三维设计技术在主题乐园电气设计中的应用

孙 瑜

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

随着三维设计技术的进步，越来越多的工程项目中开始采用ACA或RAVIT等三维软件，通过BIM集成多维的建筑信息模型，对建筑中的物理和功能特性内容，实现数字化存储和可视化表达等应用。

相对于两维设计方式，三维技术最大的区别在于仿真模拟，效果直观可视，可以进行综合协调，可有效解决各种错、漏、碰等常见的设计问题，提高工程设计布置和规划的合理性。三维技术通过BIM平台的集成还可以应用于项目的各个过程，实现由规划、设计、施工、运营等组成的建筑全生命周期的技术支持，并且能进一步提供造价、质量安全、实验模拟等功能的信息化接入口。

主体乐园对视觉效果展示有很高的要求，且对规划、运营、维护也有很高的需求。一些特殊的游乐设施需要通过实验的模拟论证。所以，三维可视化设计是适合运用于主题乐园的设计技术。

1 主题乐园三维电气设计的内容

(1)三维的管线设计和管线综合。主题乐园需要在同一个空间内布置各个专业和工艺管线，通过三维设计能够对管线的空间排布进行布置，并与空间内其他管线进行碰撞检查，通过三维模型完成管路设计。

(2)将游客区域的设备进行三维的展示和视觉效果分析。主题乐园对于游客区域的视觉效果有很高的要求，把面向游客的区域电气设备和管线通过三维模型表示，模拟游客的视角对于视觉效果进行动态和静态的模拟。

(3)建立数字化模型作为BIM基础。三维技术结合BIM技术，还可以进一步进行虚拟仿真、辅助分析、用料统计、造价分析、施工进度管理等功能。随着三维技术的发展，也可以通过三维模型直接生成基本满足制图要求的二维设计图纸。

BIM平台在乐园项目的应用流程如图1所示。

图1 BIM平台在乐园项目的应用流程

2 主题乐园三维电气设计的过程

(1)三维设计准备阶段。主要工作是选择三维设计软件，构建三维设计平台，设置三维项目管理结构，制定专业内部的三维设计原则。电气专业需要根据项目的实际需要选择三维建模的范围和细节程度。

(2)电气三维制图阶段。主要工作是接收建筑和其他相关的三维模型，根据三维模型制定电气内部的文件结构，并且完成各类文件的关联关系的制定，完成各个平面和剖面的截取工作。利用三维电气设计工具，根据之前制定的规则开展设计工作。

(3)三维碰撞检查阶段。通过BIM等一些协同软件，将各个专业的三维模型(采用相同或不同软件制作)结合在一起，进行三维碰撞检查，通过检查暴露出需要修改调整的问题，并协商解决方案。随后回到三维制图阶段进行修改，再进行三维碰撞检查，直到问题解决。

(4)设计成果输出。三维模型作为设计的数字化成果在协同设计的平台上保存和共享。通过三维模型的不同方式的提取和进一步的加工，生成二维设计图纸、三维设计模型展示、三维/四维(加入时间管理)设计和管理报告、各类工程量的分析和统计报表等。例如游乐项目，通过在三维设计中加入施工进度的信息(时间轴)，直观地模拟大型游艺装置的安装流程，优化施工进度和顺序。

三维电气设计流程如图2所示。

图2 三维电气设计流程图

3 三维电气设计案例分析

某大型主题乐园的假山区域及其配套游乐设施的三维设计案例，需要在一个由钢结构和建筑物共同构成的假山上设计载具游艺项目和探险游艺项目。假山三维设计的主要节点如图3所示，主要有草图、实体模型、数字模型、协同设计和三维出图几个主要节点。

图3 假山三维设计的主要节点

(1)在三维设计准备阶段。针对项目进行分析，区域采用全三维设计，选用ACAD和 CADMEP作为三维制图软件，选用Navisworks作为三维浏览和检查软件。工程选用的三维设计软件如图4所示。选用Buzzsaw作为协同数据库平台，并通过Autodesk公司协助制定三维绘图的原则和规范。三维数字化文件的命名规则、外部引用及绘图规则均通过项目的三维设计手册进行了规定。

最初的假山模型通过扫描等比例缩小的实物模型获取，并通过三维打印和三维扫描技术逐步放大和增加细节。通过ACAD的绘制，最终在三维协同设计平台上形成了三维数字化的建筑模型。Navis三维假山模型如图5所示。

图4 工程选用的三维设计软件

图5 Navis三维假山模型

(2)电气三维制图阶段。接收三维建筑模型后，电气设计人员对模型进行分析，最终确认了三维设计的原则和深度。强电所有的配电箱柜、桥架线槽、电缆井、管径大于φ50 mm的管线等均绘制三维模型。在一些游客区域，如假山上的攀爬挑战区域，所有的电气设备，包括灯具、接线盒、避雷针、广播、摄像头等均绘制三维模型，明敷的管线也绘制三维模型。

