孫 瑜

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

隨著三維設(shè)計技術(shù)的進步，越來越多的工程項目中開始采用ACA或RAVIT等三維軟件，通過BIM集成多維的建筑信息模型，對建筑中的物理和功能特性內(nèi)容，實現(xiàn)數(shù)字化存儲和可視化表達等應(yīng)用。

相對于兩維設(shè)計方式，三維技術(shù)最大的區(qū)別在于仿真模擬，效果直觀可視，可以進行綜合協(xié)調(diào)，可有效解決各種錯、漏、碰等常見的設(shè)計問題，提高工程設(shè)計布置和規(guī)劃的合理性。三維技術(shù)通過BIM平臺的集成還可以應(yīng)用于項目的各個過程，實現(xiàn)由規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營等組成的建筑全生命周期的技術(shù)支持，并且能進一步提供造價、質(zhì)量安全、實驗?zāi)M等功能的信息化接入口。

主體樂園對視覺效果展示有很高的要求，且對規(guī)劃、運營、維護也有很高的需求。一些特殊的游樂設(shè)施需要通過實驗的模擬論證。所以，三維可視化設(shè)計是適合運用于主題樂園的設(shè)計技術(shù)。

1 主題樂園三維電氣設(shè)計的內(nèi)容

(1)三維的管線設(shè)計和管線綜合。主題樂園需要在同一個空間內(nèi)布置各個專業(yè)和工藝管線，通過三維設(shè)計能夠?qū)芫€的空間排布進行布置，并與空間內(nèi)其他管線進行碰撞檢查，通過三維模型完成管路設(shè)計。

(2)將游客區(qū)域的設(shè)備進行三維的展示和視覺效果分析。主題樂園對于游客區(qū)域的視覺效果有很高的要求，把面向游客的區(qū)域電氣設(shè)備和管線通過三維模型表示，模擬游客的視角對于視覺效果進行動態(tài)和靜態(tài)的模擬。

(3)建立數(shù)字化模型作為BIM基礎(chǔ)。三維技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)，還可以進一步進行虛擬仿真、輔助分析、用料統(tǒng)計、造價分析、施工進度管理等功能。隨著三維技術(shù)的發(fā)展，也可以通過三維模型直接生成基本滿足制圖要求的二維設(shè)計圖紙。

BIM平臺在樂園項目的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 BIM平臺在樂園項目的應(yīng)用流程

2 主題樂園三維電氣設(shè)計的過程

(1)三維設(shè)計準備階段。主要工作是選擇三維設(shè)計軟件，構(gòu)建三維設(shè)計平臺，設(shè)置三維項目管理結(jié)構(gòu)，制定專業(yè)內(nèi)部的三維設(shè)計原則。電氣專業(yè)需要根據(jù)項目的實際需要選擇三維建模的范圍和細節(jié)程度。

(2)電氣三維制圖階段。主要工作是接收建筑和其他相關(guān)的三維模型，根據(jù)三維模型制定電氣內(nèi)部的文件結(jié)構(gòu)，并且完成各類文件的關(guān)聯(lián)關(guān)系的制定，完成各個平面和剖面的截取工作。利用三維電氣設(shè)計工具，根據(jù)之前制定的規(guī)則開展設(shè)計工作。

(3)三維碰撞檢查階段。通過BIM等一些協(xié)同軟件，將各個專業(yè)的三維模型(采用相同或不同軟件制作)結(jié)合在一起，進行三維碰撞檢查，通過檢查暴露出需要修改調(diào)整的問題，并協(xié)商解決方案。隨后回到三維制圖階段進行修改，再進行三維碰撞檢查，直到問題解決。

(4)設(shè)計成果輸出。三維模型作為設(shè)計的數(shù)字化成果在協(xié)同設(shè)計的平臺上保存和共享。通過三維模型的不同方式的提取和進一步的加工，生成二維設(shè)計圖紙、三維設(shè)計模型展示、三維/四維(加入時間管理)設(shè)計和管理報告、各類工程量的分析和統(tǒng)計報表等。例如游樂項目，通過在三維設(shè)計中加入施工進度的信息(時間軸)，直觀地模擬大型游藝裝置的安裝流程，優(yōu)化施工進度和順序。

