(yè)管段長度、管件尺寸和角度、標記定位尺寸、編碼等參數(shù)。

6 結(jié)語

Revit軟件作為現(xiàn)今BIM技術(shù)應(yīng)用最普及的軟件，僅利用建模手法和輔助類族來彌補軟件弧形管線功能上的缺失，有助于在有弧形結(jié)構(gòu)的項目中推廣，提高弧形管線的綜合排布效率和管線加工精確度，同時提高了工廠化預(yù)制的預(yù)制率，實際施工中的弧形管段安裝質(zhì)量和美觀度，縮短工期。這是縮減成本、創(chuàng)造經(jīng)濟價值的綜合體現(xiàn)。