明确了电气专业的三维设计深度后，电气设计人员选用CAD-MEP软件，在协同平台上加载建筑和架构的三维模型，然后在项目管理树指定的路径下，根据之前制定的三维设计原则绘制三维电气图纸。

(3)三维碰撞检查阶段。在电气设计人员进行三维制图设计的同时，其他专业也在同步进行三维设计。各个专业的三维设计告一段落后，各个专业通过Navisworks软件加载所有的三维模型，进行三维碰撞检查生成三维碰撞报告，并逐一分析三维碰撞点，各个专业共同协商解决方案。在电气专业的三维设计过程中，碰撞检查阶段比三维制图阶段还要耗时，是电气专业在三维设计的各个工作阶段中工作量最大的阶段。机电管线三维碰撞如图6所示。

图6 机电管线三维碰撞

除了三维的碰撞检查和碰撞修改，这个阶段还需要配合创意团队和建筑团队对游客区域的三维电气模型进行检查。创意团队对于这类三维电气设计的要求是模型的三维信息尽量准确，三维模型的细节尽量真实。如游客区域的三维避雷针，不但需要根据复杂的空间关系和构筑物形状进行三维防雷计算，还需要等比例绘制实际的三维避雷针，并逐一进行外观效果评估，当创意团队无法接受避雷针的视觉效果时，会通过一些建筑上的手法进行效果处理，让避雷针在视觉上融入整个环境。

(4)设计成果的输出。在基本确认三维模型后，根据假山区域制定的出图规则和实际需要，选取不同标高的平面和重要的剖面进行二维设计图纸的出图。同时，三维模型还作为施工管理、质量管理、造价控制、游艺模拟等辅助应用的素材，在相应的BIM平台中运用。

4 三维设计在主题乐园电气设计中的特点和问题

4.1 电气三维设计的模型和元素

三维设计元素类似于二维设计的图例，将对象的三维特性、设计参数、安装方式、二维映射等属性信息集成制作，可以在三维设计中通过数据库进行调用，并根据实际情况进行参数修改和三维图纸的绘制。对于电气的三维设计软件，三维的元素库是三维设计软件的核心竞争力。目前主流的机电三维设计软件，电气专业的三维元素库通常是软件中最弱的一环。

电气三维元素库的匮乏，主要有以下几个原因。

(1)系统众多，数据库数量巨大。目前电气设计内容越来越丰富，电气各个系统的元件制作三维元素的工作量远大于其他系统，考虑到三维设计软件也是近年还在逐步完善的，三维电气的元素往往是三维机电设计软件中最不成熟的部分。

(2)大量电气元件缺少统一标准。三维元素的制作是对于元件信息归类和提炼的过程，电气设计存在大量的非标准元件，也导致了三维元素制作的困难。如主题乐园的场景照明，最简单的三维模型制作都是很难简单地通过软件实现的，往往直接引用供应商提供的三维模型。厂家提供的模型只有最基本的三维信息，从而只能进行三维空间布置，无法达到三维元素的设计要求。

(3)电气设计标准的不统一。三维设计作为设计的辅助手段，需要在三维元素增加很多设计特性。三维电气设计比传统的设计包含更多的细节，电气三维元素需要包含的信息和细节越多，这些差异就越难处理和制作。

三维元素作为三维设计软件的基础，元素库的优劣也直接决定了三维电气设计的优劣。三维元素库的质量是机电三维设计的核心竞争力，是整个三维设计软件的基石，是电气专业判断一个三维设计软件优劣的最重要指标。对于电气专业，目前的两款主流三维设计软件中，Revit的电气三维元素库更加完善。

4.2 电气三维设计的深度

电气专业的三维设计深度也是主题乐园设计中遇到的实际问题，但三维设计并不适合于所有的工程。对于一个已经采用三维技术的工程，通常是部分空间采用三维电气设计。对于一个已经采用三维电气设计的空间，通常是部分电气元件和系统采用三维设计，其余仍采用传统二维方式。因此针对实际工程制定三维设计标准和深度，对于做好三维设计是必要的。

关于三维设计的工作量和工作周期问题，对于空间简单的建筑形体，三维和二维电气设计的工作量增加还是线型的，而实际情况是机电三维最大的应用就是处理复杂空间的管线碰撞，针对主题乐园中的三维电气设计通常运用在不规则的空间内。复杂空间的三维电气设计工作量相对于传统的二维设计是几何级数增加的。对于实际的工程，三维设计在质量和时间进度上存在一定的矛盾。在制定电气设计深度时需结合项目的实际情况进行分析和判断，制定三维电气设计深度。