三維電氣設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 三維電氣設(shè)計流程圖

3 三維電氣設(shè)計案例分析

某大型主題樂園的假山區(qū)域及其配套游樂設(shè)施的三維設(shè)計案例，需要在一個由鋼結(jié)構(gòu)和建筑物共同構(gòu)成的假山上設(shè)計載具游藝項目和探險游藝項目。假山三維設(shè)計的主要節(jié)點如圖3所示，主要有草圖、實體模型、數(shù)字模型、協(xié)同設(shè)計和三維出圖幾個主要節(jié)點。

圖3 假山三維設(shè)計的主要節(jié)點

(1)在三維設(shè)計準備階段。針對項目進行分析，區(qū)域采用全三維設(shè)計，選用ACAD和 CADMEP作為三維制圖軟件，選用Navisworks作為三維瀏覽和檢查軟件。工程選用的三維設(shè)計軟件如圖4所示。選用Buzzsaw作為協(xié)同數(shù)據(jù)庫平臺，并通過Autodesk公司協(xié)助制定三維繪圖的原則和規(guī)范。三維數(shù)字化文件的命名規(guī)則、外部引用及繪圖規(guī)則均通過項目的三維設(shè)計手冊進行了規(guī)定。

最初的假山模型通過掃描等比例縮小的實物模型獲取，并通過三維打印和三維掃描技術(shù)逐步放大和增加細節(jié)。通過ACAD的繪制，最終在三維協(xié)同設(shè)計平臺上形成了三維數(shù)字化的建筑模型。Navis三維假山模型如圖5所示。

圖4 工程選用的三維設(shè)計軟件

圖5 Navis三維假山模型

(2)電氣三維制圖階段。接收三維建筑模型后，電氣設(shè)計人員對模型進行分析，最終確認了三維設(shè)計的原則和深度。強電所有的配電箱柜、橋架線槽、電纜井、管徑大于φ50 mm的管線等均繪制三維模型。在一些游客區(qū)域，如假山上的攀爬挑戰(zhàn)區(qū)域，所有的電氣設(shè)備，包括燈具、接線盒、避雷針、廣播、攝像頭等均繪制三維模型，明敷的管線也繪制三維模型。

明確了電氣專業(yè)的三維設(shè)計深度后，電氣設(shè)計人員選用CAD-MEP軟件，在協(xié)同平臺上加載建筑和架構(gòu)的三維模型，然后在項目管理樹指定的路徑下，根據(jù)之前制定的三維設(shè)計原則繪制三維電氣圖紙。

(3)三維碰撞檢查階段。在電氣設(shè)計人員進行三維制圖設(shè)計的同時，其他專業(yè)也在同步進行三維設(shè)計。各個專業(yè)的三維設(shè)計告一段落后，各個專業(yè)通過Navisworks軟件加載所有的三維模型，進行三維碰撞檢查生成三維碰撞報告，并逐一分析三維碰撞點，各個專業(yè)共同協(xié)商解決方案。在電氣專業(yè)的三維設(shè)計過程中，碰撞檢查階段比三維制圖階段還要耗時，是電氣專業(yè)在三維設(shè)計的各個工作階段中工作量最大的階段。機電管線三維碰撞如圖6所示。

圖6 機電管線三維碰撞

除了三維的碰撞檢查和碰撞修改，這個階段還需要配合創(chuàng)意團隊和建筑團隊對游客區(qū)域的三維電氣模型進行檢查。創(chuàng)意團隊對于這類三維電氣設(shè)計的要求是模型的三維信息盡量準確，三維模型的細節(jié)盡量真實。如游客區(qū)域的三維避雷針，不但需要根據(jù)復(fù)雜的空間關(guān)系和構(gòu)筑物形狀進行三維防雷計算，還需要等比例繪制實際的三維避雷針，并逐一進行外觀效果評估，當(dāng)創(chuàng)意團隊無法接受避雷針的視覺效果時，會通過一些建筑上的手法進行效果處理，讓避雷針在視覺上融入整個環(huán)境。

(4)設(shè)計成果的輸出。在基本確認三維模型后，根據(jù)假山區(qū)域制定的出圖規(guī)則和實際需要，選取不同標高的平面和重要的剖面進行二維設(shè)計圖紙的出圖。同時，三維模型還作為施工管理、質(zhì)量管理、造價控制、游藝模擬等輔助應(yīng)用的素材，在相應(yīng)的BIM平臺中運用。

4 三維設(shè)計在主題樂園電氣設(shè)計中的特點和問題

4.1 電氣三維設(shè)計的模型和元素

三維設(shè)計元素類似于二維設(shè)計的圖例，將對象的三維特性、設(shè)計參數(shù)、安裝方式、二維映射等屬性信息集成制作，可以在三維設(shè)計中通過數(shù)據(jù)庫進行調(diào)用，并根據(jù)實際情況進行參數(shù)修改和三維圖紙的繪制。對于電氣的三維設(shè)計軟件，三維的元素庫是三維設(shè)計軟件的核心競爭力。目前主流的機電三維設(shè)計軟件，電氣專業(yè)的三維元素庫通常是軟件中最弱的一環(huán)。

電氣三維元素庫的匱乏，主要有以下幾個原因。

(1)系統(tǒng)眾多，數(shù)據(jù)庫數(shù)量巨大。目前電氣設(shè)計內(nèi)容越來越豐富，電氣各個系統(tǒng)的元件制作三維元素的工作量遠大于其他系統(tǒng)，考慮到三維設(shè)計軟件也是近年還在逐步完善的，三維電氣的元素往往是三維機電設(shè)計軟件中最不成熟的部分。

(2)大量電氣元件缺少統(tǒng)一標準。三維元素的制作是對于元件信息歸類和提煉的過程，電氣設(shè)計存在大量的非標準元件，也導(dǎo)致了三維元素制作的困難。如主題樂園的場景照明，最簡單的三維模型制作都是很難簡單地通過軟件實現(xiàn)的，往往直接引用供應(yīng)商提供的三維模型。廠家提供的模型只有最基本的三維信息，從而只能進行三維空間布置，無法達到三維元素的設(shè)計要求。

(3)電氣設(shè)計標準的不統(tǒng)一。三維設(shè)計作為設(shè)計的輔助手段，需要在三維元素增加很多設(shè)計特性。三維電氣設(shè)計比傳統(tǒng)的設(shè)計包含更多的細節(jié)，電氣三維元素需要包含的信息和細節(jié)越多，這些差異就越難處理和制作。

三維元素作為三維設(shè)計軟件的基礎(chǔ)，元素庫的優(yōu)劣也直接決定了三維電氣設(shè)計的優(yōu)劣。三維元素庫的質(zhì)量是機電三維設(shè)計的核心競爭力，是整個三維設(shè)計軟件的基石，是電氣專業(yè)判斷一個三維設(shè)計軟件優(yōu)劣的最重要指標。對于電氣專業(yè)，目前的兩款主流三維設(shè)計軟件中，Revit的電氣三維元素庫更加完善。

4.2 電氣三維設(shè)計的深度

電氣專業(yè)的三維設(shè)計深度也是主題樂園設(shè)計中遇到的實際問題，但三維設(shè)計并不適合于所有的工程。對于一個已經(jīng)采用三維技術(shù)的工程，通常是部分空間采用三維電氣設(shè)計。對于一個已經(jīng)采用三維電氣設(shè)計的空間，通常是部分電氣元件和系統(tǒng)采用三維設(shè)計，其余仍采用傳統(tǒng)二維方式。因此針對實際工程制定三維設(shè)計標準和深度，對于做好三維設(shè)計是必要的。