4.3 三维设计的深度和设计师的职权匹配问题

欧美设计中通常采用设计师负责制，在设计过程中承担的责任和国内不同。设计师负责制的机电设计需要提供包含产品信息的设计方案，相应地包含更多产品细节的三维设计也更适合欧美设计体系的工程。关于这点，国内电气设计和欧美电气设计有较大区别，在三维电气设计中需要确定具体的品牌才可以确定三维模型，一些三维元素中包含具体厂商的信息，或者直接由厂家提供三维元素。例如:游客区域的主题照明的三维元素，通过不同的主题照明供应商提供三维元素。除了由于产品因素导致三维元素库问题，三维设计本身也提供了覆盖建筑生命周期的模型，并可以延伸进行施工进度管理和造价统计。同一个三维数字化模型在不同阶段的设计或维护的主体也是变化的。由于动态三维数字化模型的唯一性(相对于传统的二维电子图纸，整体复制和移动较难，需要制定专门的规则)，统一数字化文件管理平台如图7所示。目前设计师在三维设计过程中对于这部分内容往往存在疑问，需要针对项目分析，从而制定不同时间节点的三维设计的边界条件。电气设计师在制定电气设计深度时，应根据国家的法律法规和设计师在项目中的职责划分确定电气专业的三维设计深度。

图7 统一数字化文件管理平台

4.4 电气专业采用BIM技术与其他专业的区别

采用三维设计可以在工程中进行更加直观的展示，配合一些辅助软件还可以覆盖造价控制、施工管理等，通过BIM技术做到建筑生命周期的全覆盖。目前针对各个专业，采用同样的软件在BIM平台上达到的效果是参差不齐的。例如:结构等专业也基本实现了三维设计在BIM平台的功能和应用。

以结构专业和电气专业进行比较。

(1)软件的差异:结构专业三维设计软件开发成熟、元素库完善;电气专业是三维设计软件中开发最滞后的，元素库不完善。

(2)优秀的三维设计需要实时、准确地同步和修改，数字化信息分级分类储存，并且相互关联。三维模型的同步和修改工作量往往大于三维设计本身的工作量。电气专业作为设计过程的下游，尤其在三维设计中模型的同步和修改工作量又是各个专业中最大的。在实际的三维设计中，往往由于工作量巨大，导致三维电气设计无法完全同步。

4.5 三维设计软件的专业细分和三维设计人员要求

三维设计软件也可以看为一种专业的CAD辅助软件。目前三维设计软件需要细分到特定的专业和领域，各个软件公司的元素库也是根据专业划分。例如:建筑专业使用的三维设计软件，如果没有电气的元素库，则电气专业几乎无法进行三维设计。由于三维软件的细分，三维软件的选用和元素库的建立需要覆盖各个专业。

掌握三维设计软件对于人员的要求更高。国外设计公司通过将三维设计工作进行进一步的细分，设计和三维制图分别由不同人员负责。目前国内三维设计主要采用设计师学习三维软件，这样的模式相对于设计和三维制图分工的方式，对于人员要求更高，三维设计成果的专业程度相对较低。

5 结语

方案阶段，了解项目的性质和业主的需求，决定是否需要采用三维设计。扩初阶段，选用合适的三维设计软件，对于工程不同的区域进行三维电气设计深度细分，配合制定设计平台的规则，配合制定三维设计的多专业协调节点。施工图阶段，根据制定三维设计规则和协调节点进行三维设计工作，进行碰撞检查、三维展示和修改等工作。

三维信息化规则制定和三维设计团队培养先行。三维工具、三维制度和使用工具的人是开展三维设计的前提。在目前的三维软件中选取最合适的三维软件，结合三维软件的标准制定自身的三维设计标准，建立三维人才培养的方式。这些都是设计院开展三维设计的前提。

针对具体的三维设计项目，制定选择三维设计深度和项目负责人进行设计流程的管控，是做好三维设计工程的关键。项目负责人应根据项目实际情况分析，根据公司的三维设计制度，选择合理的三维设计深度。确定科学合理的设计流程，根据流程推进工作，是做好三维设计的必要保障。在设计阶段直观地暴露问题，并通过三维设计解决是三维设计的特色，然而国内普遍存在的边设计边施工的情况，显然和三维设计的理念冲突，只有合理地设计流程才能做好项目管控，最大地发挥三维设计的特点。三维设计的协同过程是一个多专业协调的过程。尤其是MEP的协同，需要多次的碰撞检查、软件分析、人工三维检查并修改才可以完成。这个过程是多个专业双向协调过程，需要大量的时间和人工，必须通过科学的制定设计的时间节点，来提高三维设计的效率，完成工程时间节点。

［1］ 庞可.三维设计技术应用及前景展望［J］.电力建设，2003，24(5):4-7.

［2］ 何学山，李靓.三维设计技术在合肥滨湖国际会展中心项目中的应用［J］.土木建筑工程信息技术，2010，2(3):76-79.