關(guān)于三維設(shè)計的工作量和工作周期問題，對于空間簡單的建筑形體，三維和二維電氣設(shè)計的工作量增加還是線型的，而實際情況是機電三維最大的應(yīng)用就是處理復(fù)雜空間的管線碰撞，針對主題樂園中的三維電氣設(shè)計通常運用在不規(guī)則的空間內(nèi)。復(fù)雜空間的三維電氣設(shè)計工作量相對于傳統(tǒng)的二維設(shè)計是幾何級數(shù)增加的。對于實際的工程，三維設(shè)計在質(zhì)量和時間進度上存在一定的矛盾。在制定電氣設(shè)計深度時需結(jié)合項目的實際情況進行分析和判斷，制定三維電氣設(shè)計深度。

4.3 三維設(shè)計的深度和設(shè)計師的職權(quán)匹配問題

歐美設(shè)計中通常采用設(shè)計師負責(zé)制，在設(shè)計過程中承擔(dān)的責(zé)任和國內(nèi)不同。設(shè)計師負責(zé)制的機電設(shè)計需要提供包含產(chǎn)品信息的設(shè)計方案，相應(yīng)地包含更多產(chǎn)品細節(jié)的三維設(shè)計也更適合歐美設(shè)計體系的工程。關(guān)于這點，國內(nèi)電氣設(shè)計和歐美電氣設(shè)計有較大區(qū)別，在三維電氣設(shè)計中需要確定具體的品牌才可以確定三維模型，一些三維元素中包含具體廠商的信息，或者直接由廠家提供三維元素。例如:游客區(qū)域的主題照明的三維元素，通過不同的主題照明供應(yīng)商提供三維元素。除了由于產(chǎn)品因素導(dǎo)致三維元素庫問題，三維設(shè)計本身也提供了覆蓋建筑生命周期的模型，并可以延伸進行施工進度管理和造價統(tǒng)計。同一個三維數(shù)字化模型在不同階段的設(shè)計或維護的主體也是變化的。由于動態(tài)三維數(shù)字化模型的唯一性(相對于傳統(tǒng)的二維電子圖紙，整體復(fù)制和移動較難，需要制定專門的規(guī)則)，統(tǒng)一數(shù)字化文件管理平臺如圖7所示。目前設(shè)計師在三維設(shè)計過程中對于這部分內(nèi)容往往存在疑問，需要針對項目分析，從而制定不同時間節(jié)點的三維設(shè)計的邊界條件。電氣設(shè)計師在制定電氣設(shè)計深度時，應(yīng)根據(jù)國家的法律法規(guī)和設(shè)計師在項目中的職責(zé)劃分確定電氣專業(yè)的三維設(shè)計深度。

圖7 統(tǒng)一數(shù)字化文件管理平臺

4.4 電氣專業(yè)采用BIM技術(shù)與其他專業(yè)的區(qū)別

采用三維設(shè)計可以在工程中進行更加直觀的展示，配合一些輔助軟件還可以覆蓋造價控制、施工管理等，通過BIM技術(shù)做到建筑生命周期的全覆蓋。目前針對各個專業(yè)，采用同樣的軟件在BIM平臺上達到的效果是參差不齊的。例如:結(jié)構(gòu)等專業(yè)也基本實現(xiàn)了三維設(shè)計在BIM平臺的功能和應(yīng)用。

以結(jié)構(gòu)專業(yè)和電氣專業(yè)進行比較。

(1)軟件的差異:結(jié)構(gòu)專業(yè)三維設(shè)計軟件開發(fā)成熟、元素庫完善;電氣專業(yè)是三維設(shè)計軟件中開發(fā)最滯后的，元素庫不完善。

(2)優(yōu)秀的三維設(shè)計需要實時、準確地同步和修改，數(shù)字化信息分級分類儲存，并且相互關(guān)聯(lián)。三維模型的同步和修改工作量往往大于三維設(shè)計本身的工作量。電氣專業(yè)作為設(shè)計過程的下游，尤其在三維設(shè)計中模型的同步和修改工作量又是各個專業(yè)中最大的。在實際的三維設(shè)計中，往往由于工作量巨大，導(dǎo)致三維電氣設(shè)計無法完全同步。

4.5 三維設(shè)計軟件的專業(yè)細分和三維設(shè)計人員要求

三維設(shè)計軟件也可以看為一種專業(yè)的CAD輔助軟件。目前三維設(shè)計軟件需要細分到特定的專業(yè)和領(lǐng)域，各個軟件公司的元素庫也是根據(jù)專業(yè)劃分。例如:建筑專業(yè)使用的三維設(shè)計軟件，如果沒有電氣的元素庫，則電氣專業(yè)幾乎無法進行三維設(shè)計。由于三維軟件的細分，三維軟件的選用和元素庫的建立需要覆蓋各個專業(yè)。

掌握三維設(shè)計軟件對于人員的要求更高。國外設(shè)計公司通過將三維設(shè)計工作進行進一步的細分，設(shè)計和三維制圖分別由不同人員負責(zé)。目前國內(nèi)三維設(shè)計主要采用設(shè)計師學(xué)習(xí)三維軟件，這樣的模式相對于設(shè)計和三維制圖分工的方式，對于人員要求更高，三維設(shè)計成果的專業(yè)程度相對較低。

5 結(jié)語

方案階段，了解項目的性質(zhì)和業(yè)主的需求，決定是否需要采用三維設(shè)計。擴初階段，選用合適的三維設(shè)計軟件，對于工程不同的區(qū)域進行三維電氣設(shè)計深度細分，配合制定設(shè)計平臺的規(guī)則，配合制定三維設(shè)計的多專業(yè)協(xié)調(diào)節(jié)點。施工圖階段，根據(jù)制定三維設(shè)計規(guī)則和協(xié)調(diào)節(jié)點進行三維設(shè)計工作，進行碰撞檢查、三維展示和修改等工作。

三維信息化規(guī)則制定和三維設(shè)計團隊培養(yǎng)先行。三維工具、三維制度和使用工具的人是開展三維設(shè)計的前提。在目前的三維軟件中選取最合適的三維軟件，結(jié)合三維軟件的標準制定自身的三維設(shè)計標準，建立三維人才培養(yǎng)的方式。這些都是設(shè)計院開展三維設(shè)計的前提。

針對具體的三維設(shè)計項目，制定選擇三維設(shè)計深度和項目負責(zé)人進行設(shè)計流程的管控，是做好三維設(shè)計工程的關(guān)鍵。項目負責(zé)人應(yīng)根據(jù)項目實際情況分析，根據(jù)公司的三維設(shè)計制度，選擇合理的三維設(shè)計深度。確定科學(xué)合理的設(shè)計流程，根據(jù)流程推進工作，是做好三維設(shè)計的必要保障。在設(shè)計階段直觀地暴露問題，并通過三維設(shè)計解決是三維設(shè)計的特色，然而國內(nèi)普遍存在的邊設(shè)計邊施工的情況，顯然和三維設(shè)計的理念沖突，只有合理地設(shè)計流程才能做好項目管控，最大地發(fā)揮三維設(shè)計的特點。三維設(shè)計的協(xié)同過程是一個多專業(yè)協(xié)調(diào)的過程。尤其是MEP的協(xié)同，需要多次的碰撞檢查、軟件分析、人工三維檢查并修改才可以完成。這個過程是多個專業(yè)雙向協(xié)調(diào)過程，需要大量的時間和人工，必須通過科學(xué)的制定設(shè)計的時間節(jié)點，來提高三維設(shè)計的效率，完成工程時間節(jié)點。

［1］ 龐可.三維設(shè)計技術(shù)應(yīng)用及前景展望［J］.電力建設(shè)，2003，24(5):4-7.

［2］ 何學(xué)山，李靚.三維設(shè)計技術(shù)在合肥濱湖國際會展中心項目中的應(yīng)用［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(3):76-79.